Revolution des SDR-Entwicklungsprozesses Vom Algorithmus zum Prototyp

In dem Maße, in dem sich heute unsere Gesellschaft und die Industrie in raschem Tempo vernetzen, werden auch Neuentwicklungen von Kommunikationssystemen benötigt. Wie man die damit zusammenhängenden Entwicklungsprozesse zeitsparend optimiert, zeigt dieser Beitrag am Beispiel der Prototypen-Entwicklung für SDR-Architekturen.

Entwickler für Signalverarbeitungs- und Kommunikationstechnik-Systeme arbeiten heute daran, neue Algorithmen z.B. für Bandbreiten-, Sicherheits, Leistungseffizienz- und Koexistenz-Anforderungen zu definieren. Eine weitere Entwickler-Kategorie hat sich mit dem Problem zu befassen, diese Algorithmen in Prototypen zu implementieren, die ihrerseits dann mit realen Signalen umfassend getestet werden müssen. In Industrie-, Hochschul- und staatlichen Labors haben sich deshalb Entwickler der „Software-Defined Radio“-Technik (SDR) zugewandt, um neue Kommunikationskonzepte mit realen Signalen und unter wirklichkeitsnahen Umgebungsbedingungen noch rascher evaluieren zu können. Der Prozess der Prototypenerstellung ist in diesem Zusammenhang allerdings meist alles andere als effizient: Denn leider stellen bereits vorhandene Software-Werkzeuge allzu häufig eine Hürde beim Design derartiger technischer Innovationen dar. Der Grund: Sie bieten meist nur einen relativ zusammenhanglosen, indirekten Entwicklungsprozess. Zum großen Teil resultiert dieses Problem aus der Diskontinuität zwischen Werkzeugen, die sich für die Entwicklung von Algorithmen hervorragend eignen, und den Werkzeugen, die für die Programmierung der Hardware-Komponenten eines SDR notwendig sind. Und genau diese Diskontinuität wird durch die LabVIEW Communications System Design Suite von National Instruments aufgehoben, da sie einen durchgängigen Entwicklungsprozess – angefangen beim Algorithmus bis hin zur Hardware – bietet.

Das Problem konventioneller Entwicklungszyklen

Heutzutage entscheiden sich Entwickler für SDR-Architekturen, da deren Flexibilität viele Vorteile für das Rapid Prototyping verspricht. Diese Flexibilität entstammt hauptsächlich Berechnungselementen, die das Verhalten des generischen RF Front-End mit hoher Bandbreite auf modernen SDRs vorgibt: Multicore-Prozessoren und große, anwenderprogrammierbare FPGAs. Doch die Werkzeuge, die heutzutage für die Programmierung des Prozessors und von FPGAs in SDR-Designs eingesetzt werden, sind für echtes Rapid Prototyping leider nicht geeignet.

Es erfordert unterschiedliche Spezialisierungen und Werkzeuge, um von einem Algorithmus schließlich zu einer erfolgreichen Implementierung auf einem Prozessor und einem FPGA zu gelangen. Denn die damit befassten Entwicklerteams bestehen zwar meist aus vielen – freilich sehr guten – Spezialisten mit unterschiedlichen Tools, doch deren arbeitstechnische Koordination führt zu zeit- sowie kostenintensiven Entwicklungszyklen. Die Folge ist kein reibungsloser, iterativer Prozess bis hin zur erfolgreichen Prototypenerstellung. Vielmehr ergibt sich ein uneffizienter und zeitraubender Prozess, der einer zügig realisierten Innovation entgegenwirkt (Bild 1a+b).

Mit optimalem Design-Tool arbeiten

Mit einem innovativen Design-Tool lassen sich die geschilderten Probleme lösen und ein effizienter Design-Prozess realisieren: LabVIEW Communications. Dabei handelt es sich um eine komplett durchgängige Entwicklungsumgebung, mit der sowohl der Prozessor als auch das FPGA programmiert und bearbeitet werden können. Dieses Tool realisiert letztlich einen optimalen Entwicklungsprozess für die Prototypenerstellung von Kommunikationssystemen.

Hierzu umfasst diese Hardware-basierte Entwicklungsumgebung den sogenannten SystemDesigner, der es Entwicklern ermöglicht, Systemeinstellungen zu überprüfen, auf Systemdokumentationen zuzugreifen, die Systemarchitektur zu beschreiben, Systemkomponenten zu konfigurieren und Algorithmen auf Hardware aufzuteilen sowie auf ihr einzusetzen. Diese sehr praxisgerecht konzipierte Hardware-Software-Inte­gration bietet auch Zugang zu I/O-Schnittstellen und anderen Ressourcen, so dass Middleware- und Treiber-Entwicklung überflüssig werden (Bild 2).

Zusätzlich bietet die anspruchsvolle Compiler-Technologie in LabVIEW Communications beachtliche Flexibilität und erleichtert die Algorithmenbeschreibung, um vorzugeben, wie diese Algorithmen auf der SDR-Hardware abgebildet werden.

Als Beispiel für die Entwicklung von Signalverarbeitungsalgorithmen ist das neue Multirate-Diagramm (MRD) anzuführen, das in LabVIEW Communications enthalten ist. Es ermöglicht Entwicklern das Verbinden von Prozessen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgeführt werden, ohne dass Programmcode für den gepufferten und durch Handshakes gesicherten Datenaustausch selbst implementiert werden muss.

Wenn der Entwickler eine Signalkette in einem Multirate-Diagramm konzipiert, kann er ein integriertes, interaktives, datenbasiertes Werkzeug zur Umwandlung des Designs von Gleitkomma- zu Festkommazahlen nutzen und anschließend feststellen, wie das Design bei verschiedenen Anforderungen reagiert. Allein durch die Definition von Taktrate und Durchsatz für den Algorithmus kann der zugrunde liegende Compiler die Implementierung analysieren und so dem Ingenieur zahlreiche Einschätzungen bezüglich Timing und einzusetzender Ressourcen in der verwendeten SDR-Hardware liefern.