Mess- und Prüftechnik / HF-Systemdesign SystemVUE versus LabVIEW Communications

Externe Benches

D&E: Wie laufen Algorithmen-Entwicklung, Systemsimulation, Systemtests an externen Benches (Anm.: Spektrumanalysatoren, SDR-Plattformen), Prototypenentwurf und Implementierung ab?

NI: LabVIEW Communications unterstützt verschiedene Programmiersprachen und -konzepte, unter anderem C, .m und Datenfluss. Die datenflussorientierte grafische Sprache kann auf Prozessoren und FPGAs ausgeführt werden. Die fortschrittliche Compiler-Technologie von LabVIEW Communications sorgt für eine optimierte Zuordnung der Datenflusssprache G zu den zugrunde liegenden Verarbeitungselementen, sei es ein Prozessor oder ein FPGA. Damit können Entwickler flexibel mit der Aufteilung von Designs experimentieren, da sich Algorithmen oder Teile davon nahtlos zwischen FPGA und Prozessor verschieben lassen.
Das nahtlose Verschieben von in G geschriebenen Algorithmen zwischen Prozessor- und FPGA-Hardware wird durch integrierte Tools für die datenbasierte Umwandlung von Fließkomma- in Festkommawerte gewährleistet. Darüber hinaus gibt es spezifische Leistungsoptimierungen für die jeweilige Hardware. Bei einem Diagramm, das auf dem Prozessor ausgeführt wird, kann LabVIEW Communications das Design beispielsweise so parallelisieren und aufteilen, dass das volle Potenzial eines Multicore-Prozessors genutzt wird. Bei einem Diagramm, das auf dem FPGA ausgeführt wird, lassen sich benutzerspezifische Einschränkungen festlegen, zum Beispiel für Durchsatz und Taktrate, sodass das Hardwaredesign ordnungsgemäß auf dem FPGA synthetisiert wird.
Für praktische Implementierungen mit Hardware zeigt der LabVIEW Communications SystemDesigner Hardwarekonfigurationen und -einschränkungen an, was die Systemdefinition, die Deployment-Verwaltung und die Leistungsoptimierung deutlich vereinfacht. SystemDesigner erlaubt zudem die Aufteilung von Designs auf verschiedene Hardwarekomponenten per Drag-and-drop, sodass Systemarchitekturen zügig überarbeitet werden können.

Keysight: Algorithmen werden entweder textbasiert oder mit Hilfe der Bibliotheken erstellt.  Skripten und Blockschaltbilder können selbstverständlich miteinander verknüpft werden. Zur vollständigen Systembetrachtung gehört in der Regel auch die HF-Signalkette. Hierzu kann der HF-Architekt auf einer abstrakten Ebene, das heißt, durch Datenblattwerte oder S-Parameter charakterisierte Komponenten, entsprechende Blockschaltbilder entwerfen und diese typischerweise im Frequenzbereich analysieren. Algorithmen und HF-Kette lassen sich unmittelbar miteinander kombinieren. Ergänzt man dieses System um den Übertragungskanal, kann die Systemsimulation zuverlässige Aussagen zur Performance bis hin zu Bitfehlerraten- und Datendurchsatzmessungen liefern.

In Prototypenentwurf und Implementierung sollte zwischen digitalem und analogen Design-Prozess unterschieden werden. Während im Basisband Algorithmen in SystemVUE in Fixed-Point Darstellung oder textbasierend in bekannten HDL-Modellierungformen umgesetzt werden können, die dann direkt synthetisierbar sind, erfolgt der Übergang zum analogen Bereich über entsprechend genaue Charakterisierung der Blöcke (Anm.: Top-down), beziehungsweise (Anm.: Bottom-up) der direkten Einbindung der Transistorimplementierung im Schaltungssimulator oder messtechnisch erfasster Modelle. Letztere werden zumeist mit (nicht-)linearen Netzwerkanalysatoren gemessen und als S- beziehungsweise X-Parameter übergeben.

Die Systemverifikation in der externen Testbench wird dann mit den gleichen Signalparametern durchgeführt, die zuvor bereits in der Simulation gewählt wurden, das heißt, grundsätzlich werden konsistente Methoden zur Signalgenerierung beziehungsweise -analyse angewandt. Simulation und Hardwaretest können bei Bedarf beliebig kombiniert werden. Noch fehlende Prototypen lassen sich somit leicht durch Simulation ergänzen. Typischerweise werden Signale an einer beliebigen Stelle der Kette auf ein entsprechendes Messgerät gespielt oder von diesem aufgenommen.

Je nach Schnittstelle kommen eine Palette von Instrumenten in Frage: AWG/VSG auf der Generierungsseite, SA/Scope/Digitizer auf der Analyseseite. Algorithmen lassen sich im SDR-Sinne auf den FPGA-Plattformen unserer AWGs und Digitizer implementieren.
 

D&E: Wie funktioniert die Komponentenintegration, welche Modelle können in den jeweiligen Werkzeugen integriert werden?

NI: LabVIEW Communications unterstützt die Integration von .m-Dateien, C-Code und Datenfluss mit Universalprozessoren sowie die Integration von Xilinx-IP mit FPGAs.

Keysight: SystemVUE unterstützt die Integration von Komponenten auf vielfältige Weise und Abstraktionsebenen. Im einfachsten Fall natürlich über möglichst genaue Parameter der vorhandenen Modelle. Digitale Komponenten werden zumeist in HDL oder HLS-kompatiblem Code beschrieben. Zur RTL-Simulation nutzt SystemVUE beispielsweise Modelsim. SystemC kann direkt in SystemVUE integriert werden.
Grundsätzlich basiert SystemVUE auf C/C++-Modellierung, sodass auch HLS-C-Code mit integriert werden kann.

Analoge Komponenten werden entweder als Netzwerkparameterdatensatz integriert, oder durch Anbindung eines Schaltungssimulators. SystemVUE als Systemumgebung möchte es eigentlich vermeiden, auf Genauigkeit der Transistorebene zu simulieren. Der Aufwand, mit detaillierten Low-Level-Modellen System-Level-Performance zu bestimmen, wäre selbst mit der heutigen Rechenleistung erheblich. Sinnvolle Ab-straktion ist hier der Schlüssel zum Erfolg.

Das Konzept der Blockschaltbilder und der starke Fokus auf analoge oder HF-Signalketten übernimmt Eigenschaften beliebter Umgebungen zum Elektronikentwurf. Tatsächlich entstammt die Umgebung von SystemVUE unserem Genesys. Spice-Schaltungen können über einen Schaltungssimulator integriert werden.

D&E: Bei Entwicklungstools sind heute auch unterstützte Arbeitsflüsse ein wichtiges Thema. Könnte man Sätze wie »Schneller zum 5G-Ziel mit LabVIEW Communications beziehungsweise SystemVUE« sagen? Gibt es vorgefertigte Entwicklungsstrategien, an die sich die Entwickler anlehnen können?

NI: Ja, LabVIEW Communications bietet vorgefertigte, anpassbare Frameworks, die Entwickler als einsatzfertige Grundlage für die Anwendungserstellung nutzen können. Mit diesen Frameworks lassen sich Forschungsprojekte schneller umsetzen und damit auch zukünftige Mobilfunkstandards schneller entwickeln. Das Fehlen solcher einsatzfertigen Grundlagen hat sich bei bisherigen Mobilfunkstandards als großes Hindernis erwiesen. Daher bieten die Anwendungs-Frameworks für LTE, 802.11 und MIMO sofort ablauffähige und einfach zu modifizierende Echtzeit-Referenzdesigns für die Bitübertragungs- (PHY) und MAC-Schicht. Diese bestehen aus modularen Basisband-PHY- und -MAC-Blöcken, die mithilfe der System-Design-Suite (Anm.: LabVIEW Communications) implementiert werden. Die Frameworks lassen sich auf FPGAs und Universalprozessoren ausführen, die nahtlos in die HF- und analogen FrontEnds der SDR-Hardware, Software-Defined Radio, von NI integriert sind.

Keysight: Ja genau! Ich verwende gerne meine englische Umschreibung »An interdisplinary platform for (5G) team collaboration«.  Ziel ist es nicht alle hervorragenden, höchst optimierten Werkzeuge durch ein Allzweckwunder zu ersetzen, aber die Verknüpfung der unterschiedlichen Arbeitsbereiche in einer gemeinsamen Plattform zur ermöglichen.
Anders als bei rein digitalen Systemen, bei denen bestimmte Prozessor- oder Bus-Systeme aus einem Baukasten komponentenweise integriert und dann automatisch synthetisiert werden, gibt es im Wireless-Communication-Bereich zu viele Freiheitsgrade. Als sehr hilfreich bewerten unsere Anwender die vielen Beispiele und Vorlagen, in denen standardkonforme Messungen wie SEM, EVM, BER oder Throughput aufgesetzt sind und die dann von den Benutzern mehr und mehr detailliert werden.