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

Optimierter Arbeitsfluss

D&E: Implementieren ihre Werkzeuge Methoden zur Minderung der notwendigen Design-Zyklen? Ein 5G-Entwickler benötigt erhebliches Wissen aus den Feldern HF, DSP, Digitale Logik, Embedded-Software, Antennen-Design, Wellenausbreitung, Systementwurf und WiFi-Standards. Wie werden die einzelnen Komponenten berücksichtigt – insbesondere bei der  Verteilung dieser enormen Expertise auf mehrere Arbeitsgruppen? Wie werden diese unterschiedlichen Disziplinen in einen durchgängigen Arbeitsfluss integriert?

NI: Der typische Entwicklungsprozess für Kommunikationssysteme lässt sich in drei Hauptabschnitte unterteilen: Zunächst werden von einem Forschungsteam die Algorithmen entwickelt, was in der Regel in Matlab oder C erfolgt. Die fertigen Algorithmen werden dann an das Systemdesignteam weitergegeben, das die Algorithmen in eine andere Sprache umschreibt, damit diese an die Spezifikationen der Hardware angepasst werden können. Zum Schluss bereitet ein weiteres Team das Design für die Implementierung mit realen I/O-Signalen vor.
Diese Trennungen im Entwicklungsprozess und die unterschiedlichen Tools, die für die verschiedenen Abschnitte zum Einsatz kommen, stellen die größte Hürde für eine schnelle Prototypenerstellung dar. Das hören wir immer wieder von vielen Forschungsteams aus Industrie und Lehre. Genau für diese Herausforderungen bietet LabVIEW Communications eine Lösung. Da es sich um ein durchgängiges Tool für den gesamten Prozess handelt, kann jedes Team in demselben Tool an demselben Design arbeiten, sodass teure Codeübersetzungen überflüssig werden.

Keysight: SystemVUE selbst hat einen sehr explorativen Charakter und soll dazu ermuntern Algorithmen und Architekturen vor der Implementierung möglichst akkurat zu untersuchen um unnütze Design-zyklen von vornherein zu vermeiden. Natürlich sollte man jeden Entwicklungsschritt auch verifizieren um spätere Fehler auszuschließen, die dann wirklich aufwendige Design-re-iterationen erfordern. SystemVUE unterstützt die Verifikation über die Grenzen der Entwurfsbereiche hinaus, das heißt, digitale Schaltungskomponenten (Anm.: zum Beispiel Algorithmen) können jederzeit in analogem Zusammenhang (Anm.: zum Beispiel Nichtlinearitäten) getestet werden und umgekehrt. Reale Schaltungen (zum Beispiel Verstärker) können mit Simulation/SDR (Anm.: zum Beispiel DPD) verbunden werden. In der Verifikation lässt sich SystemVUE in die digitale und analoge Simulation einbinden um Schaltungen schon vor der Fertigung ausgiebig, wie im Labor, mit realen Signalen gegen die Spezifikation zu testen. Vorausgesetzt, dass in den jeweiligen Bereichen zur Implementierung die Expertenwerkzeuge weiterhin genutzt werden, lässt sich das Know-how im SystemVUE folgendermaßen einbringen:

Felder – Speziell das Fernfeld einer Antenne kann durch Simulation oder Messung berücksichtigt werden.
Wellenausbreitung – diese wird typischerweise in einem Kanalmodell beschrieben. SystemVUE unterstützt unter anderem Winner II und 3GPP 3D sowie eigene Kanäle aus sogenannten Channel-Sounding-Messungen.
Antennendesign – Die Einzelantenne wird meist über ihre Felder beschrieben. In SystemVUE lassen sich Antennen zu Arrays kombinieren und die Gesamtcharakteristik unter Berücksichtigung potenzieller Verkopplungen berechnen. Natürlich kann man genauere Ergebnisse auch über eine gesamte EM-Simulation/Messung einbringen.
HF – dedizierte Bibliotheken mit Schaltungsblöcken (Anm.: Verstärker, Mischer, Filter...) beschreiben das nichtlineare, analoge Verhalten im Zeit- und Frequenzbereich.
DSP – Bibliotheken mit klassischen DSP Blöcken ermöglichen generische Beschreibung von Algorithmen. Zudem können eigene Algorithmen – vorzugsweise – auch in Matlab-Syntax berücksichtigt werden. SystemVUE unterstützt auch Fixed-Point -SP-Blöcke, die sich synthetisieren lassen.
Digitale Logik – wird typischerweise in HDL beschrieben und kann als solcher Block in SystemVUE berücksichtigt werden.
Embedded-Software – C++ Code kann recht einfach ins SystemVUE importiert werden. Soll SystemVUE unter einer Embedded-Software laufen, kann entweder C++ Code aus SystemVUE exportiert werden, oder man integriert den SystemVUE Simulator in die übergeordnete Routine.
Wireless Standards – SystemVUE bietet Bibliotheken für nahezu alle gängigen Standards von GSM bis 5G, WLAN, WiMax, DVB, Zigbee und Bluetooth. Andere Signale, zum Beispiel DECT, lassen sich mit den generischen Bibliotheken gut beschreiben. Außerdem können im SystemVUE ohne großen Aufwand verschiedenste Wifi-Signale miteinander kombiniert werden.
Systementwurf – Alle oben genannten bieten vielfältige Modellierungsmöglichkeiten das System zu beschreiben. Speziell für den System- und Algorithmenentwickler wichtig ist die Möglichkeit direkt in Matlab-Syntax zu arbeiten und Modelle in übersichtlichen Blockschaltplänen zu kombinieren. Nicht zu vergessen die Betrachtung von Signalen über die Grenzen hinweg, von digital bis HF, im Zeit- und Frequenzbereich sowie entsprechende Messungen der Systemperformance vom Spektrum, über IQ-Signale und EVM bis hin zu BER und Throughput. SystemVUE bietet jedem Einzelnen die Möglichkeit, sich gemäß der eigenen Expertise detailliert mit seinem speziellen Bereich zu beschäftigen und die jeweiligen Systemkomponenten bis in die Tiefe zu modellieren. In Bereichen, in denen man selbst kein Experte ist, kann man auf Verhaltensblöcke der SystemVUE-Bibliotheken zurückgreifen um die eigenen Komponenten ins System einzubetten. Oder man bekommt Modelle aus der Expertise der anderen Arbeitsgruppen. SystemVUE soll als gemeinsame Plattform die Zusammenarbeit und Datenaustausch vereinfachen. Die Möglichkeit verschiedenste Modelle einzubringen und zusammenzufügen, ist dazu eine Schlüsselfunktion in SystemVUE.

D&E: Welche SDR-Plattformen werden im Prototyping unterstützt?

NI: Unterstützt werden USRP (Anm.: Universal Software Radio Peripheral), USRP RIO (Anm.: mit anwenderprogrammierbarem FPGA) sowie FPGA-Sender, -Empfänger und -Transceiver.

Keysight: Hier gibt es mehrere Möglichkeiten. Wegen der hohen Datenverarbeitungsrate breitbandiger Kommunikationssysteme sollten leistungsfähige FPGAs zum Einsatz kommen.

Erstens: Mit SystemVUE können die FPGA-Plattformen unserer AWGs und Digitizer direkt programmiert werden. Diese basieren auf modernen Virtex oder Kintex FPGAs und bieten zudem den Vorteil exzellenter ADC/DAC-Umsetzung.

Zweitens: Aus SystemVUE kann man direkt in die Xilinx/Altera-Designumgebung wechseln, dort gegebenenfalls den Algorithmus mit weiterem IP ergänzen und implementieren. Für spezielle Xilinx-Evalboards gibt es zudem umgekehrt die Möglichkeit der Einbindung in die Simulation – HiL.

Drittens: Man generiert aus SystemVUE generischen HDL-Code und synthetisiert diesen für eine beliebige Plattform. Grundsätzlich lässt sich aus SystemVUE auch C-Code generieren, der dann auf einem Mikrocontroller laufen könnte.  

D&E: Insbesondere: Wie wird das Zusammenspiel von HF-Front-End und DSP dargestellt?

NI: Die komplexen Systeme, die für die Prototypenerstellung von Kommunikationsdesigns erforderlich sind, benötigen eine Kombination aus DSP und HF-Front-Ends. Der DSP kann über eine Vielzahl von Verarbeitungselementen aufgeteilt werden und erfordert in der Regel strikte Timing- und Synchronisierungsvorgaben. Die derzeit erhältlichen Tools zwingen einen Entwickler dazu, mit unterschiedlichen Toolchains zu arbeiten, um die Systemarchitektur festzulegen und die verschiedenen Systemkomponenten zu verwalten. Das lenkt den Fokus natürlich stark von der eigentlichen Designaufgabe ab und bremst damit schnelle Innovationen aus. Mit dem SystemDesigner von LabVIEW Communications lassen sich Systemdefinition und -verwaltung miteinander verbinden. SystemDesigner bietet eine grafische Hardwaredarstellung für die Definition von Systemkonfigurationen, die Bereitstellung und Verwaltung verschiedener Systemkomponenten und die Optimierung der Anwendungsleistung über mehrere Systemelemente hinweg. Die grafische Darstellung ermöglicht Entwicklern die zügige und effiziente Validierung von Systemaufbau und -einstellungen und bietet außerdem Zugriff auf Hardwaredokumentation, die Einblick in Datenübertragungspfade, Taktverbindungen und andere Systemressourcen wie das HF-Front-End und Peripheriegeräte gibt. Neben der Dokumentation und Systemverwaltung unterstützt SystemDesigner Entwickler von komplexen Systemen auch bei schnellen und effizienten Leistungsoptimierungen. Denn mit der Drag-and-drop-Aufteilung von Designs auf verschiedene Hardwarekomponenten können Systemarchitekturen schnell überarbeitet werden [1].

Keysight: Der SystemVUE Simulatorkern unterstützt eine einheitliche Signaldarstellung vom Bit bis zum komplex modulierten Träger. Somit können FrontEnd und DSP direkt miteinander kombiniert werden. Das FrontEnd kann auch über eine Spektralanalyse simuliert werden. SystemVUE übernimmt dann automatisch die Kopplung zwischen Frequenz- und Zeitbereich. Falls nötig kommen Schaltungs- und Digitalsimulatoren zum Einsatz.

D&E: Welche Wireless-, Kanal- und Interferenzmodelle stehen zur Verfügung?

NI: Die LabVIEW Communications System-Design-Suite unterstützt verschiedene Bibliotheken für die Signalverarbeitung und die analoge sowie digitale Kommunikation. Was die Funkkanalmodelle betrifft, gibt es mehrere integrierte flache und frequenzselektive Kanalmodelle. Dazu gehören Kanalmodelle mit flachem und selektivem Rician- und Rayleigh-Fading basierend auf Jakes- und Gans-Modellen sowie ein AWGR-Kanalmodell (Anm.: additives weißes Gaußsches Rauschen). Mit der breiten Auswahl an Bibliothekselementen lassen sich verschiedene Modelle erstellen. Darüber hinaus wurden auch verschiedene Programmiersprachen integriert, unter anderem MathScript-Knoten, G-Knoten und C-Knoten.

Keysight: Interessant wird die Frage erst ab LTE/MIMO-Technologie. Hier gibt es Generischer-Correlation-Channel, Winner II, 3GPP 3D (Anm.: Weiterentwicklung des Winner-II-Modells), NYU = 5G mmWave channel. Darüber hinaus verfügt SystemVUE über Möglichkeiten im Zusammenspiel mit der Messtechnik, ein komplett eigenes Kanalmodell zu messen beziehungsweise zu berechnen. Die so ermittelten Parameter können im SystemVUE an eine generische FastFadingEngine übergeben werden. Dies funktioniert genauso mit den meisten bekannten Kanalsimulatoren zum Beispiel TGad und METIS.

D&E: Im Systementwurf möchte ich eher schnell das Innovationspotenzial alternativer Entwürfe testen und mich nicht mit langwierigen Programmierarbeiten aufhalten. Wäre ihre Software hier für mich ein Werkzeug der Wahl? Können Systemkomponenten innerhalb der Software gegeneinander abgewogen werden?

NI: Ja. Wir erhalten von Anwendern, die LabVIEW Communications und NI-SDR-Hardware nutzen, häufig das Feedback, dass sie im Vergleich zu anderen Designtools viel Zeit einsparen.

Das University College London hat mit LabVIEW Communications und USRP RIO beispielsweise ein Echtzeit-Testbed entwickelt, das mithilfe von SEFDM (Anm.: Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing) eine hochgradig effiziente Spektrumsnutzung ermöglicht. Das SEFDM-System spart Bandbreite, da es die herkömmlichen Unterträgerabstände von OFDM-Signalen (Anm.: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) komprimiert, wodurch die spektrale Effizienz erhöht wird. Damit könnten Netzbetreiber potenziell 30 bis 60 Prozent mehr Teilnehmer anbinden.
Waseem Ozan, Forscher am UCL: »Wir konnten mit LabVIEW und USRP RIO schätzungsweise sechs Monate Entwicklungszeit sparen im Vergleich zu den FPGA-Toolkits einer anderen Umgebung.«

Keysight: Definitiv! Durch die vielen Bibliotheken, die direkte Einbindung von existierendem Matlab-Code und Messergebnissen muss das Rad nicht immer wieder neu erfunden werden. Modelle können einfach getauscht werden. Eigene Modelle zum Beispiel ein LTE-Coder lassen sich einfach gegen eine goldene Referenz – unser LTE-Code-Block – vergleichen. Alternative Entwürfe können in eigenen Konfiguration gespeichert werden.

D&E: Die Designschwierigkeiten bei MIMO sind mir überhaupt nicht klar?

NI: Massive-MIMO verspricht deutliche Steigerungen bei den Datenraten und der Verbindungszuverlässigkeit, da Basisstationen mit wesentlich mehr Antennen ausgestattet sind als bei aktuellen Mobilfunktechnologien. Die Hauptherausforderungen für die Entwicklung liegen hier in der Synchronisierung aller Systemelemente, der Datenweiterleitung von allen HF-Geräten an die zentralen Einheiten und der parallelen Signalverarbeitung. Die Datenrate von 128 Antennen beträgt nach LTE-Standardparametern 51,6 Gbit/s, was mit heutigen FPGA-Designs nicht zu bewältigen ist. Für einen derartigen Durchsatz ist Parallelität bei der Hardware und Signalverarbeitung mit angemessenen Taktraten für letztere erforderlich.

Das MIMO-Application-Framework von NI bietet ein einsatzbereites Referenzdesign für die MIMO-Prototypenerstellung, mit dem sich Massive-MIMO-Anwendungen zügig implementieren lassen. Mit dem Referenzdesign können Entwickler und Forscher sich voll und ganz auf die Entwicklung neuer Ideen konzentrieren, anstatt sich mit Fragen der Datenübertragung, Datensynchronisierung, Systemkalibrierung, Hardwareauswahl und Systemkompatibilität auseinandersetzen zu müssen. Darüber hinaus kann die Plattform flexibel an die Anforderungen angepasst werden.

Keysight: Aus Systementwurfssicht ist das vielleicht auch nicht so schwierig. Zunächst sind es einige weitere Kanäle, die schlimmstenfalls die Simulationszeit erhöhen. Gleiches gilt übrigens für Träger, Bandbreite, Datendurchsatz und ähnlichem. Das Schwierige an MIMO ist sicherlich die Varianz zwischen den einzelnen HF-Kanälen: SystemVUE hilft hier diese zu quantifizieren und die System-Performance zu qualifizieren.