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LabView Communications

Grafische FPGA-Entwicklung

8. Dezember 2016, 8:41 Uhr | Marco Brauner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Clock-Driven Logic

Die Logik wird auf dem FPGA synchron zu einem oder mehreren Taktbereichen ausgeführt. In den meisten Fällen verwendet LabView Communications die taktgesteuerte Schleife (»Clock-Driven Loop«, CDL) zur Taktung einer Funktionsgruppe. Innerhalb einer CDL wird der Code binnen eines Takt-Signal-Zyklus ausgeführt.

Ein FPGA kann mehrere CDLs unterschiedlicher Frequenzen beherbergen. Dies realisiert Subsysteme wie DRAM-Controller, Acquisition-Engines oder I/O-Controller. FIFO-Puffer vermeiden Synchronizitätsfehler beim Datentausch zwischen diesen Taktbereichen. Das Handshaking erfolgt hier manuell per 4-Draht-Handshaking-Protokoll. Die Verwendung taktgesteuerter Logik birgt zwar höheren Entwicklungsaufwand, bietet aber Zugriff auf jedes Bit des FPGA und erlaubt dadurch die direkte Leistungsoptimierung. LabView Communications bereitet mit seiner Methodik den direkten Pfad von der Algorithmensimulation auf dem Host bis zur Funktionsimplementierung auf dem FPGA.

»Application Frameworks«

Die Forschung an standardisierten Kommunikationsprotokollen mit der »System Design Suite« gelingt durch verschiedene »Application Frameworks«. Diese sind eine quelloffene, FPGA-basierte und in LabView Communications erstellte Implementierung einer Echtzeit-Bitübertragungsschicht des jeweiligen Protokolls. Deren Erweiterung um eine reduzierte MAC-Schicht erlaubt die Übertragung von Datenpaketen und Payload-Daten über die HF-Schnittstelle. UDP-Ports übergeben Nutzerdaten an das Framework. Die Frameworks laufen direkt auf der unterstützten SDR-Hardware. Über die Benutzeroberfläche wird auf sämtliche Parameter der Protokolle zugegriffen. Weiterhin zeigen sie »TX/RX«-Spektren, Konstellationsdiagramme sowie andere grafische Indikatoren. Somit sind Application Frameworks ein guter Ausgangspunkt für eigene Entwicklungen und Erweiterungen der Standards, wie neue Modulationsverfahren und Signalverläufe oder geänderte Bandbreiten im HF-Bereich. Zu den bisher verfügbaren Frameworks für die Standards 802.11 (802.11a/ac) und LTE (3GPP LTE-Release 10) gesellt sich in der neuen Version 2.0 das Mimo-Application-Framework (Multiple Input, Multiple Output). Mimo-Systeme können pro genutztem Hertz Bandbreite wesentlich mehr Bit/s übertragen. Dies erhöht die spektrale Effizienz gegenüber konventionellen Siso-Systemen (Single Input, Single Output). Sie taugen für erweiterte Multi-User-Szenarien. Deshalb sind Mimo-Systeme auch zentraler Bestandteil der Forschung an künftigen 5G-Kommunikationssystemen.

Das Mimo-Application-Framework unterstützt Multi-User-Mimo mit 2-Wege-Echtzeitkommunikation, einer skalierbaren Anzahl von »eNodeB-Antennen« (4 bis 128) sowie bis zu zwölf Single-Antenna-Usern. Der Zeitduplex Up- und Downlink basiert auf einer LTE-Bit-Übertragungsschicht mit 20 MHz Bandbreite. Zusammen mit den USRP- und PXI-Express-basierten SDR-Geräten von National Instruments lässt sich so in vergleichsweise kurzer Zeit eine vollständige Mimo-Prototyping-Plattform einrichten. Forscher testen damit neue Entwicklungen unter realen Bedingungen und treiben Innovationen voran.

Wer setzt das Tool ein?

Im Rahmen des »NI Lead User«-Programms zählt National Instruments viele erfolgreiche Kooperationen mit Universitäten im Bereich der 5G- und Kommunikations-System-Forschung. Die Universitäten Lund und Bristol richteten erstmals große »Massive-Mimo-Testbeds« mit bis zu 128 Antennen auf Basis der SDR-Plattform von NI ein. Diese Prototypen zeigen in realer Umgebung, dass sich die Bandbreiteneffizienz gegenüber aktuell eingesetzter 4G-Mobilfunktechnologie um mehr als das 20-fache steigern lässt. Für den Entwurf zukünftiger 5G-Systeme öffnen sich damit viele neue Möglichkeiten.

Zusammenfassung

Die Plattform LabView Communications setzt Ideen und Konzepte wesentlich schneller in Prototypen um, als konventionelle Entwicklungsansätze. Dies geschieht mit der Kombination aus echtzeitfähiger FPGA-basierter SDR-Hardware und intelligenter IP von LabView Communications. Zeit- und kostenintensive Schritte in der Entwurfsphase eines Systems werden durch einen durchgängigen, plattformorientierten Arbeitsfluss ersetzt. Bei Forschungsprojekten geht damit weniger Zeit in der Systemkonfiguration verloren. Aufgrund der grafische Programmierung erstellen auch Entwickler ohne spezielle FPGA-Designkenntnisse Hardware-Echtzeit-Prototypen.

Weiterführende Links:

www.ni.com/labview-communications
www.ni.com/sdr
www.ni.com/sdr/mimo