Software-Defined-Radio Flexibel und schnell Prototypen auf einer SDR-Plattform entwickeln

Mit Software-Defined-Radio und der grafischen Programmierumgebung LabVIEW lassen sich komfortabel entsprechende Prototypen entwickeln, die mit Live-Signalen arbeiten können.

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Syslogic GmbH

DMB Technics AG

National Instruments Germany GmbH

Moderne Nachrichtentechniksysteme umfassen eine Fülle an Formaten, Protokollen und Frequenzbereichen. Software-Defined-Radio oder kurz SDR geht auf diese Anforderungen ein und stellt sicher, dass auf einer einzelnen Hardwareplattform verschiedene Implementierungen einer Vielzahl von Signalen verarbeitet werden können. Das SDR-Forum und das Institute of Electrical and Electronics Engineering (IEEE) definieren Software-Defined-Radio als Funktelekommunikationssystem, in dem einige oder alle Funktionen der physikalischen Schicht mit Hilfe von Software bestimmt werden [1]. Reed [2] und andere weisen darauf hin, dass die Vorteile von SDR den Betrieb mit mehreren Modi übertreffen. Weitere Vorzüge leiten sich von der Flexibilität ab, die mit der Programmierbarkeit einhergeht. So kann beispielsweise der Entwicklungsprozess vereinfacht werden, indem die Wiederverwendung von einem gängigen HF-Front-End mit neuen Entwürfen oder Betriebsmodi, die aufgrund von Softwareänderungen verfügbar sind, ermöglicht wird. Außerdem können Leistung und Funktionalität über Digitalsignalverarbeitung verbessert werden, so dass sich adaptives Beamforming, Interferenzminimierung und zahlreiche andere Techniken implementieren lassen, die sich zum Teil bereits bewährt haben oder noch in der Entwicklung befinden.

SDR-Technologie und das Angebot an Hard- und Softwarewerkzeugen

Da die SDR-Technologie stetig weiter Fuß fasst, hat auch das Angebot an Hard- und Softwarewerkzeugen für Forschung und Entwicklung zugenommen. Diese Werkzeuge stehen in vielen Bereichen zur Verfügung, wobei angemessene Kosten und Bedienfreundlichkeit neue Möglichkeiten für Studium, Ausbildung und Lehre sowie die Forschung eröffnen. Als Beispiele hierfür dienen NI USRP und NI LabVIEW von National Instruments, USRP-Geräte von Ettus Research (besser bekannt als GNU Radio) [4, 5], WARP der Rice University (Houston, Texas) [6, 7], die SDR-Plattform von Lyrtech [8, 9] und die SDR-Plattform von IMEC [10].

Mit diesen Plattformen lassen sich Prototypen entwickeln, die mit Live-Signalen arbeiten. Anhand der Prototypen kann belegt werden, wie sich eine Implementierung in der Praxis effektiv umsetzen lässt. Bei SDR-Entwicklungsplattformen sind HF- oder Analogkomponenten fest in der Hardware implementiert und unabhängig von den Softwarekomponenten. Dabei bietet die Unterteilung einen Entwicklungsansatz, dessen Schwerpunkt auf der Entwicklung von Signalverarbeitungsalgorithmen für die Nachrichtentechnik liegen kann. Plattformen können verschiedene Spezifikationen und Funktionen bieten. Wu [11] und andere haben eine Übersicht herausgegeben, in der sie einige Alternativen im Hinblick auf die Spezifikationen und Funktionen betrachten, die für einen Vergleich nützlich sind. Das sind beispielsweise HF-Bandbreite, programmierbare Hardware und Programmiersprache. Die Komponenten des Datenverarbeitungsbereichs stellen einen entscheidenden Bestandteil einer SDR-Entwicklungsplattform dar. Plattformen mit einem programmierbaren FPGA oder digitaler Signalverarbeitung eignen sich für Anwendungen, in denen eine geringe Latenz nötig ist und harte Echtzeitanforderungen gestellt werden. Der Entwicklungsaufwand für eine solche Plattform kann hardwarebasiert sein, weshalb die Software auf die speziellen Anforderungen der Hardware abgestimmt sein sollte.

Es geht auch ohne ein Echtzeitbetriebssystem

Software, die einen universellen Prozessor anspricht, kann durch Hardwareanforderungen weniger begrenzt werden. Entwicklungswerkzeuge und -sprachen können hardwarespezifische Eigenschaften abstrahieren und einen theoriebasierten Entwicklungsansatz gestatten. Anwender haben dann die Möglichkeit, sich mehr auf die Beziehungen zwischen der mathematischen Theorie und der Algorithmenimplementierung zu konzentrieren. In einem 2005 veröffentlichten Artikel [12] wurde beschrieben, wie sich ein SDR auf einem Single-Core-Prozessor umsetzen lässt. Das Ergebnis: Der Prozessor erfüllt nicht die notwendige Verarbeitungsleistung. Die Signalverarbeitung in Verbindung mit Funkanwendungen erfordert parallele Tasks, die auf einen Multiprozessor abgebildet werden müssen.

Die Architektur einer SDR-Plattform könnte sich demnach aus einem System mit anwenderprogrammierbaren Datenverarbeitungsbausteinen bestehend aus digitalen Signalprozessoren, FPGAs und/oder Prozessoren zusammensetzen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die erforderliche Signalverarbeitung auf diese Elemente zu verteilen. Die modernen Multicore-Prozessoren gehen auf Anforderungen bezüglich der Verarbeitungsfunktionalität ein. Mit ihnen lassen sich Standard-PCs für die Prototypenerstellung von SDR-Systemen verwenden. Die Funktionen des Funksystems können je nach Kern aufgeteilt werden, um die Leistung hin zu Echtzeitfunktionen optimieren zu lassen, ohne dass ein Echtzeitbetriebssystem erforderlich ist. Die SDR-Entwicklungsplattformen von National Instruments und Ettus Research nutzen diesen Ansatz und setzen auf den Prozessor eines Host-Computers. Beide Plattformen nutzen eine gemeinsame Hardwaregrundlage, die auf einem kosteneffizienten, computergestützten HF-Transceiver basiert, dem NI Universal Software Radio Peripheral (USRP). Zu den Komponenten der SDR-Plattform gehören in der Minimalkonfiguration ein USRP-Gerät, ein Host-Computer, der über ein Gigabit-Ethernet-Kabel mit der USRP-Hardware verbunden ist, sowie benutzerdefinierte Anwendungen, die auf dem Host-Computer ausgeführt werden.

Über den Empfänger werden eingehende Signale mit einem Direktmischempfänger von HF auf Basisband-I/Q-Komponenten demoduliert. Diese Komponenten werden bei 100 MS/s über einen 14-Bit-A/D-Wandler mit zwei Kanälen abgetastet. Ein integrierter FPGA befasst sich mit einem Teil der Signalverarbeitung in Echtzeit. Dieser bereitet das Signal so auf, dass es die Samples an den Host-Computer weitergeleitet werden können. Insbesondere wird bei einer digitalen Abwärtswandlung das Eingangssignal von 100 MS/s auf eine benutzerdefinierte Frequenz gemischt, gefiltert und reduziert.

Der Vorteil einer dynamischen Prototypenerstellung

Die Samples der Basisband-I/Q-Signale werden von einem Host-Computer synthetisiert und mit bis zu 20 MS/s über Gigabit Ethernet an die NI-USRP-Hardware geleitet. Dabei wird jedes Sample als ein Paar 32-Bit-Fließkommawerte mit doppelter Genauigkeit für die I/Q-Komponenten dargestellt. Die USRP-Hardware interpoliert das eingehende Signal auf 400 MS/s mit einer Digitalaufwärtswandlung und wandelt es dann über einen D/A-Wandler mit 16 Bit und zwei Kanälen in ein Analogsignal um. Das sich ergebende Analogsignal ist dann auf die spezifizierte HF-Frequenz gemischt. Mit dem auf LabVIEW basierenden Ansatz lassen sich Algorithmen für Anwendungen in der Nachrichtentechnik und der Signalverarbeitung interaktiv untersuchen. Bei diesen Anwendungen ist es nützlich, Interaktivität, Visualisierung und Werkzeuge anzubieten, so dass die Untersuchung für eine schnelle Rekonfigurierung vorangetrieben wird. Die NI-USRP-Plattform ist mit LabVIEW programmierbar und ermöglicht eine dynamische Herangehensweise an die Prototypenerstellung mit SDR, so dass Anwender Designentwürfe zügig wiederholen, Signalverarbeitung schnell abändern und mit Live-HF-Signalen interagieren können. Die NI-USRP-Hardware bietet universelle HF-Frontend-Funktionalität und Konverter. Die notwendige benutzerdefinierte Software läuft auf dem Host-Computer und das SDR wird spezifiziert.

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