Wie funktioniert NI-USRP-Hardware?

Die SDR-Architektur umfasst in der Regel geräteeigene oder sich im Computer befindliche Prozessoren, FPGAs und abstimmbare RF-Frontends. USRP und LabVIEW zeichnen sich durch Flexibilität, Funktionalität und Erschwinglichkeit aus und stellen damit eine ideale SDR-Prototyping-Lösung für Lehrlabore und die Kommunikationsforschung dar. 

Abbildung 1: Typische Architektur eines softwaredefinierten Funksystems

LabVIEW stellt die Signalverarbeitungs-Engine für die Modulation und Demodulation von Signalen, die an und von USRP-Hardware übertragen werden, bereit. Sie können das LabVIEW Real-Time Module und das LabVIEW FPGA Module hinzufügen, um Betriebssysteme und FPGAs von NI Linux Real-Time in derselben Entwicklungsumgebung anzusteuern. Darüber hinaus bietet LabVIEW Funktionsblöcke für viele gängige analoge und digitale Modulationstechniken und Signalverarbeitungsalgorithmen, die für reale Funksignale optimiert sind.

USRP-Hardware funktioniert mit einer Vielzahl verschiedener Anwendungen. Die Flexibilität und Erschwinglichkeit der Hardware bedeutet, dass Sie die Produkte von der Lehre bis zur fortgeschrittenen Wireless-Forschung verwenden können, wie zum Beispiel der Forschung zum dynamischem Spektrumszugang, zu nicht darstellbaren Zeichen sowie zu PHY- und MAC-Schichten. Die Produkte eignen sich auch für das einfache Senden oder Empfangen von Anwendungen zum Erstellen von benutzerdefinierten Protokollen oder zum Protokollieren von Spektren auf Datenträgern.

3a. USRP (nur Host)

Abbildung 2: NI-USRP-2921

Gemäß einer gängigen SDR-Architektur implementiert USRP-Hardware ein Analog-Frontend zur direkten Umwandlung mit Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und Hochgeschwindigkeits-Digital-Analog-Wandlern (DACs) mit einem Fixed-Personality-FPGA für die Schritte der digitalen Abwärtswandlung (DDC) und der digitalen Aufwärtswandlung (DUC). Die Empfängerkette beginnt mit einem hochsensiblen Analog-Frontend, das sehr kleine Signale empfangen und durch direkte Abwärtswandlung in gleichphasige (I) und Quadratur(Q)-Basisbandsignale digitalisieren kann. Nach der Abwärtswandlung folgen die Hochgeschwindigkeits-Analog-Digital-Wandlung und eine DDC, die die Sample-Rate reduziert und I und Q für die Übertragung mit Gigabit-Ethernet an einen Hostcomputer zur weiteren Verarbeitung paketiert. Die Senderkette beginnt beim Hostcomputer, auf dem I und Q generiert und über das Ethernet-Kabel an die USRP-Hardware übertragen werden. Ein DUC bereitet die Signale für den DAC vor, wonach die I-Q-Mischung erfolgt, um die Signale direkt aufwärts zu wandeln um ein RF-Frequenzsignal zu erzeugen, das dann verstärkt und übertragen wird.

Abbildung 3: USRP-2921-Systemdiagramm

3b. USRP-Geräte mit programmierbaren FPGAs

Abbildung 4: NI-USRP-2944

Geräte des Typs NI-USRP-294x/295x kombinieren zwei Vollduplex-Sende- und -Empfangskanäle mit bis zu 160 MHz Echtzeitbandbreite pro Kanal und einen großen DSP-orientierten Kintex-7-FPGA in einem Formfaktor für die Montage in einem 1/2-HE-Rack. Das analoge RF-Frontend ist über duale A/D- und D/A-Wandler, die mit 120 MS/s getaktet sind, mit dem großen Kintex-7 410T-FPGA verbunden. 

Jeder RF-Kanal verfügt über ein Schaltmodul, das einen Zeitduplex(TDD)-Betrieb an einer einzelnen Antenne mit dem Port TX1 RX1 oder einen Frequenzduplex(FDD)-Betrieb mit den zwei Ports TX1 und RX2 ermöglicht. 

Geräte des Typs NI-USRP-294x/295x decken den Frequenzbereich von 10 MHz bis 6 GHz mit benutzerprogrammierbaren digitalen I/O-Leitungen zur Steuerung externer Geräte ab. Der Kintex-7-FPGA ist ein rekonfigurierbares LabVIEW FPGA-Zielsystem mit integriertem DSP48-Co-Processing für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und geringer Latenz. Die PCI-Express-x4-Verbindung zurück zum System-Controller ermöglicht eine Streaming-Datenübertragung von bis zu 800 MB/s an Ihren Desktop oder Ihr PXI-Chassis und 200 MB/s an Ihren Laptop. Auf diese Weise können bis zu 17 USRP-Geräte mit einem einzigen PXI-Express-Chassis verkabelt werden, die dann für Anwendungen mit hoher Bandbreite und hoher Kanalanzahl in Reihe geschaltet werden können.

Abbildung 5: USRP-2944-Systemdiagramm

3c. Das Stand-alone-Gerät NI-USRP-2974

Abbildung 6: NI-USRP-2974

Das Stand-alone-Gerät NI-USRP-2974 verfügt über einen integrierten Prozessor, FPGA und RF zusammen in einem Formfaktor. Das USRP-2974 basiert auf einer heterogenen Verarbeitungsarchitektur mit einem integrierten Intel Core i7-Prozessor mit dem Betriebssystem NI Linux Real-Time. Es handelt sich um ein 2x2-Funksystem, das Frequenzen zwischen 10 MHz und 6 GHz mit einer Bandbreite von 160 MHz abdeckt und einen zusätzlichen x86-Prozessor bereitstellt, um einen Stand-alone-Systembetrieb zu bilden. Dieser kann auf die deterministische Verarbeitung und Programmierung des Xilinx Kintex 470-FPGA in einer einzigen Entwicklungsumgebung ausgerichtet werden. Das USRP-2974 ist auch mit einem GPS-getakteten temperaturgesteuerten 10-MHz-Quarzoszillator (OCXO) ausgestattet, der als Referenztakt fungiert.

Abbildung 7: USRP-2974-Systemdiagramm

LabVIEW ist eine grafische Datenflussprogrammierumgebung, die sich besonders für das Entwerfen und Implementieren von Kommunikationsalgorithmen eignet. Auf der grundlegendsten Ebene verwendet LabVIEW den NI-USRP-Treiber, um sowohl die USRP-Hardwarekonfiguration festzulegen als auch ordnungsgemäß formatierte Basisband-I/Q-Daten zu senden und zu empfangen.

Abbildung 8: Screenshot eines LabVIEW-Blockdiagramms mit der USRP-Treiber-API

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