Processamento de sinais em tempo real utilizando plataforma de Radio Definido por Software (RDS)

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1 Processamento de sinais em tempo real utilizando plataforma de Radio Definido por Software (RDS) Marcela Trindade Engenheira de Vendas National Instruments 1

2 Aplicações de Algoritmo e Prototipagem com RDS Identificação de Comunicações & RF Utilidades e Infraestrutura Equipamentos Médicos e Internet das Coisas Aeroespacial e Defesa Radio móvel terrestre & rádios de segurança Tópicos de Pesquisa Taxa de dados Capacidade Consumo de energia Coexistência Segurança Monitoramento Automotiva e Comunicação Carro a Carro Comunicação Via Satélite e Navegação Educacional 3

3 Sistema de Radar definido por software de alta-definição para detecção de alvos Sandra Costanzo, Università della Calabria Prototipagem flexível de radar Alternância rápida entre Radares de Abertura Sintética (SAR), Radar Meteorológico, Doppler, etc. Fácil implementação de novos algoritmos de processamento de sinais de radar. Custo global baixo com ampla cobertura de frequência Journal of Electrical and Computer Engineering Volume 2013, Article ID , 7 pages 4

4 Desenvolvendo um receptor GNSS aberto de Multiconstelação Rastreamento de Posição Multiconstelação Rastreie múltiplas constelações de sinais GNSS paralelamente, gravando, processando e visualizando os resultados Aquisição feita pelo ORUS (Receptor de Software aberto desenvolvido pela M3) Possui suporte para constelações de sinais GPS (Estados Unidos) e Galileo (Europa) Olivier DESENFANS, M3 Systems 5

5 Detecção de posição e localização Testando algoritmo MUSIC de detecção de direção Prototipagem rápida usando LabVIEW com MathScript RT Sincroniza até 12 USRPs Referência fornece continua compensação para alinhamento de fase Clock Externo Dr. Athanassios Manikas, Imperial College Ref in PPS in USRP RX 1 USRP RX 2 Cabo de rede Direction Finding (array linear uniforme) USRP RX 3 Computador Host USRP RX 4 Cabo de rede Switch Gigabit Ethernet USRP TX Calibração Demonstração e Código Fonte: 6

6 Arquitetura de Radio Definido por Software Subsistema Multiprocessador Processadorde Tempo Real Processador Host Physical Layer (PHY) Medium Access Control (MAC) Ex. FPGA, DSP Rx/Txcontrol Ex. Host GPP, multicore CPU PLL VCO Front End de RF RF de Uso Geral LOsduplos Faixa de frequência contígua D/A 0 90 CPU GPP FPGA DSP D/A D/A D/A 0 90 Conexão Host Determina a banda do Streaming Ex. Gigabit Ethernet, PCI Express. Conversores em banda base PLL VCO 8

7 NI USRP Ecossistema Radio Definido por Software Extensas Bibliotecas De Análises GCC Múltiplas abordagens de programação Arquitetura de Alto Desempenho baseada em FPGA NI Universal Software Radio Peripheral (USRP) até 6 GHz 9

8 Plataformas RDS da NI FlexRIO, NI 579x USRP RIO 294xR/295xR USRP-292x/293x Faixa de Frequência: 200 MHz até 4.4 GHz (alinhada) FPGA: Kintex-7 410T Largura de banda: 100 MHz/200 MHz Ampla largura Barramento de Host: PXI Express x4 de banda & LO (~1600 MB/s) Calibração: Mínima, sistema compartilhado Faixa de Frequência: 50 MHz até 6 GHz opções (coerente) FPGA: Kintex-7 410T Largura de banda: 160 MHz bandwidth Barramento de Host: PXI Express x4 (~800 MB/s) Calibração: Mínima, sistema Faixa de Frequência: 50 MHz até 6 GHz opções (coerente) FPGA: Host processing Largura de Banda: 20 MHz bandwidth Barramento de Host: 1 Gb Ethernet (100 MB/s) Calibração: Nenhuma, usuário Pesquisa Avançada Transmissão do Host USRP-290x Faixa de Frequência: 70 MHz até 6 GHz FPGA: Host processing Largura de Banda: 56 MHz bandwidth (teórico) Barramento de Host: USB 3.0/USB 2.0 Calibração: 10 Nenhuma, usuário Ensino

9 Plataforma de Ensino NI USRP-2900 / NI USRP-2901 Material didático pronto Introdução a Comunicações Comunicação Digital Benefícios chave Acessível Plug-and-Play (USB 3.0/USB 2.0) Desempenho expandido (frequência, largura de banda, canais) Reduz os custos de montar um laboratório de ensino em mais de 60%! Especificações Suporte nativo para 2x2 MIMO Cobertura contínua de 70 MHz até 6 GHz Até 56 MHz de largura de banda Conectividade USB 3.0 Somente LabVIEW Communications 11

10 Arquitetura do Sistema USRP RIO Alimentação Memória ADC RF 0 RX1 TX 1 Barramento de Comunicação de Baixa latência PCIe x4 NI- STC3 FPGA reconfiguravel Flash DAC Conversão direta em RF de alto desempenho ADC DAC RF 1 RX2 E/S Digitais RX1 TX 1 RX2 GPS Ant Ref In PPS In Clock Disciplinado por GPS Sincronização Multi-Canal (Cabo e GPS) Temporização e Distribuição de Clock Ref Out PPS Out 14

11 Opções de conectividade do NI USRP RIO Interface PXI MXIe x4 Cabeado PCIe 800 MB/s (200 MHz BW) PC Host MXIe x4 Cabeado PCIe 800 MB/s (200 MHz BW) Laptop Host MXIe x4 to x1 Cabeado PCIe 200 MB/s (50 MHz BW) 15 * Máxima taxa de dados possível(largura de banda teórica em Tempo-Real)

12 NI USRP RIO Clock integrado disciplinado por GPS Antena GPS Posição global GPS controle uc OCXO Tempo preciso Referência de frequência precisa Maior exatidão em frequência (com ou sem recepção de GPS) Tempo global e Sincronização de Frequência Localização via GPS Dispositivos NI USRP-295xR 16

13 Desafios atuais para o desenvolvimento Ferramentas Targets Math (Arquivos.m) Simulação (Híbridos) Interface de Usuário (HTML) FPGA (VHDL, Verilog) Controle de Host (C, C++,.NET) DSP (C ponto fixo, Assembly) Driver de HW (C, Assembly) Depuração de sistema FPGAs Processadores Multicore Desenvolvimento com RDS requer múltiplas e diferentes ferramentas de software As ferramentas de software não endereçam o projeto de sistemas Longas curvas de aprendizado Reaproveitamento limitado Necessidade de especialista Aumento de custos Aumento do tempo de resultados 17

14 LabVIEW Communications System Design A nova geração da plataforma para Radio Definido por Software 20

15 Exemplos prontos para uso FlexRIO (Xilinx-7 Series) & 579x RF Adapters* NI USRP (292x/293x) Exemplos de projeto: Código aberto para você usar como inicio do seu projeto Sincronização e Temporização através de múltiplos Front-Ends de RF e FPGAs. Corrected RF, Arbitrary Rate Conversion, Frequency Shift NI USRP RIO (294x/295x) * Veja o FAQ para uma lista de HW 26FlexRIO suportado

16 MIMO Massivo / FD MIMO: Capacidade de Ganho Teórico 10X Prototipagem é necessária Array em fase Array em fase Base Station com 8 Transceptores Base Station com 64 Transceptores Fase I: Beamforming híbrido Fase 2: Beamforming digital 3-5x capacidade estimada 10x capacidade est. 38

17 Implicações Praticas de MIMO Massivo Array de dipolos lineares com 128 Elementos 750 MHz = 12.8m largura 3.5 GHz = 2.75m largura ¼ λ ¼ λ Figure 1: Some possible antenna configurations and deployment scenarios for a massive station. Dipolo Patch feed them back to the base station. This will not be feasible inmassive MIMO syst not when operating in a high-mobility environment, for two reasons. First, optim pilots should be mutually orthogonal between the antennas. This means that the am frequency resources needed for downlink pilots scales as the number of antennas, Source: Building image from Rusek, et al 39 MIMO Scaling up MIMO: system Opportunities would and require up to a hundred times more such resources than a Challenges with Very Large Arrays, IEEE Signal Processing Magazine system. Second, the number of channel responses that each terminal must esti

18 Desenvolvendo sistemas de múltiplos canais Monte 2 unidades em um rack compacto de 1U Sincronização por tempo e frequência com clock externo de 10MHz e trigger Frente: USRP RIO 4x4 MIMO Traseira: USRP RIO 4x4 MIMO PC Host Octoclock Cabos PCI Express x4 40

19 MIMO Massivo para 5G na Lund University, Suécia Objetivo: Construir um sistema MIMO massivo para celular com antena 100x10 para validar resultados teóricos com processamento em tempo real Prof Ove Edfos Prof Fredrik Tufvesson 42

20 Demonstração de MIMO Massivo Intel Mobile World Congress

21 100 anos de historia de mmwave (30 GHz 300 GHz) J.C. Bose na Royal Institution, Londres, Link moderno ponto a ponto em mmwave

22 NYU Wireless: mmwave Channel Sounder Channel sounding em 28, 38, e 72 GHz Protótipo do Sistema usa FlexRIO e LabVIEW Professor Ted Rappaport 46

23 Protótipo da Nokia de mmwave em banda base NI Week 2014 O desenvolvimento levou um ano para a equipe da Nokia, metade do tempo de outras abordagens. mmwave O sistema experimental de 5G será implementado usando os módulos de banda base da National Instruments que oferecem o estado da arte em sistemas para prototipagem rápida de interfaces aéreas para o 5G. 49

24 Demonstração da Nokia de Rastreamento de Feixe 5G em mmwave (1 GHz BW) Mobile World Congress 2015 Primeiras demos de 5G - CEATEC Source: Nokia

25 NI e Nokia Demonstram Link Sem Fio de 10 Gbps Brooklyn 5G Summit

26 Link de 5G da Nokia em mmwave e 14.5 Gb/S Mobile World Congress 2016 NI mmwave Transceiver System NTT Docomo 52

27 Resumo Radio Definido por Software tem proporcionado o rápido avanço na tecnologia Wireless em aplicações industriais, acadêmica e em aplicações de defesa. Projeto baseado em plataforma acelera o fluxo de projeto, reduzindo significativamente o tempo de espera por resultados. Aprenda mais em: /sdr 57