processamento de sinais em tempo real utilizando...
TRANSCRIPT
1ni.com
Processamento de sinais em tempo real utilizando plataforma de Radio Definido por Software (RDS)
Marcela Trindade
Engenheira de Vendas
National Instruments
3ni.com
Aplicações de Algoritmo e Prototipagem com RDS
Utilidades e Infraestrutura
Equipamentos Médicos eInternet das Coisas
Aeroespacial e Defesa
Automotiva eComunicação Carro a Carro
Identificação de Comunicações & RF
Tópicos de Pesquisa
Taxa de dados
Capacidade
Consumo de energia
Coexistência
Segurança
Monitoramento Comunicação Via Satélite e Navegação
Educacional
Radio móvel terrestre & rádios de segurança
4ni.com
Sistema de Radar definido por software de alta-definição para detecção de alvos
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 EngineeringVolume 2013, Article ID 573217, 7 pageshttp://dx.doi.org/10.1155/2013/573217
Sandra Costanzo, Università della Calabria
5ni.com
Desenvolvendo um receptor GNSS aberto de MulticonstelaçãoRastreamento 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
http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-15407
6ni.com
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
Calibração
Direction Finding(array linear uniforme)
Cabo de rede
USRPRX 1
PPS inRef in
ClockExterno
Cabo de rede
Computador Host
Switch Gigabit
Ethernet
USRPRX 2
USRPRX 3
USRPRX 4
USRPTX
Dr. Athanassios Manikas, Imperial College
Demonstração e Código Fonte: https://youtu.be/qBvpllCqDR0
8ni.com
Arquitetura de Radio Definido por Software
CPUGPP
FPGADSP
D/A
D/A
D/A
D/A
VCO
PLL
VCO
PLL
90
0
90
0
Conexão HostDetermina a banda do StreamingEx. Gigabit Ethernet, PCI Express.
Subsistema MultiprocessadorProcessadorde Tempo Real• Physical Layer (PHY)• Ex. FPGA, DSP
Processador Host• Medium Access Control (MAC)
–Rx/Txcontrol
• Ex. Host GPP, multicore CPU
Conversoresembandabase
Front End de RF• RF de Uso Geral• LOsduplos• Faixa de
frequência contígua
9ni.com
ExtensasBibliotecas De Análises
NI Universal Software Radio Peripheral (USRP)até 6 GHz
Múltiplas abordagens de programação
Arquitetura de Alto Desempenho baseadaem FPGA
GCC
NI USRP Ecossistema Radio Definido por Software
10ni.com
Plataformas RDS da NI• Faixa de Frequência: 200 MHz até 4.4 GHz (alinhada)• FPGA: Kintex-7 410T• Largura de banda: 100 MHz/200 MHz• Barramento de Host: PXI Express x4
(~1600 MB/s)• Calibração: Mínima, sistema
• 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
FlexRIO, NI 579x
USRP RIO 294xR/295xR
USRP-292x/293x
• 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: Nenhuma, usuário
USRP-290x
Ensino
Transmissão do Host
Pesquisa Avançada
Ampla largura de banda & LO compartilhado
11ni.com
Plataforma de Ensino NI USRP-2900 / NI USRP-2901
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
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%!
14ni.com
Memória
Flash
ADC
DAC
ADC
DAC
NI-STC3
Clock Disciplinado
por GPS
RF 0
RF 1
PCIe
x4
GPS
Ant
RX1
TX 1
RX2
RX1
TX 1
RX2
E/S
Digitais
Ref In
Ref Out
PPS In
PPS Out
Temporização e Distribuição de
Clock
Alimentação
Conversão direta em RF de alto desempenho
FPGA reconfiguravel
Barramento de Comunicação de
Baixa latência
SincronizaçãoMulti-Canal
(Cabo e GPS)
Arquitetura do Sistema USRP RIO
15ni.com
Opções de conectividade do NI USRP RIO
PCHost
MXIe x4 Cabeado PCIe
InterfacePXI
MXIe x4 Cabeado PCIe
LaptopHost
MXIe x4 to x1 Cabeado PCIe
800 MB/s (200 MHz BW)
200 MB/s (50 MHz BW)
800 MB/s (200 MHz BW)
* Máxima taxa de dados possível(Largura de banda teórica em Tempo-Real)
16ni.com
NI USRP RIO Clock integrado disciplinado por GPS
• Maior exatidão em frequência(com ou sem recepção de GPS)
• Tempo global e Sincronização de Frequência
• Localização via GPS
GPS
uC
OCXO
controle
Tempo preciso
Referência de frequência precisa
Antena GPSPosição global
Dispositivos NI USRP-295xR
17ni.com
Desafios atuais para o desenvolvimento
• Desenvolvimento com RDS requer múltiplas e diferentes ferramentas de software
• As ferramentas de software não endereçam o projeto de sistemas
Ferramentas
• 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
• Longas curvas de aprendizado
• Reaproveitamento limitado
• Necessidade de especialista
• Aumento de custos
• Aumento do tempo de resultados
Targets
FPGAsProcessadores
Multicore
20ni.com
LabVIEW Communications System DesignA nova geração da plataforma para Radio Definido por Software
26ni.com
Exemplos prontos para uso
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
FlexRIO (Xilinx-7 Series) & 579x RF Adapters*
NI USRP (292x/293x)
NI USRP RIO (294x/295x)
* Veja o FAQ para uma lista de HW FlexRIO suportado
38ni.com
MIMO Massivo / FD MIMO: Capacidade de Ganho Teórico 10X
Array em faseArray em fase …
Base Station com 8 Transceptores
Fase I: Beamforming híbrido Fase 2: Beamforming digital
Base Station com 64 Transceptores
Prototipagem é necessária
3-5x capacidade estimada 10x capacidade est.
39ni.com
Implicações Praticas de MIMO Massivo3
Figure 1: Some possible antenna configurations and deployment scenarios for a massive MIMO base
station.
feed them back to the base station. This will not be feasible in massive MIMO systems, at least
not when operating in a high-mobility environment, for two reasons. First, optimal downlink
pilots should be mutually orthogonal between the antennas. This means that the amount of time-
frequency resources needed for downlink pilots scales as the number of antennas, so a massive
MIMO system would require up to a hundred times more such resources than a conventional
system. Second, the number of channel responses that each terminal must estimate is also
proportional to the number of base station antennas. Hence, the uplink resources needed to
inform the base station about the channel responses would be up to a hundred times larger than
in conventional systems. The solution is to operate in time-division duplex (TDD) mode, and
rely on reciprocity between the uplink and downlink channels.
While the concepts of massive MIMO have been mostly theoretical so far, and in particular
stimulated much research in random matrix theory and related mathematics, basic testbeds are
becoming available [2] and initial channel measurements have been performed [3, 4].
3 ThePotential of MassiveMIMO
Massive MIMO technology relies on phase-coherent but computationally very simple process-
ing of signals from all the antennas at the base station. Some specific benefits of a massive
MU-MIMO system are:
¼ λ
Patch
Array de dipolos lineares com 128 Elementos• 750 MHz = 12.8m largura• 3.5 GHz = 2.75m largura
Source: Building image from Rusek, et al “Scaling up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,” IEEE Signal Processing Magazine
¼ λ
Dipolo
40ni.com
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
Cabos PCI Express x4
OctoclockPC
Host
42ni.com
MIMO Massivo para 5G na Lund University, Suécia
Prof Ove Edfos Prof Fredrik Tufvesson
Objetivo: Construir um sistema MIMO massivo para celular com antena 100x10para validar resultados teóricos com processamentoem tempo real
43ni.com
Demonstração de MIMO Massivo IntelMobile World Congress 2016
45ni.com
100 anos de historia de mmWave (30 GHz – 300 GHz)
http://theinstitute.ieee.org/technology-focus/technology-history/first-ieee-milestones-in-indiahttps://www.cv.nrao.edu/~demerson/bose/bose.html
J.C. Bose naRoyal Institution, Londres, 1897
Link moderno ponto a ponto em mmWave
46ni.com
NYU Wireless: mmWave Channel Sounder• Channel sounding em 28, 38, e 72 GHz
• Protótipo do Sistema usa FlexRIO e LabVIEW
Professor Ted Rappaport
49ni.com
Protótipo da Nokia de mmWave em banda base
mmWave
“O desenvolvimentolevou um
ano para a equipe da Nokia, metade
do tempo de outrasabordagens.” O sistema experimental
de 5G seráimplementado usandoos módulos de banda
base da National Instruments que
oferecem o estado da arte em sistemas para prototipagem rápida de interfaces aéreas para o
5G.
NI Week 2014
50ni.com
Demonstração da Nokia de Rastreamento de Feixe 5G em mmWave (1 GHz BW)
Primeiras demos de 5G - CEATEC 2014
Source: Nokia
Mobile World Congress 2015
51ni.com
NI e Nokia Demonstram Link Sem Fio de 10 GbpsBrooklyn 5G Summit 2015
52ni.com
Link de 5G da Nokia em mmWave e 14.5 Gb/SMobile World Congress 2016
NI mmWave Transceiver System
NTT Docomo
57ni.com
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: ni.com/sdr