רדיו מוגדר תוכנה ומכלולי USRP RIO

Eran Castiel, National Instruments

כלולי NI USRP RIO משנים את כללי המשחק בתחום
ה-RF ומעניקה לרשות מתכנני תקשורת אלחוטית (wireless) לדור החמישי (5G) יכולת תכנון וביצועים בתחום רדיו מוגדר תוכנה (SDR) הרבה מעבר למה שניתן לצפות, ובעלות סבירה.
USRP RIO כולל מערכת מקלט משדר RF בתצורת 2X2 MIMO המלווה בכלי תכן LabVIEW ו-GNURadio UHD המאפשרים לתכנן מעבד אות ספרתי (DSP) מיתכנת המבוסס על FPGA מסוג Kintex 7. סביבת התכן הגרפי LabVIEW מספקת סביבת תכן אחודה המאפשרת לחוקרי ומתכנני מערכות תקשורת לפתח אבי-טיפוס בזמן קצר באופן משמעותי. משפחת NI USRP RIO מרחיבה את פלטפורמת USRP, מעשירה את חווית המשתמש והופכת את תהליכי הפיתוח של מערכות רדיו מוגדר תוכנה נגישים יותר. הדבר נעשה על די יצירת איזון אופטימלי בין הביצועים לבין ייעול כלי התכן. מערכת NI USRP RIO הנה אידיאלית עבור טווח נרחב של יישומי דור התקשורת החמישי 5G, יישומי MIMO עתירי דרישות (Massive MIMO), ניטור ספקטרום ויישומים רבים אחרים.
הארכיטקטורה של
NI USRP RIO
הארכיטקטורה של מערכת רדיו מוגדר תוכנה NI USRP RIO משלבת שתי מערכות שידור קליטה דו כיווני בעלות ערוצים הפועלים בזמן אמת. לכל ערוץ תקשורת רוחב פס של 40MHz (ביחידות מסוימות 120MHz). המערכת כוללת יחידה לעיבוד אות ספרתית DSP המבוססת על Kintex 7 FPGA. המערכת בנויה בתצורת מגירה בגודל חצי U. היחידות האנלוגית בכניסה מתממשקות עם הרכיב המתוכנן Kintex 7 410T FPGA באמצעות מערכת ממירים ADC ו-DAC המבוקרים על ידי שעון הפועל בקצב של 120MS/s. כל ערוץ RF כולל מתג המאפשר עבודה בחלוקת זמן כפולה (TDD) תוך שימוש באנטנה יחידה ובהדק מסוג TX 1 RX1, או עבודה בחלוקת תדר כפולה (FDD) תוך שימוש בשני הדקים, TX1 ו- RX2. נשיונל אינסטרומנטס מציעה ששה דגמים של מכלולי NI USRP RIO הנבדלים בתדרי העבודה, כך שהם מכסים מרווח תדרים מ-50MHz ועד ל-6GHz. למכלולים הדקי מוצא מיתכנתים לצורך בקרת התקנים חיצוניים. ה-Kintex 7 FPGA משמש כהתקן מטרה הניתן לתכנות בעזרת LabVIEW FPGA והוא משולב עם DSP48 כמעבד עזר לקצבים גבוהים עבור יישומים הדורשים זמני השהייה
(latency) נמוכים. החיבור לבקר המערכת נעשה בעזרת חיבורי Dual 1/10GigE או PCIe Express x4 והוא מאפשר הזרמת נתונים בקצב של 800MB/s לעבר המחשב השולחני או אל מכלול PXI, וחיבור בקצב 200MB/s למחשב נישא. צורת חיבור זו מאפשר חיבור 17 מכלולי USRP RIO לסל כרטיסי PXIe יחיד, שאותו אפשר לשרשר בתצורת daisy-chain ולבנות יישומים הדורשים רוחב סרט גדול ומספר רב של ערוצים.

שיפור ביצועי
מערכות RF
ביצועי USRP RIO מאופיינים על ידי זמני פיתוח היישומים, והזמן הנדרש להזין מקדמי תיקון לרכיב המיתכנת לצורך איזון של ה-IQ, סטיות מתחי היסט ז”י, וכיוונון לדיוק מוחלט. בדרך זו מושג שיפור מאוד משמעותי של והפרעות (spurs) המתנד המקומי (LO) הן במצב שידור והן במצב קליטה, ודיוק מוחלט ברמות ההספק בגבולות +/- בכל פס תדרי העבודה ׁ(איור 2 ו-3). התיקון מאפשר להעלים כמעט לגמרי את ההפרעה שיוצר המתנד המקומי ביחידת המשדר, ואילו ביחידת המקלט מושג שיפור של כ-17dB~.

תזמון והפצת אות שעון
מערכת NI USPR-294xR מכילה מתנד מבוקר טמפרטורה TCXO לצורך יצירת תדר יחוס בסיסי והוא משמש גם כמתנד כללי. מערכת NI USPR-295xR כוללת מתנד OCXO מבוקר GPS והוא מאפשר קבלת דיוק משופר ללא קליטת אותות GPS, ודיוק משופר באופן משמעותי כאשר המתנד “משועבד” לרשת לווייני GPS. כל המודלים של USRP RIO כוללים אופציות לשימוש באות שעון פנימי או חיצוני, ויכולים להעביר את אות השעון להתקנים אחרים. הדק כניסת אות ייחוס מקבל אות בתדר 10MHz המשמש לגזירת תדר אות השעון של ממירי ADC/DAC ושל המתנד המקומי. אפשר להשתמש בדופק-PPS כאות תקני, עבור הדק שני או כניסת אות דירבון לשימוש כללי. יציאות אות יחוס ו-PPS מאפשרות להעביר אותות אלה להתקנים קרובים אחרים, ומאפשרים להגדיל את מספר הערוצים במערכת התקשורת. הפצת אות שעון מוגבר על ידי 8 ערוצי OctoClock מאפשרת למשתמש לבנות מערכות מסונכרנות מאוד גדולות באמצעות חיבורן לאות היחוס ולאות PPS תוך שימוש במספר גדול של OctoClock. בדרך זו אפשר לבנות מערכת תקשורת הכוללת כ-100 ערוצים מסונכרנים.

אפשרויות חיבור
ערוץ התקשורת הראשוני עבור USRP RIO הוא PCIe x4 המספק חיבור יעיל ברוחב סרט גבוה והשהיות נמוכות, עבור יישומים כגון פיתוח PHY/MAC. ערוץ תקשורת זה מאפשר למתכנן להזרים נתונים בקצב של 800MB/s ולעדכן את ה-FPGA באמצעות LabVIEW FPGA. הממשק תואם “אחורה”, לתוכניות שנכתבו במקור עבור התקני נשיונל אינסטרומנטס מסוג NI USRP-292x ו-NI USRP-293x. (איור 4) מכלולי USRP RIO מכילים הדקים רבים המיועדים לאפשר שימוש בהם בעתיד, כאשר יופיעו עדכוני תוכנה חדשים. הדקים לא פעילים אלה כוללים חיבור כפול של SFP+ על הפנל האחורי, והדק USB JTAG לצורך דיבוג, על הפנל הקדמי. איור 5 מראה את הממשקים הקיימים המאפשרים למשתמשי USRP RIO להתחבר למחשב נישא, מחשב שולחני ולמארז PXI מוקשח. כאשר מתחברים למארז PXI, מכלולי USRP RIO רבים יכולים לחלוק במידע דרך הפנל האחורי של המארז ללא צורך להעביר את האותות דרך המחשב המארח – P2P. כמו כן ניתן להתחבר בעזרת חיבורי Dual 1/10 GigE

תוכנה עבור דרייברים ל-USRP RIO
שתי תוכנות משלימות, מבוססות LabVIEW מאפשרות לבנות דרייברים ל-USRP RIO. דרייבר אחד מבוסס מארח (NI-USRP) והשני בארכיטקטורה פתוחה שניתנת להתאמה אישית בעזרת LabVIEW FPGA. ממשקי שני הדרייברים מתממשקים תומכים בחיבוריות באמצעות PCIe ומנצלים גישה המבוססת על דרייברים דומים ובכך מאפשרים למשתמש להעביר תכנונים ממחשב מארח אל FPGA. בנוסף אפשר לעבוד גם עם GNURadio UHD

NI-USRP Driver
NI USRP RIO מלווה בדרייבר NI USRP 1.3 המספק ממשק חיבור “ללא תפרים” למחשב מארח, ותואם “אחורה” באופן מלא להתקנים NI USRP-292x ול-NI USRP-293x. שימוש בתמונת FPGA קבועה, הניתנת לתכנות מה-API המארח, מאפשר למשתמש לפתח את האלגוריתמים הנחוצים לו ב-LabVIEW ולהעבירם באופן ישיר בין התקן מסוג NI USRP להתקן NI USRP RIO (איור 6).
NI-USRP RIO Driver
כאשר נדרשים ביצועים גבוהים יותר המשתמש יכול לנצל את הרכיב המיתכנת Kintex 7 FPGA לשם עיבוד משותף על ידי העברת התכנון ושימוש בדוחף USRP-RIO. התקן זה מלווה בפרויקט דוגמא ל-“streaming” בקוד פתוח, הכולל מעבד מארח ו-FPGA, הכתוב ב-LabVIEW
וב-LabVIEW FPGA. ניתן לשנות את הקוד כך שירוץ רק על המחשב המארח ו/או לשנות את אפיוני ה-FPGA על מנת להכליל תהליכי עיבוד ייעודיים. כאשר כל תכנון היחוס של ה-FPGA מותאם באופן יעודי במלואו, בדרך כלל ישולב הקוד בשרשרת האות במקום קרוב ל-DMA FIFO. הפרוייקט לדוגמא מבוסס על תכנון מתוך ספריית תכנונים משותפת ל-NI FlexRIO SDR ולמקמ”ש אות וקטורי של (VST).

קהיליית שיתוף קוד
תמיכה ל-NI-USRP driver מאפשרת שימוש חוזר בקוד המאוחסן ב-USRP code sharing community. ניתן למצוא שם דוגמאות תכנון של רדיו FM, גילוי פסיבי של אותות מכ”ם מסוג ADS-B, לכידת 802/11b SSID ועוד. בנוסף אפשר לעבוד גם עם GNURadio UHD (איור 7).