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

1

Marcela Trindade Engenheira de Vendas National Instruments

Aplicações de Algoritmo e Prototipagem com RDS Identificação de Comunicações & RF Equipamentos Médicos e Internet das Coisas

Utilidades e Infraestrutura

Aeroespacial e Defesa

Radio móvel terrestre & rádios de segurança

Tópicos de Pesquisa Taxa de dados Capacidade Consumo de energia Coexistência Segurança Monitoramento

Educacional ni.com

3

Automotiva e Comunicação Carro a Carro

Comunicação Via Satélite e Navegação

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 573217, 7 pages http://dx.doi.org/10.1155/2013/573217 ni.com

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)

ni.com

http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-15407

5

Olivier DESENFANS, M3 Systems

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

Dr. Athanassios Manikas, Imperial College

USRP RX 1

Clock Externo Ref in

PPS in

USRP RX 2 Cabo de rede

Direction Finding (array linear uniforme)

USRP RX 3

Computador Host

Cabo de rede

ni.com

USRP RX 4

Switch Gigabit Ethernet

6 Demonstração e Código Fonte: https://youtu.be/qBvpllCqDR0

USRP TX Calibração

Arquitetura de Radio Definido por Software Subsistema Multiprocessador Processadorde Tempo Real • Physical Layer (PHY) • Ex. FPGA, DSP

Front End de RF

Processador Host • Medium Access Control (MAC) –Rx/Txcontrol • Ex. Host GPP, multicore CPU

• RF de Uso Geral • LOsduplos • Faixa de frequência contígua

PLL VCO

D/A

CPU GPP

FPGA DSP

0 90

D/A D/A 0

D/A

Conexão Host Determina a banda do Streaming Ex. Gigabit Ethernet, PCI Express.

ni.com

Conversores em banda base

90

PLL VCO

8

NI USRP Ecossistema Radio Definido por Software

Extensas Bibliotecas De Análises

GCC Múltiplas abordagens de programação

NI Universal Software Radio Peripheral (USRP) até 6 GHz

Arquitetura de Alto Desempenho baseada em FPGA

ni.com

9

Plataformas RDS da NI FlexRIO, NI 579x

•

Faixa de Frequência: FPGA: Largura de banda: Barramento de Host:

•

Calibração:

•

•

Faixa de Frequência: FPGA: Largura de banda: Barramento de Host:

•

Calibração:

•

•

Faixa de Frequência: FPGA: Largura de Banda: Barramento de Host:

•

Calibração:

•

Faixa de Frequência: FPGA: Largura de Banda:

• • •

USRP RIO 294xR/295xR

• •

USRP-292x/293x

• •

USRP-290x

•

• • ni.com

•

Barramento de Host: 10 Calibração:

200 MHz até 4.4 GHz (alinhada) Kintex-7 410T Ampla largura 100 MHz/200 MHz PXI Express x4 de banda & LO (~1600 MB/s) compartilhado Mínima, sistema 50 MHz até 6 GHz opções (coerente) Kintex-7 410T

160 MHz bandwidth PXI Express x4 (~800 MB/s) Mínima, sistema

Pesquisa Avançada

50 MHz até 6 GHz opções (coerente) Host processing 20 MHz bandwidth Transmissão 1 Gb Ethernet do Host (100 MB/s) Nenhuma, usuário 70 MHz até 6 GHz Host processing 56 MHz bandwidth (teórico) USB 3.0/USB 2.0 Nenhuma, usuário

Ensino

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) Especificações • Suporte nativo para 2x2 MIMO • Cobertura contínua de 70 MHz até 6 GHz • Até 56 MHz de largura de banda Reduz os custos de montar um • Conectividade USB 3.0 laboratório de ensino em mais • Somente LabVIEW Communications

de 60%!

ni.com

11

Arquitetura do Sistema USRP RIO Alimentação ADC

Memória

RF 0

DAC

Barramento de NIComunicaçãoSTC3 de PCIe x4 Baixa latência

RX2

Conversão direta em RF de alto desempenho

FPGA reconfiguravel

ADC RF 1

Flash

GPS Ant Ref In PPS In

ni.com

DAC

Clock Disciplinado por GPS Sincronização Temporização e Multi-Canal Distribuição de (Cabo e GPS) Clock

14

RX1 TX 1

E/S Digitais RX1 TX 1 RX2

Ref Out PPS Out

Opções de conectividade do NI USRP RIO

Interface PXI

PC Host

Laptop Host

ni.com

MXIe x4 Cabeado PCIe 800 MB/s (200 MHz BW)

MXIe x4 Cabeado PCIe

800 MB/s (200 MHz BW)

MXIe x4 to x1 Cabeado PCIe 200 MB/s (50 MHz BW)

* Máxima taxa de dados possível(Largura de15banda teórica em Tempo-Real)

NI USRP RIO Clock integrado disciplinado por GPS Posição global

Antena GPS uC GPS

controle

OCXO

•

Tempo preciso

Referência de frequência precisa

Maior exatidão em frequência (com ou sem recepção de GPS)

•

•

Dispositivos NI USRP-295xR ni.com

16

Tempo global e Sincronização de Frequência Localização via GPS

Desafios atuais para o desenvolvimento

Targets

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

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

ni.com

• Aumento de custos • Aumento do tempo de resultados

17

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

ni.com

20

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.com

NI USRP RIO (294x/295x)

* Veja o FAQ para uma lista de HW26FlexRIO suportado

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.

ni.com

38

Implicações Praticas de MIMO Massivo Array de dipolos lineares com 128 Elementos • 750 MHz = 12.8m largura • 3.5 GHz = 2.75m largura

¼λ

¼λ

Figure 1: Some possible antenna configurations and deployment scenarios for a massive station.

Dipolo

ni.com

Patch

feed them back to the base station. This will not be feasible in massive 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, 39 Source: Building image from Rusek, et al MIMO “Scaling up MIMO: Opportunities and system would 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

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 ni.com

Octoclock Cabos PCI Express x4 40

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

ni.com

42

Prof Fredrik Tufvesson

Demonstração de MIMO Massivo Intel Mobile World Congress 2016

ni.com

43

100 anos de historia de mmWave (30 GHz – 300 GHz)

J.C. Bose na

Royal Institution, Londres, 1897 Link moderno ponto a ponto em mmWave http://theinstitute.ieee.org/technology-focus/technology-history/first-ieee-milestones-in-india https://www.cv.nrao.edu/~demerson/bose/bose.html ni.com

45

NYU Wireless: mmWave Channel Sounder • •

Channel sounding em 28, 38, e 72 GHz Protótipo do Sistema usa FlexRIO e LabVIEW

Professor Ted Rappaport

ni.com

46

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.”

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.

mmWave

ni.com

49

Demonstração da Nokia de Rastreamento de Feixe 5G em mmWave (1 GHz BW) Mobile World Congress 2015

Primeiras demos de 5G - CEATEC 2014 ni.com

50

Source: Nokia

NI e Nokia Demonstram Link Sem Fio de 10 Gbps Brooklyn 5G Summit 2015

ni.com

51

Link de 5G da Nokia em mmWave e 14.5 Gb/S Mobile World Congress 2016

NI mmWave Transceiver System

NTT Docomo ni.com

52

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

ni.com

57