EINE MODULARE TESTPLATTFORM FÜR DAS PROTOTYPING VON DRAHTLOSEN SYSTEMEN

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1 EINE MODULARE TESTPLATTFORM FÜR DAS PROTOTYPING VON DRAHTLOSEN SYSTEMEN

2 Einleitung Zunehmender Einsatz von Kurzstreckenfunk in Form drahtloser Datenkommunikation im Bereich IEEE Standard Zigbee Haustechnik medizinisches Monitoring Idnustrial Control (Sensor-/ Aktornetzwerke) Verstärkte kooperative F&E Aktivitäten im FB1 Elektrotechnik FHTW-Berlin im Verbund mit regionalen KMUs bei der Entwicklung neuer OSI-Layer 1 Verfahren Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 2

3 Problemstellung Moderne und zukünftige Anwendungsgebiete für Funkverfahren stellen erhöhte Anforderungen an Störresistenz, Energieeffizienz und höhere Datenraten Zunehmende Anzahl der Funkteilenhmer Entwicklung erfordert experimentellen Aufbau, leichte Duplizierbarkeit, Mobilität Etablierung neuer Verfahren kann durch prototypische Module unterstützt werden anhand derer Echtzeiteigenschaften aufgezeigt und demonstriert werden können Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 3

4 Herkömmliche Methodik Erstellung von Simulationsmodellen und Evaluation der Systemparameter Prototypische Hardwareumsetzung des Systementwurfs basierend auf DSPs (Digitale Signalprozessoren) zur Signalverarbeitung FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) und Mikrocontroller für Steuerungs- und Interfaceaufgaben Integrierte Hochfrequenzschaltungen Softwareentwurf der einzelnen Systemkomponenten (C++, Assembler, VHDL) Messung und Test der Systemparameter Überarbeitung des System- und Softwareentwurfs Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 4

5 Rapid Prototyping Methodik HW Minimaler HF-Hardware für den gewünschten Frequenzbereich zur reinen Up-/ Downconversion und Verstärkung Nutzung hochperformanter FPGA-Technik (Field Progammable Gate Arrray) zur Abbildung der kompletten Basisbandsignalverarbeitung incl. Anbindung an höhere Layer Regelung Steuerung Signalverarbeitung Interfacing (Ethernet, USB, RS232, GPIO) Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 5

6 Rapid Prototyping Methodik SW Einsatz spezieller Softwaretoolboxen für MATLAB/Simulink zum erzeugen und kompilieren von Hardwarebeschreibung (VHDL) aus Simulationsmodellen Möglichkeiten der umfassenden Systemsimulation Sender und Empfängerseite Störeinflüsse Einbindung von Systemtestergebnissen in Simulationsmodell Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 6

7 Schematischer Aufbau der Testumgebung Programming Interface Bitfile FPGA Board Control (Gain,Fc ) Transceiver Ethernet USB RS232 GPIO Digital I/O FPGA I-Phase Q-Phase I-Phase Q-Phase ADC ADC DAC DAC I-Phase Q-Phase I-Phase Q-Phase Downconverter Upconverter HF HF PA Power Supply Ref OSC Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 7

8 Praktischer Aufbau der Testumgebung Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 8

9 Design Iterationen Simulationsbasiertes Design Erstellen von Systemmodellen Anpassen von Systemparametern FPGA basierte Hardwareimplementation Erstellen und compilieren von VHDL-Code aus Teilen des Systemmodells Programmierung des Testsystems Messung und Test Verifikation der Systemeigenschaften Erzeugung von Messdaten zur Integration in Simulationsmodellen Systemmodel VHDL/ Bitfile generierung Hardware Implementation Prototyp Systemtest Messergebnisse Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 9

10 Systemmodell Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

11 PSSS Parallel Sequence Spread Spectrum Frequenzspreizverfahren mit positiven Eigenschaften bzgl.merwegeausbreitung Im Rahmen eines AIF/BMBF geförderten Drittmittelprojektes an der FHTW entwickelt Derzeitig im Standardisierungsverfahren für den Standard IEEE b Weiterentwicklung mit Partnern der Industrie Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

12 Systemmodell Simulation von Störeinflüssen Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

13 Systemmodell Simulation HF Modul Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

14 Systemmodell Signalverarbeitung FPGA Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

15 FPGA Modell Xilinx System Generator Toolbox Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

16 FPGA Modell Xilinx System Generator Toolbox System Generator Block Festkomma Blöcke Schnittstellen Blöcke Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

17 Hardware Implementation Simulationsmodel Entwickungsumgebung VHDL Projekt Bitfile Testumgebung Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

18 Applikationsdemonstration Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

19 Zusammenfassung Zeitersparnis Geringe Einarbeitungszeit in benötigte Entwicklungswerkzeuge Zeitnahe Umsetzung neuer Ansätze und theoretischer Erkenntnisse in prototypischer Hardware Kostenersparnis Kostengünstige Duplizierbarkeit und geringer Hardwareaufwand Möglichkeit der Applikation verschiedener Verfahren Integrationsfähigkeit in reale Anwendungsszenarien Anwendbarkeit in der Lehre Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

20 Vor- und Nachteile Vorteile Einfache Duplzierbarkeit Flexible Anpassungsmöglichkeiten Schnelle und effiziente Implementation und Anpassung durch Nutzung vorhandener IP-Cores (Intellectual Properties) Abschätzbarkeit des Hardwareaufwandes Nachteile Eingeschränkte Fließkommaberechnungen Höhere Genauigkeit nur durch größere Busbreiten Höherer Kostenaufwand bei etablierten Verfahren im Vergleich zum Prototypenbau mit verfügbaren Bauelementen Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

21 Vielen Dank! Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/

22 Übertragungssystem Daten Störeinflüsse Daten Sender Übertragungs medium Empfänger Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/