NI LabVIEW als Designwerkzeug für softwaredefinierte RF- Testsysteme

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1 NI LabVIEW als Designwerkzeug für softwaredefinierte RF- Testsysteme LabVIEW wird bereits seit langem als eine Programmiersprache für die Automatisierung von Messgeräten verwendet, doch inzwischen ermöglichen neue Toolkits in LabVIEW den Test zahlreicher RF-Geräte mittels virtueller Instrumente. Im Gegensatz zu traditionellen RF- Signalgeneratoren und -analysatoren, die für Standards wie etwa GPS, Wireless LAN (WLAN), Fixed WiMAX usw. einen vordefinierten Funktionsumfang besitzen, bieten virtuelle Instrumente neben einer gleichwertigen Messfunktionalität zugleich eine "offene" Softwarearchitektur. Der Ansatz mit einem offenen Toolkit für softwaredefinierte RF-Tests bietet viele Vorzüge, darunter: Messungen für eine Vielzahl von Wireless-Standards, einschließlich WLAN, WiMAX, GPS usw. Integrierte DC-, Digital- und Basisbandmessungen auf demselben System Erheblich schnellere Messzeiten durch den Einsatz von Multicore-Technologie LabVIEW-Toolkits für WiMAX, Wireless LAN (WLAN) und GPS nutzen Kennungen für virtuelle Instrumente, um Basisbandsignale zu erzeugen, Fehler wie z. B. IQ-Impairments zu simulieren und anzuwenden, Messungen durchzuführen und RF-Eigenschaften festzulegen. Während RF-Toolkits und die entsprechenden Beispielprogramme ausschließlich für den Einsatz mit PXI-RF-Messgeräten entworfen wurden, können sie dennoch mit anderen Messgeräten und zur Simulation der RF-Eigenschaften der physikalen Schicht genutzt werden. In diesem Tutorium werden die Architektur der LabVIEW-Toolkits für RF und die Möglichkeiten betrachtet, die zur softwareseitigen Simulation der Beeinträchtigungen der physikalischen Schicht eingesetzt werden können. NI GPS Simulation Toolkit Mit dem NI GPS Simulation Toolkit für LabVIEW können kontinuierliche GPS- Basisbandsignale mit einer maximalen zeitlichen Länge von 24 Stunden erstellt werden. Dieses Toolkit überführt Satelliteninformationen, die in Almanach- und Ephemeris-Dateien enthalten sind, in GPS-Signale (C/A-Code, Course Acquisition). Die flexible Programmierschnittstelle ermöglicht, Signaleinstellungen wie z. B. simulierte Länge, Breite oder Höhe und Empfängergeschwindigkeit benutzerspezifisch anzupassen. Es können sogar benutzerspezifische Bewegungsprofile erstellt werden, um die Bewegung eines GPS- Empfängers zu simulieren. Intern wendet das Toolkit entsprechende Doppler-Verschiebungen auf jeden Satelliten an und jeder Prüfling verhält sich so, als würde er sich auf einem vordefinierten Pfad bewegen. Abbildung 1 zeigt, wie eine Generierung für die Erzeugung im Skriptmodus konfiguriert wird.

2 Abb. 1: Erzeugung von Bewegungsprofilskripten mit dem GPS- Toolkit Mithilfe des Skriptmodus kann entweder eine Reihe von GPS-Wegpunkten oder von "straight"- und "arc"-befehlen eingegeben werden. Tabelle 1 beispielsweise zeigt ein Skript, mit dem eine Generierung konfiguriert wird, die einen sich auf einer ovalen Spur bewegenden Empfänger simuliert. begin straight great_circle arc straight great_circle arc end Tabelle 1: Bewegungsprofil eines GPS- Empfängers Funktionen des GPS-Toolkits, z. B. benutzerspezifische Bewegungsprofile, erlauben die Erstellung von Basisbandsignalen, die eine anwenderdefinierte Empfängerbewegung simulieren. Das Toolkit stellt LabVIEW-Beispielcode bereit, um GPS-Signale zu erstellen, die entweder in eine Binärdatei geschrieben oder mit einem PXI-RF-Vektorsignalgenerator erzeugt werden können. Erzeugen von WLAN-Signalen in LabVIEW Die NI WLAN Measurement Suite bietet Erzeugungs- und Analysefunktionen für Messungen der physikalischen Schicht von IEEE a/b/g-Geräten. Sie besteht aus dem NI WLAN Analysis Toolkit für WLAN-Messungen und dem NI WLAN Generation Toolkit für die Signalerzeugung. Um Sender- oder Empfängerstörungen zu simulieren, werden Störungen

3 über einen Eigenschaftsknoten konfiguriert. Weitere Toolkits wie z. B. das NI LabVIEW Modulation Toolkit können universelle, modulierte Signale wie etwa AM, FM, FSK, QPSK oder 64-QAM erzeugen. Spezielle RF-Toolkits nutzen ein virtuelles Instrument, um standardisierte Basisbandsignale zu erzeugen. Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm eines LabVIEW-Beispiels, das zur Erstellung eines WLAN-Basisbandsignals verwendet wurde. Abb. 2: Erstellung eines WLAN- Basisbands Wie Abbildung 2 zeigt, lässt sich das NI WLAN Generation Toolkit zur Erstellung benutzerspezifischer Signale nutzen. Hier wird ein Eigenschaftsknoten verwendet, um Charakteristika wie z. B. DC-Offset, IQ-Asymmetrie und Quadraturabweichung festzulegen. Durch Festlegung dieser Charakteristika können die Quadraturfehler bei einem direkten Quadraturmodulator simuliert werden. Abbildung 3 zeigt das Konstellationsdiagramm eines 16-QAM-Signals (24 Mbits/s g) mit 1 db IQ-Asymmetrie und 1 Grad Quadraturabweichung.

4 Abb. 3: Analyse eines gestörten WLAN- Signals Das Konstellationsdiagramm aus Abbildung 3 wurde mit dem WLAN Analysis Toolkit erstellt. Messhardware wurde nicht verwendet. Die gemessene Error Vector Magnitude (EVM) beträgt hier -21,5 db. Simulierte Fixed-WiMAX-Signale in LabVIEW Ähnlich wie die WLAN Measurement Suite bietet die Measurement Suite für Fixed WiMAX eine LabVIEW-Programmierschnittstelle für die Erzeugung und Analyse von Fixed-WiMAX- Signalen. Signalkurven werden gemäß der IEEE Spezifikationen (auch bezeichnet als IEEE d) für die physikalische (PHY) Schicht erzeugt. Außerdem unterstützt das Toolkit die softwaredefinierte Erzeugung von Störungen, wie z. B. additives weißes gaußsches Rauschen (AWGR). Diese Störung kann genutzt werden, um Breitbandrauschen zu simulieren entweder von einem physikalischen Kanal oder vom Quantisierungsrauschen von Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandlern. Um AWGR für die Simulation eines Fixed-WiMAX-Signals hinzuzufügen, müssen zwei Eigenschaften programmatisch eingerichtet werden: "AWGN enabled" und "SNR" (der Signal-Rausch- Abstand).

5 Abb. 4: Simuliertes AWGR kann mit einem Eigenschaftsknoten ergänzt werden. Für simulierte WiMAX-Signale ist die gemessene Error Vector Magnitude (EVM) des modulierten Signals fast identisch mit dem simulierten AWGR. Wird beispielsweise ein Signal-Rausch-Abstand von 31 db simuliert, gibt die vom NI Analysis Toolkit für Fixed WiMAX gemessene EVM ein Ergebnis von -31,2 db aus. Abbildung 5 zeigt ein Konstellationsdiagramm des simulierten Sub-Frames. Abb. 5: Konstellation des Fixed-WiMAX- Sub-Frame Die Abweichungen von den Punkten im Konstellationsdiagramm in Abbildung 5 zeigen, dass das simulierte Signal Störungen enthält. Das NI Signal Generation Toolkit für Fixed WiMAX ermöglicht die Erstellung benutzerdefinierter Frames und Sub-Frames. Übereinstimmend mit

6 dem IEEE Standard kann ein simulierter Sub-Frame mehrere Bursts enthalten. Im vorliegenden Beispiel sind dies: ein 64-QAM-Burst (grün), ein 16-QAM-Burst (schwarz), ein QPSK-Burst (rot) und ein BPSK-Burst (blau). Entwurf von Kommunikationssystemen in LabVIEW Neben Toolkits für Wireless-Standards beinhaltet LabVIEW eine Vielzahl von nativen Funktionen und Algorithmen, die sich ausgezeichnet für den Entwurf von Kommunikationssystemen eignen. Zudem bieten die Modulations-Toolkits von NI Funktionen für die Modulation und Demodulation, die Aufwärts- und Abwärtswandlung sowie die Simulation von Störungen wie z. B. Mehrwege-Empfang, Signalblockierung und sogar Phasenrauschen. Als Beispiel dazu dient Abbildung 6, die das Blockdiagramm eines VIs zeigt, das ein Basisband-IQ-Signal abtastet, ein Multi-Tone-Signal hinzufügt und eine digitale Aufwärtswandlung auf eine Zwischenfrequenz (ZF) durchführt. Das rationale (fraktionale) Resampling ist in Abbildung 6 auf 200 MS/s eingestellt, kann aber für einen fast unbegrenzten Bereich von Abtastraten genutzt werden. Abb. 6: Aufwärtswandlung simulierter WLAN-Signale Mit Funktionen für die Aufwärts- und Abwärtswandlung zur und von der ZF/RF kann der Anwender Kanalstörungen bei Basisband und RF/ZF simulieren. Das Blockdiagramm der Abbildung 6 zeigt, wie ein Multi-Tone-Signal auf ein Basisbandsignal angewendet wird. Das Leistungsspektrum des simulierten Ausgangs wird in Abbildung 7 gezeigt.

7 Abb. 7: Leistungsspektrum eines simulierten Fixed-WiMAX-Signals Neben der Anwendung von Störungen mit speziellen Toolkits für die Kommunikation, wie etwa dem Modulations-Toolkit, können auch viele weitere Signalverarbeitungsfunktionen mit nativen LabVIEW-Funktionen implementieren. Abbildung 8 zeigt das Blockdiagramm eines Beispiels, das FIR- und IIR-Tiefpassfilter auf ein simuliertes Basisbandsignal anwendet und anschließend eine EVM-Messung am gefilterten Basisbandsignal durchführt. Abb. 8: Digitale Filter in LabVIEW werden auf ein simuliertes WLAN-Signal angewendet. Durch digitale Filterung kann aus einem simulierten WLAN-Signal, das AWGR beinhaltet, das Breitbandrauschen wirksam entfernt werden, das sich außerhalb der betrachteten Bandbreite befindet. Wird der Code aus Abbildung 8 ausgeführt, fällt auf, dass das Anwenden eines elliptischen IIR-Filters die gemessene EVM verbessert. Abbildung 9 zeigt ein vergrößertes Konstellationsdiagramm der gefilterten und ungefilterten Stelle des Basisbandsymbols. Im vorliegenden Fall hat das simulierte WLAN-Signal einen Signal- Rausch-Abstand von 37 db.

8 Abb. 9: Konstellation eines gefilterten und ungefilterten Basisbands In den Abbildungen 8 und 9 handelt es sich beim IIR-Filter um ein elliptisches Tiefpassfilter der 5. Ordnung mit einer Bandbreite von 10 MHz, einem Filterdurchlassbereich von 0,1 db und einer Dämpfung im Sperrbereich von 65 db. Abbildung 9 zeigt das Ergebnis der Anwendung eines Tiefpassfilters auf einen OFDM-Demodulator. Durch das Filtern des Breitbandrauschens verbesserte sich das EVM-Ergebnis von -37,0 db auf -43,6 db. Nutzung von RF-Toolkits mit Mixed-Signal-Messgeräten Einer der größten Vorteile von RF-Toolkits für GPS-, WLAN- und WiMAX-Signale besteht darin, dass simulierte Signalkurven mit einer großen Vielfalt modularer PXI-Messgeräte erzeugt werden können. So kann z. B. ein HSDIO (High-Speed Digital Pattern Generator) genutzt werden, um modulierte Signale als digitales Basisband zu generieren. Um einen Quadraturmodulator zu testen, kann ein differenzieller Signalgenerator mit zwei Kanälen (etwa der NI PXIe-5450) verwendet werden, um modulierte Signal als analoges Basisband zu erzeugen. RF-Vektorsignalgeneratoren (wie der PXIe-5673) können eingesetzt werden, um die RF zu erzeugen. Abbildung 10 zeigt ein einfaches Beispiel einer WiMAX-Generierung, die ein Fixed-WiMAX-Signal in vielen unterschiedlichen Signalformen produziert. Abb. 10: Erzeugung analoger und digitaler WiMAX-Basisbandsignale

9 Aus Abbildung 10 geht hervor, dass das NI Generation Toolkit für Fixed WiMAX zwar Basisbandsignale als ein komplexes Signal (für RF-Vektorsignalgeneratoren) erzeugt, dasselbe Signal jedoch auch in analoge Basisband-I/Q- (für einen Signalgenerator mit zwei Kanälen) oder digitale Basisband-I/Q-Signale (für einen Digitalmustergenerator) umgewandelt werden kann. Umgekehrt können Analyse-Toolkits wie jene für WLAN und WiMAX auch mit einer Vielzahl von Erfassungsgeräten verwendet werden. Mit dem Modulation Toolkit oder grundlegenden LabVIEW-Funktionen lassen sich digitale Basisband-, analoge Basisband- und sogar Zwischenfrequenzsignale in das entsprechende Format für die RF-Analyse-Toolkits umwandeln. RF-Toolkits in LabVIEW Wireless-Standard-Toolkits in LabVIEW bieten eine vollständig flexible Lösung für den Entwurf und den Test von Wireless-Geräten. Da alle Signale in einer offenen Softwareumgebung erstellt und analysiert werden, können Signalbeeinträchtigungen schnell und einfach eingebracht, Eigenschaften von Wireless-Kanälen simuliert und sogar benutzerspezifische Filter angewendet werden. Zusammen mit dem universellen Modulation Toolkit können Toolkits für GPS, WLAN und Fixed WiMAX sowohl mit Mixed-Signal- und RF-Messgeräten genutzt werden. Folglich haben Anwender, die mit GPS-, WLAN- und WiMAX-Geräten entwerfen, Zugang zu einem neuen und komplett flexiblen Designwerkzeug für diese Geräte. Nähere Informationen zur Simulation von Kommunikationssignalen in LabVIEW finden Sie unter