Integriertes Framework: Entwicklung von WLAN ac-Lösungen

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1 Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016 Integriertes Framework: Entwicklung von WLAN ac-Lösungen Dr. Gent Paparisto NI AWR EDA Software, El Segundo (Kalifornien), USA Kurzfassung In diesem Beitrag wird gezeigt, wie die National Instrument AWR Design Environment zusammen mit der Software LabVIEW und NI-Hardware für den Entwurf, die Prototypenerstellung sowie die Validierung und Prüfung von WLAN ac-Komponenten, -Systemen und -Subsystemen eingesetzt werden kann. Abstract This application note demonstrates how NI AWR Design Environment software can be combined with LabVIEW software and NI hardware for the design, prototype, and validation/test of WLAN ac components, systems and sub-systems. The NI AWR integrated framework provides a unique option for digital, RF, and system engineers to collaborate from initial design and implementation to final production test by using the same IP. This results in a shorter design cycle and reduced time to market. Einleitung Die unter IEEE zusammengefassten WLAN-Standards wurden erstmals im Juni 1997 festgelegt, gefolgt von den a- und c-Standards im September 1999, dem g-Standard im Juni 2003 sowie dem n-Standard im Oktober Der aktuelle Standard ac wurde im Januar 2014 ratifiziert ac wird auch als VHT-Standard (Very High Throughput) bezeichnet, da er einen deutlich höheren Durchsatz als frühere Standards bietet. Er wird ausschließlich im 5-GHz-Band ausgeführt und nutzt, wenn möglich, n-Technologien, um eine Abwärtskompatibilität mit früheren Standards sowie die gemeinsame Nutzung des 5-GHz-Bandes mit den Standards a und n zu gewährleisten ac bietet verschiedene Modi, unter anderem einen Durchsatz von mehr als 500 Mbit/s für einzelne Netzwerkstationen sowie mehr als 1 Gbit/s für mehrere Netzwerkstationen über einen 80-MHz-Kanal. Der Standard umfasst zudem Neuerungen wie eine Kanalbandbreite von 160 MHz (zusammenhängende 80 MHz + 80 MHz) sowie (80+80)-MHz-Kanalbündelung mit nicht zusammenhängenden 80-MHz-+ 80-MHz-Kanälen. Die MIMO-Konfiguration (Multiple Input, Multiple Output) wurde auf bis zu acht räumliche Streams erweitert und ermöglicht so MIMO für mehrere Benutzer sowie Modulationen höherer Ordnung mit bis zu 256 QAM. Des Weiteren bietet die Konfiguration standardmäßige Beamforming-Funktionen wie zum Beispiel Raum-Zeit-Block-Kodierung (STBC, Space-Time Block Coding) und Low-Density-Parity-Check-Codes. Mithilfe dieses Standards lassen sich jetzt auch Anwendungen wie zum Beispiel das Streamen von HD-Videos an mehrere Clients, die zügige Synchronisierung und Sicherung großer Datendateien sowie Wireless-Displays, wobei ein drahtloses Signal an einen HD-Monitor gesendet werden kann, realisieren. Der 299

2 Gent Paparisto Standard unterstützt sowohl Mesh- als auch Punkt-zu-Punkt-Backhaul-Verkehr und eignet sich für den Einsatz auf weitläufigen Universitätsgeländen, in großen Hörsälen sowie für die Automatisierung von Produktionsstätten. Eckdaten Das integrierte NI-AWR-Framework gibt Digital-, HF- und Systemingenieuren die Möglichkeit, in allen Entwicklungsphasen vom anfänglichen Entwurf über die Implementierung bis hin zur abschließenden Produktionsprüfung unter Verwendung einer einzelnen IP zusammenzuarbeiten. Besondere Herausforderungen bei der Entwicklung Die Entwicklung von ac-Geräten ist mit besonderen Herausforderungen verbunden, da durch die extrem große Kanalbandbreite im Bereich von 80 MHz bis 100 MHz striktere Anforderungen in Bezug auf die flache Spektralverteilung bestehen. Auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Interferenzen spielt eine wichtige Rolle. So muss beispielsweise bei einem Wetterradar-Frequenzband mit 5 GHz der ac-Standard robust genug sein, um Interferenzen von zahlreichen drahtlosen Signalen zu überbrücken. Bild 1: Die Produktentwicklung umfasst die drei Hauptphasen 1) Entwurf und Simulation, 2) Verifizierung und Validierung und 3) Produktion und Test. 300

3 Integriertes Framework: Entwicklung von WLAN ac-Lösungen Da zusammenhängende Frequenzbänder (80 MHz +80 MHz) während der Entwicklung mehrere Messgeräte für die Signalerzeugung und -analyse erfordern, wird für die Entwicklung und das Testen dieser Geräte auch eine zusätzliche Synchronisierung notwendig. Die höheren Modulationsformate (256 QAM) benötigen zudem eine bessere Fehlerrate bei der Übertragungskonstellation und eine höhere Eingangsempfindlichkeit des Empfängers. Der Produktentwicklungszyklus besteht in der Regel aus drei Hauptphasen: Entwurf und Simulation, Verifizierung und Validierung sowie Produktion und Test. Als erster Schritt im Entwicklungszyklus wird zunächst die Sender-IP in Software entwickelt (Bild 1). Anschließend muss für die Prototypenerstellung und Verifizierung jedoch auf eine andere Plattform gewechselt werden, wobei für die Produktion und das Testen der Geräte wiederum eine dritte Plattform erforderlich ist. Das bedeutet also, dass Entwickler sich bei jeder Entwicklungsphase in eine neue Plattform einarbeiten und dabei mögliche Inkonsistenzen zwischen den verschiedenen Anbietern und/oder Implementierungen beseitigen müssen. Lösung von NI AWR National Instruments bietet eine ganz neue Herangehensweise, bei der für alle drei Entwicklungsphasen ein und dieselbe IP verwendet wird. Somit steht für die Sender- und Empfänger-Implementierungen eine einheitliche IP zur Verfügung. Um dies zu erreichen, wurden verschiedene NI-Hard- und Software-Tools in einer einzelnen Lösung gebündelt. Die Lösung umfasst unter anderem das Systemdesign-Tool Visual System Simulator (VSS) für die Entwicklung drahtloser Kommunikationslösungen, die Software Microwave Office für den Schaltungsentwurf der HF/Mikrowellen-Komponenten der drahtlosen Geräte sowie die ac-Standardbibliotheken von NI AWR. Während der Prototypenerstellungs- und Testphase können Entwickler mithilfe von VSS, LabVIEW und den in VSS integrierten Anschlussmöglichkeiten für Testgeräte Hardware-inthe-Loop-Simulationen durchführen. Darüber hinaus stehen auch die FPGA- und IO-Adaptermodule von NI sowie Prüfgeräte zur Verfügung. Mit dem AWR Design Environment, einschließlich VSS und Microwave Office, haben Entwickler zudem die Möglichkeit, die Daten aus frühen Entwurfsphasen für das Layout sowie für die EM-Simulation und -Verifizierung wiederzuverwenden. Die leistungsfähige PXI-Plattform von NI ermöglicht darüber hinaus die Prototypenerstellung sowohl in frühen Entwurfsphasen als auch während der Verifizierung und Validierung. Die Plattform ermöglicht dabei flexible Konfigurationen und kostenoptimierte Bereitstellungen. Das System umfasst ein Chassis und einen PXI-Controller sowie Peripheriemodule, die für verschiedene Zwecke genutzt werden können. Bei der in diesem Anwendungshinweis vorgestellten Lösung wurde für die frühe Entwicklungs- und Prototypenerstellungsphase der Vektorsignal-Transceiver verwendet. Allerdings ist es auch möglich, andere Vektorsignalanalysatoren und -generatoren zu nutzen. Außerdem lassen sich im Laufe des Entwicklungsprozesses auch FPGA- und IO-Coprozessorkarten sowie Verstärker, Dämpfer und Schaltmodule in die jeweilige Lösung integrieren. Mit dieser Herangehensweise sind Entwickler in der Lage, alle Phasen der Entwicklung von der Recherche und Modellierung über die Simulation, Verifizierung und Validierung bis hin 301

4 Gent Paparisto zur abschließenden Produktion innerhalb einer einzelnen Plattform durchzuführen. Durch die nahtlose Integration zwischen NI-AWR-Software, LabVIEW und NI-Hardware muss nicht mehr zwischen verschiedenen Umgebungen gewechselt werden (Bild 2). Bild 2: Dank der nahtlosen Integration zwischen NI-AWR-Software, LabVIEW und NI-Hardware können Entwickler die verschiedenen Entwicklungs- und Testphasen ohne Wechseln der Umgebung durchführen. Beispiel für Entwicklung und Analyse auf Systemebene Das in Bild 3 dargestellte Beispiel für die Entwicklung und Analyse auf Systemebene zeigt, wie Entwickler mit der neuen AWR-Design-Environment-Lösung die Standardsignalquellen und -empfänger der NI-Hardware für Simulationsmodelle nutzen können, um damit Messungen auf Systemebene durchzuführen. Diese Signalquellen und -empfänger lassen sich später zudem für die Hardware-Prototypenerstellung wiederverwenden. Auch in der nächsten Entwicklungsphase kommt dank der nahtlosen Integration zwischen VSS, LabVIEW und NI-Hardware derselbe Entwicklungsprozess zum Einsatz, sodass für die Messung der RF-Komponenten die gleiche Prüfstation repliziert werden kann (Bild 4). Der wesentliche Vorteil besteht hier darin, dass Entwickler während des gesamten Entwicklungsprozesses mit der ursprünglichen Prüfstation arbeiten, anstatt für jede Phase die Prüfstation erneut erstellen zu müssen. Bei der Produktionsprüfung können Entwickler zudem die FPGA-Funktionen der NI-Plattform für benutzerdefinierte Messungen nutzen, um schnellere Echtzeittests durchzuführen (Bild 5). Mithilfe der PXI-Plattform lassen sich nicht nur alle für ac erforderlichen MIMO-Tests durchführen, sondern auch die Bandbreitenanforderungen der ac-Signalstruktur bewältigen. Die erstklassige EVM-Leistung der Plattform sorgt dabei für außergewöhnlich hohe Messgeschwindigkeiten. 302

5 Integriertes Framework: Entwicklung von WLAN ac-Lösungen Bild 3: Dieses Beispiel für die Entwicklung und Analyse auf Systemebene zeigt, wie Entwickler mit demselben Hardware-Toolkit, das für die Erstellung von Simulationsmodellen verwendet wurde, Messungen auf Systemebene durchführen können. Bild 4: Dank der nahtlosen Integration zwischen VSS, LabVIEW und NI-Hardware können Entwickler für jede Phase des Entwicklungsprozesses ein und dieselbe Prüfstation verwenden. 303

6 Gent Paparisto Bild 5: Bei der Produktionsprüfung können Entwickler die FPGA-Funktionen der NI-Plattform für benutzerdefinierte Messungen nutzen, um schnellere Echtzeittests durchzuführen. Zusammenfassung National Instruments stellt für die Entwicklung von ac-WLAN-Lösungen ein vielseitiges Framework bereit. Es bietet nicht nur Funktionen für die HF-Modellierung und -Simulation, sondern auch offene und flexible Technologien für schnelle und benutzerdefinierte FPGA-Messungen. Kürzere Entwicklungszyklen und eine schnellere Markteinführung werden dadurch möglich. Der deutschsprachige Beitrag erschien erstmals in der elektronik industrie 5/2016, S