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

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1 ni.com

Processamento de sinais em tempo real

utilizando plataforma de Radio Definido

por Software (RDS)

Marcela Trindade

Engenheira de Vendas

National Instruments

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3 ni.com

Aplicações de Algoritmo e Prototipagem com RDS

Utilidades e Infraestrutura

Equipamentos Médicos e Internet das Coisas

Aeroespacial e Defesa Automotiva e Comunicação Carro a Carro Identificação de Comunicações & RF

Tópicos de Pesquisa

Taxa de dados

Capacidade

Consumo de energia

Coexistência

Segurança

Monitoramento

_{Comunicação Via}

Satélite e Navegação

Educacional Radio móvel terrestre

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4 ni.com

Sistema de Radar definido por software

de alta-definição para detecção de alvos

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

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5 ni.com

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)

Olivier DESENFANS, M3

Systems

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6 ni.com

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

Calibração

Direction Finding

(array linear uniforme)

Cabo de rede USRP RX 1 PPS in Ref in Clock Externo Cabo de rede Computador Host Switch Gigabit Ethernet USRP RX 2 USRP RX 3 USRP RX 4 USRP TX

Dr. Athanassios Manikas, Imperial College

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8 ni.com

Arquitetura de Radio Definido por Software

CPU GPP FPGA DSP D/A D/A D/A D/A VCO PLL VCO PLL 90 0 90 0 Conexão Host

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

Subsistema Multiprocessador

Processadorde Tempo Real • Physical Layer (PHY) • Ex. FPGA, DSP

Processador Host

• Medium Access Control (MAC) –Rx/Txcontrol

• Ex. Host GPP, multicore CPU

Conversores em banda base Front End de RF • RF de Uso Geral • LOsduplos • Faixa de frequência contígua

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9 ni.com

Extensas

Bibliotecas

De Análises

NI Universal

Software Radio

Peripheral (USRP)

até 6 GHz

Múltiplas abordagens

de programação

Arquitetura de Alto

Desempenho baseada

em FPGA

GCC

NI USRP

(8)

10 ni.com

Plataformas RDS da NI

• _{Faixa de Frequência:} _{200 MHz até 4.4 GHz (alinhada)} • _FPGA: _{Kintex-7 410T}

• _{Largura de banda:} _{100 MHz/200 MHz} • _{Barramento de Host:} _{PXI Express x4}

(~1600 MB/s)

• _{Calibração:} _{Mínima, sistema}

• _{Faixa de Frequência:} _{50 MHz até 6 GHz opções (coerente)} • _FPGA: _{Kintex-7 410T}

• _{Largura de banda:} 160 MHz bandwidth • _{Barramento de Host:} _{PXI Express x4}

(~800 MB/s)

• _{Calibração:} _{Mínima, sistema}

• _{Faixa de Frequência:} _{50 MHz até 6 GHz opções (coerente)} • _FPGA: _{Host processing}

• _{Largura de Banda:} _{20 MHz bandwidth} • _{Barramento de Host:} _{1 Gb Ethernet}

(100 MB/s)

• _{Calibração:} _{Nenhuma, usuário}

FlexRIO, NI 579x

USRP RIO 294xR/295xR

USRP-292x/293x

• _{Faixa de Frequência:} _{70 MHz até 6 GHz} • _FPGA: _{Host processing} • _{Largura de Banda:} _{56 MHz bandwidth}

(teórico)

• _{Barramento de Host:} _{USB 3.0/USB 2.0} • _{Calibração:} _{Nenhuma, usuário}

USRP-290x

Ensino Transmissão do Host Pesquisa Avançada Ampla largura de banda & LO compartilhado

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11 ni.com

Plataforma de Ensino NI USRP-2900 / NI USRP-2901

Especificações

•

Suporte nativo para 2x2 MIMO

•

_{Cobertura contínua de 70 MHz até 6}

GHz

•

_{Até 56 MHz de largura de banda}

•

Conectividade USB 3.0

•

_{Somente LabVIEW Communications}

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)

Reduz os custos de montar um

laboratório de ensino em mais

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14 ni.com Memória Flash ADC DAC ADC DAC NI-STC3 Clock Disciplinado por GPS RF 0 RF 1 PCIe x4 GPS Ant RX1 TX 1 RX2 RX1 TX 1 RX2 E/S Digitais Ref In Ref Out PPS In PPS Out Temporização e Distribuição de Clock Alimentação

Conversão direta em RF de

alto desempenho

FPGA

reconfiguravel

Barramento de

Comunicação de

Baixa latência

Sincronização

Multi-Canal

(Cabo e GPS)

(11)

15 ni.com

Opções de conectividade do NI USRP RIO

PC

Host

MXIe x4 Cabeado PCIe

Interface

PXI

MXIe x4 Cabeado PCIe

Laptop

Host

MXIe x4 to x1 Cabeado PCIe 800 MB/s (200 MHz BW)

200 MB/s (50 MHz BW) 800 MB/s (200 MHz BW)

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16 ni.com

NI USRP RIO

Clock integrado disciplinado por GPS

•

Maior exatidão em frequência

(com ou sem recepção de GPS)

•

Tempo global e Sincronização

de Frequência

•

Localização via GPS

GPS

uC

OCXO

controle

Tempo preciso

Referência de

frequência

precisa

Antena GPS

Posição global

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17 ni.com

Desafios atuais para o desenvolvimento

• Desenvolvimento com RDS requer múltiplas e diferentes ferramentas de software • As ferramentas de software não endereçam o projeto de sistemas

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

• Longas curvas de aprendizado • Reaproveitamento limitado • Necessidade de especialista • Aumento de custos • Aumento do tempo de resultados Targets FPGAs Processadores Multicore

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20 ni.com

LabVIEW Communications System Design

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26 ni.com

Exemplos prontos para uso

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

FlexRIO (Xilinx-7 Series) & 579x RF Adapters*

NI USRP (292x/293x)

NI USRP RIO (294x/295x)

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38 ni.com

MIMO Massivo / FD MIMO: Capacidade de Ganho

Teórico 10X

Array em fase

…

Base Station com 8

Transceptores

Fase I: Beamforming híbrido

Fase 2: Beamforming digital

Base Station com 64

Transceptores

Prototipagem é necessária

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39 ni.com

Implicações Praticas de MIMO Massivo

3

Figure 1: Some possible antenna conﬁgurations and deployment scenarios for a massive MIMO base

station.

feed them back to the base station. This will not be feasible in massive MIMO systems, at least not when operating in a high-mobility environment, for two reasons. First, optimal downlink pilots should be mutually orthogonal between the antennas. This means that the amount of time-frequency resources needed for downlink pilots scales as the number of antennas, so a massive MIMO system would require up to a hundred times more such resources than a conventional system. Second, the number of channel responses that each terminal must estimate is also proportional to the number of base station antennas. Hence, the uplink resources needed to inform the base station about the channel responses would be up to a hundred times larger than in conventional systems. The solution is to operate in time-division duplex (TDD) mode, and rely on reciprocity between the uplink and downlink channels.

While the concepts of massive MIMO have been mostly theoretical so far, and in particular stimulated much research in random matrix theory and related mathematics, basic testbeds are becoming available [2] and initial channel measurements have been performed [3, 4].

3 The Potential of M assive M I M O

Massive MIMO technology relies on phase-coherent but computationally very simple process-ing of signals from all the antennas at the base station. Some speciﬁc beneﬁts of a massive MU-MIMO system are:

¼ λ

Patch

Array de dipolos lineares com

128 Elementos

• 750 MHz = 12.8m largura

• 3.5 GHz = 2.75m largura

Source: Building image from Rusek, et al “Scaling up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,” IEEE Signal Processing Magazine

¼ λ

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40 ni.com

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

Cabos PCI Express x4

Octoclock

PC

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42 ni.com

MIMO Massivo para 5G na Lund University, Suécia

Prof Ove Edfos Prof Fredrik Tufvesson

Objetivo:

Construir um sistema MIMO massivo para

celular com antena 100x10

para validar resultados teóricos com processamento

em tempo real

(20)

43 ni.com

Demonstração de MIMO

Massivo Intel

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45 ni.com

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

http://theinstitute.ieee.org/technology-focus/technology-history/first-ieee-milestones-in-india https://www.cv.nrao.edu/~demerson/bose/bose.html

J.C. Bose na

Royal Institution

,

Londres, 1897

Link moderno ponto a

ponto em mmWave

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46 ni.com

NYU Wireless: mmWave Channel

Sounder

• _{Channel sounding em 28, 38, e 72 GHz}

• _{Protótipo do Sistema usa FlexRIO e LabVIEW}

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49 ni.com

Protótipo da Nokia de mmWave em banda base

mmWave

“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