EINE MODULARE TESTPLATTFORM FÜR DAS PROTOTYPING VON DRAHTLOSEN SYSTEMEN Einleitung • Zunehmender Einsatz von Kurzstreckenfunk in Form drahtloser Datenkommunikation im Bereich IEEE Standard 802.15.4 - 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 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 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 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 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 Schematischer Aufbau der Testumgebung Programming Interface Bi tfi le FPGA Board Control (Gain,Fc …) ADC I-Phase Q-Phase ADC Q-Phase I-Phase DAC I-Phase DAC Q-Phase I-Phase Ethernet USB Digital I/O RS232 GPIO FPGA Q-Phase Transceiver Downconverter HF Upconverter HF Power Supply Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 PA Ref OSC 7 Praktischer Aufbau der Testumgebung Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 8 Design Iterationen – Erstellen von Systemmodellen – Anpassen von Systemparametern • FPGA basierte Hardwareimplementation – Erstellen und compilieren von VHDL-Code aus Teilen des Systemmodells – Programmierung des Testsystems Systemmodel VHDL/ Bitfile generierung Hardware Implementation Prototyp • Messung und Test – Verifikation der Systemeigenschaften – Erzeugung von Messdaten zur Integration in Simulationsmodellen Messergebnisse • Simulationsbasiertes Design Systemtest Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 9 Systemmodell Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 10 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 802.15.4b • Weiterentwicklung mit Partnern der Industrie Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 11 Systemmodell Simulation von Störeinflüssen Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 12 Systemmodell Simulation HF Modul Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 13 Systemmodell Signalverarbeitung FPGA Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 14 FPGA Modell Xilinx System Generator Toolbox Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 15 FPGA Modell Xilinx System Generator Toolbox System Generator Block Schnittstellen Blöcke Festkomma Blöcke Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 16 Hardware Implementation Simulationsmodel Entwickungsumgebung VHDL Projekt Bitfile Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 Testumgebung 17 Applikationsdemonstration Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 18 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 10/2006 19 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 10/2006 20 Vielen Dank ! Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 21 Übertragungssystem Daten Sender Störeinflüsse Übertragungs medium Huhn - Schwetlick: Rapid Prototyping drahtloser Übertragungssysteme 10/2006 Daten Empfänger 22
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