Utilizar el diseño basado en modelos para el SDR - Parte 1

Resumen

Hay una brecha importante entre el concepto de un sistema inalámbrico y la realización de ese diseño funcional. Para salvar esta brecha suelen ser necesarios equipos de ingenieros con diversos conocimientos (como RF, SW, DSP, HDL y Linux embebido)^®), y en muchos casos los proyectos descarrilan al principio de la fase de desarrollo debido a la dificultad de coordinar los esfuerzos de estas diversas entidades de diseño.

En este artículo de cuatro partes, examinaremos los avances en las plataformas y herramientas que permiten a los desarrolladores simular rápidamente y crear prototipos de sistemas inalámbricos, al tiempo que establecen y mantienen una vía de despliegue para la producción. Como ejemplo concreto del proceso, crearemos un prototipo de plataforma SDR inalámbrica que reciba y descodifique las señales de Vigilancia Automática Dependiente (ADS-B) para poder detectar e informar de la posición, altitud y velocidad de los aviones comerciales que vuelan en nuestras proximidades. Los recursos necesarios en este caso son MATLAB^® y Simulink y las habilidades para integrar e incrustar hardware/software. La plataforma de hardware será Analog Devices/Xilinx^® sistema de prototipos de radio definida por software (SDR). Uso de MATLAB y Simulink^® se realizarán las siguientes tareas:

• Diseño de los algoritmos de procesamiento de señales utilizados para descodificar los mensajes ADS-B

• Simulación de un transceptor de RF que recibe señales ADS-B

• Generación de código C y HDL

• Verificación del código HDL con datos grabados y en vivo en el transceptor y la FPGA de destino

El resultado final será un diseño RF SDR que funcione en un hardware digno de producción, que llevaremos a un aeropuerto local para verificar su rendimiento y funcionalidad.

En la primera parte de este artículo de cuatro partes se hablará del sistema de creación de prototipos SDR de Analog Devices/Xilinx, sus capacidades y ventajas, y una breve descripción del flujo de la herramienta. En la segunda parte se revisarán las señales de Vigilancia Dependiente Automática (ADS-B) y se explicará cómo decodificar su información en MATLAB y Simulink en la simulación. La parte 3 describirá y mostrará cómo utilizar el hardware en el bucle (HIL) y capturar las señales con el transceptor objetivo, mientras se realiza el procesamiento de la señal en el host en Simulink para su verificación. La Parte 4 mostrará cómo tomar el algoritmo desarrollado en la Parte 2, verificado en la Parte 3, y utilizar HDL Coder y Embedded Coder de MathWorks para generar el código y desplegarlo en el hardware de producción, y finalmente ejecutaremos la plataforma con señales ADS-B del mundo real en un aeropuerto.

Introducción

Con el crecimiento exponencial de los medios por los que la gente necesita comunicarse, modificar los dispositivos de radio de forma fácil y barata se ha convertido en algo esencial para las empresas. Basándose en este requisito, la tecnología de radio definida por software se ha utilizado ampliamente en los últimos tiempos, ya que proporciona la flexibilidad, la rentabilidad y la potencia necesarias para avanzar en las comunicaciones.¹ El objetivo de un sistema SDR es implementar la mayor parte posible de los algoritmos de modulación/demodulación y de procesamiento de datos en un software y una lógica reprogramables, de modo que el sistema de comunicación pueda reconfigurarse fácilmente simplemente actualizando el software y la lógica reprogramables y sin realizar cambios en la plataforma de hardware.

Con la llegada de los dispositivos de sistema en chip (SoC) como el Xilinx Zynq.^® Todos los SoCs programables que combinan la versatilidad de una CPU con la potencia de procesamiento de una FPGA, los diseñadores tienen los medios para consolidar las funciones de procesamiento de datos de un sistema SDR en un único dispositivo, al tiempo que incorporan tareas de procesamiento adicionales. Las tareas de procesamiento intensivo, como los algoritmos de modulación/demodulación de datos, se descargan en la lógica programable del dispositivo, mientras que tareas como la decodificación y la representación de datos, la supervisión y el diagnóstico del sistema y la interfaz de usuario se aplazan a la unidad de procesamiento.

Al mismo tiempo, la creación de prototipos de sistemas inalámbricos ha sido un tema de debate durante décadas, pero sólo en los últimos años ha evolucionado hasta convertirse en un flujo de diseño completo para FPGAs -desde la creación del modelo hasta la implementación completa- gracias a la evolución de las herramientas de modelado y simulación como MATLAB y Simulink de MathWorks. La creación de prototipos de sistemas inalámbricos está transformando la forma de trabajar de los ingenieros y científicos al trasladar las tareas de diseño del laboratorio y el campo a la oficina.² Ahora se puede modelar todo el sistema inalámbrico, como un sistema SDR, lo que permite al ingeniero observar el comportamiento del sistema y ajustarlo antes de que se implemente realmente sobre el terreno. Esto tiene varias ventajas, como acelerar la integración del sistema y reducir la dependencia de la disponibilidad de los equipos. Además, una vez completado el modelo Simulink del sistema SDR, el código C y HDL puede generarse automáticamente para su implementación en los SoCs Zynq, ahorrando tiempo y evitando la introducción de errores codificados manualmente. El riesgo se reduce aún más al vincular el modelo del sistema a un entorno de prototipado rápido que permite ejercitar el sistema SDR en condiciones reales.

Esta primera parte de la serie de cuatro partes trata del sistema de prototipado rápido SDR de Analog Devices/Xilinx, sus capacidades y ventajas, y una breve descripción del flujo de la herramienta. El artículo muestra cómo la tecnología de circuitos integrados de radiofrecuencia y el hardware y el software de diseño de referencia de Analog Devices requieren un subconjunto reducido de habilidades de diseño, lo que permite a los clientes mitigar el riesgo y acortar su tiempo de comercialización.

Zynq para SDR

Los sistemas SDR avanzados tienen que realizar una combinación de tareas de procesamiento de datos, comunicación e interfaz de usuario que tienen diferentes requisitos de ancho de banda de procesamiento y limitaciones de tiempo real. La plataforma de hardware elegida para implantar un sistema de este tipo debe ser robusta y escalable, al tiempo que permita futuras mejoras y ampliaciones del sistema. Los SoCs Xilinx Zynq-7000 All Programmable cumplen estos requisitos al proporcionar un sistema de procesamiento de alto rendimiento combinado con la lógica programable, como se muestra en la Figura 1.3 La combinación de la lógica programable y el sistema de procesamiento proporciona una potencia de procesamiento en paralelo superior, un rendimiento en tiempo real, rápidas velocidades de cálculo y versatilidad de conectividad.

La parte del sistema de procesamiento del SoC Zynq consiste en un sistema ARM de doble núcleo^®Cortex^®-Procesador A9 combinado con un coprocesador NEON y extensiones de punto flotante para acelerar la ejecución del software. En el procesador ARM de doble núcleo se pueden implantar sistemas operativos Linux o de tiempo real para aprovechar al máximo las capacidades del sistema. El procesador es autónomo y puede utilizarse sin tener que configurar la lógica programable, lo cual es una característica clave para los desarrolladores de software que querrán empezar a desarrollar código junto con los desarrolladores de hardware que diseñarán la matriz FPGA.

En cuanto a la lógica programable, el dispositivo tiene hasta 444.000 células lógicas y 2.200 cortes DSP que proporcionan un enorme ancho de banda de procesamiento, lo que permite al dispositivo Zynq abordar una variedad de aplicaciones de procesamiento de señales difíciles. Cinco AMBAs de alta velocidad^®-4 interconexiones de alta velocidad AXI acoplan estrechamente la lógica programable al sistema de procesamiento con el equivalente a más de 3.000 pines de ancho de banda efectivo.⁴

AD9361 IC transceptor de RF de banda ancha ágil para SDR

En los últimos años, Analog Devices ha sacado al mercado productos SDR revolucionarios para dar soporte a los requisitos y arquitecturas de sistemas SDR, que están en constante evolución. Algunos de los productos más importantes de Analog Devices en este ámbito son los transceptores ágiles de RF integrados AD9361/AD9364. EL AD9361 (2 × 2)⁵ y AD9364 (1 × 1)⁶ son CI transceptores de RF de alto rendimiento y altamente integrados para su uso en arquitecturas SDR en aplicaciones como la infraestructura de comunicaciones inalámbricas, los sistemas electrónicos de defensa, los equipos e instrumentos de prueba de RF y las plataformas de radio definida por software de uso general. Los dispositivos combinan un extremo frontal de RF con una sección de banda base de señal mixta flexible y sintetizadores de frecuencia integrados, simplificando el diseño al proporcionar una interfaz digital configurable a un procesador o FPGA. Los chips operan en el rango de 70 MHz a 6 GHz, cubriendo la mayoría de las bandas con y sin licencia, y admiten anchos de banda de canal desde menos de 200 kHz hasta 56 MHz modificando la frecuencia de muestreo, los filtros digitales y la decimación, todo ello programable en los dispositivos AD9361 y AD9364.⁷ La figura 2 muestra el diagrama de bloques de un dispositivo AD9361.

Para ayudar a los clientes a reducir el tiempo de comercialización y el esfuerzo general de desarrollo, Analog Devices ha dado un paso más al proporcionar soluciones SDR dentro de un ecosistema completo de conectividad FPGA transparente, lo que permite un entorno rápido de desarrollo y creación de prototipos para diseñar sistemas de radio completos. Las placas de desarrollo rápido y prototipado AD-FMCOMMSx-EBZ son una familia de módulos FMC analógicos de alta velocidad, que incorporan los CI transceptores de RF ágiles AD9361 o AD9364 o una cadena de señales discretas que se conectan sin problemas al ecosistema de la plataforma de desarrollo FPGA de Xilinx. Estas placas son totalmente personalizables por software sin necesidad de modificar el hardware y vienen con controladores de software descargables para Linux y bare metal, esquemas, documentos de referencia de la disposición de la placa y ayuda para el diseño, todo ello contenido en sus respectivos sitios wiki de Analog Devices. La Tabla 1 resume las características de las distintas plataformas de la FMCOMMSx.

Tabla 1. Plataformas FMCOMMSx

Plataforma de prototipado rápido Zynq SDR

Diseño de referencia

Con las plataformas FMCOMMSx, Analog Devices proporciona un marco Vivado completo, con una infraestructura de software Linux y bare metal que puede utilizarse tanto para la creación de prototipos como para formar parte del sistema de producción final. La Figura 3 muestra la infraestructura Zynq de Analog Devices que admite placas FMCOMMSx.

Este diagrama de alto nivel muestra cómo se particiona el diseño de referencia de ADI en un SoC Xilinx Zynq. Se utiliza una salida HDMI para mostrar la interfaz de Linux en un monitor, mientras que se puede conectar un teclado y un ratón al sistema a través de un puerto USB 2.0. El sistema de procesamiento ARM Cortex-A9 se ejecuta en Ubuntu Linux proporcionado por Analog Devices. Esto incluye los controladores Linux IIO necesarios para interactuar con el hardware FMCOMMS de Analog Devices, el osciloscopio IIO (Scope)⁸ aplicación de espacio de usuario para la supervisión y el control, un servidor libiio⁹ que permite la adquisición de datos en tiempo real y el control del sistema a través de TCP con clientes que se ejecutan en un ordenador remoto, y aplicaciones de usuario opcionales que integran el código C generado por el codificador integrado para el modelo Simulink del controlador.

Infraestructura de software

Todos los controladores de ADI para Linux se basan en el subsistema de E/S industrial de Linux (IIO), que ahora se incluye en todos los principales núcleos de Linux. El subsistema IIO es una aplicación Linux de código abierto desarrollada por Analog Devices que se ejecuta en el doble ARM Cortex-A⁹ dentro del Xilinx Zynq y tiene la capacidad de mostrar datos en tiempo real adquiridos desde cualquier FMC de Analog Devices conectado a la plataforma Xilinx Zynq. Los datos pueden mostrarse en forma de gráfico en el dominio del tiempo, en el dominio de la frecuencia o en constelación. Se admiten varios formatos de archivo populares, como valores separados por comas o archivos de datos MATLAB .mat, para guardar los datos capturados para su posterior análisis. El IIO Scope proporciona una interfaz gráfica de usuario para editar o reproducir la configuración de los FMC de Analog Devices. El servidor libiio permite la adquisición de datos en tiempo real y el control del sistema a través del Protocolo de Control de Transmisión (TCP) con clientes que se ejecutan en un ordenador remoto.¹⁰ El servidor se ejecuta en un objetivo embebido de Linux y gestiona el intercambio de datos en tiempo real a través de TCP entre el objetivo y un cliente remoto. La biblioteca se abstrae de los detalles del hardware de bajo nivel y proporciona una interfaz de programación sencilla pero completa que puede utilizarse para proyectos avanzados. Su arquitectura modular, su API bien diseñada y sus capacidades de conexión en red integradas permiten a los usuarios crear aplicaciones que se ejecutarán en el sistema no sólo cuando los dispositivos IIO estén conectados, sino también de forma remota a través de la red. Originalmente pensada para Linux, ahora puede utilizarse también en Windows utilizando el back-end remoto de la biblioteca. Escrito en C y con licencia LGPL, ofrece enlaces para C#, Python y MATLAB. Un cliente MathWorks IIO¹¹ está disponible como objeto del sistema para su integración en aplicaciones nativas de MATLAB y Simulink. Está diseñado para intercambiar datos a través de Ethernet con un sistema de hardware ADI conectado a una plataforma FPGA/SoC que ejecute la distribución Linux ADI, permitiendo que un modelo MATLAB o Simulink realice las siguientes funciones

• Flujo de datos hacia y desde un objetivo

• Controla los parámetros de un objetivo

• Controla los distintos parámetros del objetivo

El objeto de sistema IIO está disponible tanto en MATLAB como en Simulink, dependiendo de si el usuario lo llama desde un script de MATLAB o lo incorpora a un bloque de sistema de MATLAB. El software Linux y la infraestructura HDL proporcionados por ADI para las plataformas FMCOMMS proporcionan un entorno excelente para la creación de prototipos de aplicaciones SDR con las herramientas proporcionadas por MathWorks y Xilinx, y también contienen componentes listos para la producción que pueden integrarse en el sistema SDR, reduciendo el tiempo y el coste necesarios para pasar del concepto a la producción.

Para ayudar a los clientes a pasar rápida y fácilmente a la producción con el objeto de sistema IIO, ofrecemos varios ejemplos de MATLAB y Simulink basados en esta interfaz, como un receptor de tramas de balizas,¹² Emisor y receptor QPSK,¹³ y un transmisor y receptor LTE.¹⁴ En estos ejemplos, las plataformas FMCOMMSx son configuradas por IIO System Object, y se utilizan como frontales de RF, que transmiten o reciben señales analógicas por el aire. Estas señales se transmiten continuamente hacia o desde el objetivo a través del Objeto del Sistema IIO. El resto del procesamiento de la señal se realiza en MATLAB o Simulink. La figura 4 es una captura de pantalla del ejemplo del receptor de tramas de balizas, que muestra una conexión típica entre el objeto del sistema IIO y los demás bloques de Simulink.

Soporte de MathWorks para Zynq

El soporte de MathWorks para el RDC basado en Zynq cubre los cuatro aspectos siguientes:

1. Modelo Simulink AD9361

Como el AD9361 es un chip transceptor de RF integrado, no es posible realmente sondear la señal y controlar el funcionamiento interno. Por esta razón, MathWorks y Analog Devices han codificado un modelo SimRF™ del AD9361 que simula el funcionamiento del chip para que los clientes puedan ver exactamente lo que ocurre bajo el capó y cómo funciona el chip en diversas condiciones de prueba que son difíciles de reproducir en la vida real SimRF proporciona una biblioteca de componentes y un motor de simulación para el diseño de sistemas de radiofrecuencia utilizando bloques equivalentes de banda base o de circuitos, como amplificadores, mezcladores y bloques de parámetros S. Es una herramienta útil y adecuada para modelar el transceptor de RF AD9361. El modelo de transceptor de RF a nivel de sistema Agile AD9361, que se muestra en la Figura 5, reproduce exactamente la funcionalidad del AD9361 y está disponible para los usuarios como paquete de soporte de hardware de MathWorks.¹⁵

Los modelos SimRF se han validado en el laboratorio con mediciones del espectro de potencia. Se identifican las características de ruido y no linealidad del transceptor a diferentes frecuencias y niveles de potencia. A continuación, los modelos se diseñan para generar las mismas caracterizaciones, validándolas en toda la gama de diseño.

Con los modelos SimRF del transceptor AD9361, los usuarios pueden hacer lo siguiente

• Predicción del impacto de las imperfecciones de RF en las señales de prueba

• Utiliza tonos de referencia y señales LTE

• Genera o importa vectores de prueba y evalúa los efectos de la no linealidad, el ruido, el desequilibrio de ganancia y fase, las fugas espectrales y otras imperfecciones introducidas por el transmisor y el receptor de RF

• Añade señales espurias y evalúa los resultados en el dominio del tiempo o de la frecuencia

2. Funciones del kit de herramientas de sistemas de comunicaciones y DSP

Productos de MathWorks como el Kit de herramientas de sistemas de comunicación,^™16 Caja de herramientas de procesamiento de señales,^™17 Caja de herramientas del sistema DSP,^™18y SimRF¹⁹ proporcionar algoritmos y aplicaciones estándar del sector para analizar, diseñar y ajustar sistemáticamente los sistemas SDR. Todas estas herramientas proporcionan los medios para crear modelos SDR de alta fidelidad que pueden utilizarse para verificar el comportamiento y el rendimiento del comunicaciones antes de pasar a la ejecución física propiamente dicha.

3. Flujo de trabajo de Simulink para Zynq

MATLAB y Simulink de MathWorks son entornos para la simulación multidominio y el diseño basado en modelos que son muy adecuados para simular sistemas SDR con algoritmos de comunicación. Los algoritmos de comunicación ajustan la ganancia, el desfase de frecuencia, el desfase de tiempo y otras variables de rendimiento, a menudo para mejorar la sincronización entre los sistemas de transmisión y recepción. La evaluación de los algoritmos de comunicación mediante la simulación es una forma eficaz de determinar la idoneidad de los diseños de los SDR y de reducir el tiempo y el coste del desarrollo de los algoritmos antes de emprender costosas pruebas de hardware. La figura 6 describe un flujo de trabajo eficaz para diseñar un algoritmo de comunicación siguiendo estos pasos:

• Construye modelos SDR precisos utilizando las bibliotecas que proporciona el entorno de diseño basado en modelos.

• Simula el comportamiento del sistema para verificar que éste funciona como se espera.

• Genera código C y HDL para pruebas e implementación en tiempo real.

• Prueba los algoritmos de comunicación utilizando hardware de prototipos.

Una vez que se ha demostrado que el rendimiento del sistema SDR es satisfactorio mediante la simulación y las pruebas en el hardware de prototipos, es posible tomar la implementación del sistema y desplegarlo en el sistema de producción final.

4. Integración de la plataforma Simulink con el kit Zynq SDR

Una vez que el sistema SDR se ha verificado por completo en el entorno de simulación utilizando herramientas como el Codificador Integrado^®20 y el Codificador HDL^™21 de MathWorks, el usuario puede generar código C con Embedded Coder y VHDL o Verilog con HDL Coder, y luego desplegar el código en el hardware de prototipos para probarlo, y después en el sistema de producción final. En esta fase, se especifican los requisitos de implementación del software y del hardware, como el comportamiento en punto fijo y la temporización. La generación automática de código reduce el tiempo necesario para pasar del concepto a la implementación real del sistema y evita la introducción de errores de codificación manual, garantizando así que la implementación real del SDR coincida con el modelo. La figura 7 ilustra un proceso real de los pasos necesarios para modelar un sistema SDR en Simulink y transferirlo al sistema de producción final basado en un SoC Xilinx Zynq.

El primer paso es modelar y simular el sistema SDR en Simulink. En esta fase, el algoritmo de comunicación se divide en bloques que se implementarán en el software y bloques que se implementarán en la lógica programable. Una vez completada la partición y la simulación, el modelo SDR se convierte en código C y HDL mediante Embedded Coder y HDL Coder. Se utiliza un sistema de prototipos basado en Zynq para verificar el rendimiento del algoritmo de comunicación y para ayudar a perfeccionar el modelo SDR antes de pasar a la fase de producción real. En la fase de producción, el código C y el HDL generados automáticamente se integran en el complejo entramado del sistema de producción. Este flujo de trabajo garantiza que, una vez que el algoritmo de comunicación llega a la fase de producción, está totalmente verificado y probado, y proporciona un alto nivel de confianza en la solidez del sistema. Los paquetes de soporte de hardware Zynq para Embedded Coder y HDL Coder facilitan la programación de la plataforma Zynq al proporcionar un marco para el diseño integrado de hardware/software, la simulación y la verificación que integra el diseño basado en modelos en el flujo de trabajo, lo que permite ciclos rápidos de iteración del diseño y ayuda a detectar y corregir rápidamente los errores de diseño y especificación.²²

Conclusiones

Este documento ha ilustrado los requisitos y las tendencias de los sistemas SDR modernos, así como las herramientas y los sistemas que MathWorks, Xilinx y Analog Devices están sacando al mercado para satisfacer estos requisitos y ayudar a crear mejores soluciones SDR. Al combinar el diseño basado en modelos y las herramientas de generación automática de código de MathWorks con los potentes SoCs Xilinx Zynq y los transceptores de RF integrados de Analog Devices, el diseño, la verificación, las pruebas y la implementación de los sistemas SDR pueden ser más eficientes que nunca, lo que se traduce en sistemas de radio de mejor rendimiento y en una mayor rapidez de comercialización. Las plataformas FMCOMMS de Analog Devices, combinadas con el SoC Zynq-7000 AP de Avnet, proporcionan un excelente entorno de creación de prototipos para los algoritmos SDR diseñados con MATLAB y Simulink de MathWorks. Las plataformas FMCOMMS van acompañadas de un conjunto de diseños de referencia de código abierto para proporcionar un punto de partida a quien desee evaluar el sistema y ayudar a poner en marcha cualquier nuevo proyecto SDR.

En el siguiente artículo de esta serie, avanzaremos en el proceso de diseño del SDR examinando las características de las señales de Vigilancia Dependiente Automática (ADS-B) y explicando cómo decodificar su información en MATLAB/Simulink en la simulación.

Para obtener más información sobre los temas presentados en este artículo, la documentación, los vídeos y los diseños de referencia, consulta la sección Referencias.

Referencias

¹ "¿Qué es la radio definida por software?"Foro de Innovación Inalámbrica.

²Diseño basado en modelos. MathWorks.

³Zynq-7000 SoC totalmente programable. Xilinx.

⁴ Hill, Tom. "Los motores de accionamiento migran al Zynq SoC con ayuda de MATLAB." Revista Xcellnúmero 87, segundo trimestre de 2014.

⁵AD9361.

⁶AD9364.

⁷ "Soluciones de radio definida por software de Analog Devices" Analog Devices.

⁸Osciloscopio IIO. Wiki de Analog Devices.

⁹Libiio de Simulink. Wiki de Analog Devices.

¹⁰¿Qué es Libiio? Wiki de Analog Devices.

¹¹ Objeto del sistema IIO. Wiki de Analog Devices.

¹² Ejemplo de receptor de trama de baliza. Wiki de Analog Devices.

¹³ Ejemplo de transmisor y receptor QPSK. Wiki de Analog Devices.

¹⁴ Ejemplo de transmisor y receptor LTE. Dispositivos analógicos.

¹⁵ AD9361.

¹⁶ "Kit de herramientas de sistemas de comunicación." MathWorks.

¹⁷ "Caja de herramientas de procesamiento de señales." MathWorks.

¹⁸ "Kit de herramientas del sistema DSP." MathWorks.

¹⁹SimRF. MathWorks.

²⁰ "Codificador HDL." MathWorks.

²¹ "Codificador a bordo." MathWorks.

²² "Soporte de Xilinx Zynq desde Simulink." MathWorks.

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