Einsatz zur Entwicklung von MIMO-Systemen

Bild 1: Der HF-Transceiver USRP-29xx deckt den Frequenzbereich von 50 MHz bis 2,2 GHz ab. Für MIMO-Anwendungen verfügt er über eine Echtzeitbandbreite von bis zu 20 MHz mit Plug-and-play-Unterstützung. S. Best

Bei der Entwicklung von MIMO-Systemen (Multiple Input Multiple Output) mit vielen Antennen für Sendung und Empfang benötigt man eine entsprechende Anzahl an HF-Transceivern. Hier kommt der HF-Transceiver USRP-29xx (Bild 1) zum Einsatz, der den Frequenzbereich von 50 MHz bis 2,2 GHz abdeckt. Bild 2 zeigt das Innenleben des Transceivers mit den zwei Tochterkarten (Bild 3), die den eigentlichen HF-Transceiver beinhalten. Auf der Rückseite des Transceivers befinden sich die Schnittstellen für PCLe x4, Ethernet, GPS und den HF-Ein-und Ausgängen. Auf der Vorderseite (Bild 1) befinden sich die HF-Antennen-Anschlüsse und das Aux-I/O-Interface.

Bessere Frequenzgenauigkeit

Bild 2: Innenleben des USPR-29xx mit den zwei geschirmten HF-Transceiverbaugruppen, die den eigentlichen Transceiverteil ausmachen. National Instruments

In Bild 4 ist der Empfangs- und Sendeweg des USRP-29xx dargestellt. Der USPR ist kein Direktmischer-SDR, bei dem das Empfangssignal direkt am Antenneneingang digitalisiert wird. Bei ihm erfolgt die Digitalisierung des Signals erst nach dem Mischen in eine niedrigere Zwischenfrequenz. Der untere Empfängerpfad besteht aus zwei Schritten, zuerst die Verstärkung von schwachen, hochfrequenten Signalen und anschließend deren Umwandlung in niedrigere Frequenzen. In diesem Aufbau gelangt das Signal von einer RX-Antenne zunächst in den Low Noise Amplifier (LNA) und einstellbaren Driver Amplifier, um die Amplitude des Eingangssignals zu verstärken. Im nächsten Schritt wird das Signal direkt mithilfe eines LOs (Local Oscillators) und zwei Mixern in I-Q-Komponenten mit geringeren Frequenzen umgeformt. Ausgestattet sind die Geräte der Version NI USRP-293x mit einem GPS-getakteten, temperaturgesteuerten 10-MHz-Quarzoszillator (OCXO), der als Referenztakt fungiert. Der OCXO ist hundertfach genauer als ein temperaturkompensierter Standard-oszillator (TCXO). Die GPS-Taktung ermöglicht eine bessere Frequenzgenauigkeit sowie Synchronisation.

Bild 3: Innenleben der Transceiverbaugruppen mit HF-Sende- und Empfangszug. National Instruments

Anschließend werden die gewonnen I-Q-Komponenten zum 20-MHz-Tiefpassfilter geleitet, da das zuvor stattfindende Mischen unerwünschte Frequenzen erzeugt. Danach digitalisieren die ADCs (ADS62P48 Dual Channel, 14-Bit, 210 MSPS) mit einer Abtastrate von 100 MSamples/s. Mithilfe von DDC-Einheiten (Digital Downconversion) werden die I-Q-Daten in ihrer Abtastrate reduziert und paketweise über die 1-GB-Ethernet-Schnittstelle gestreamt. Die Aufbereitung des Sendesignals zum Ausgang TX 1 erfolgt rückwärts mithilfe ähnlicher Funktionsgruppen.

Fraktionale Verzögerungen beseitigen

Im FPGA (Xilinx 7 Familie XC7K325T / XC7K410T) erfolgt zuerst die Impairment Correction. Sie beseitigt Trägerfrequenz-, Samplingfrequenz- und DC-Offset sowie IQ-Imbalance. Es folgt eine weitere Frequenzumwandlung mit anschließendem Fractionalem Decimator, der fraktionale Verzögerungen der Signale beseitigt. Im nächsten Funktionsblock kommt die anwendungsspezifische Software zum Einsatz. Den Weg zu Labview, mit den Signalverarbeitungsalgorithmen zur Verarbeitung der Live-HF-Signale, finden die Basisbandsignale über ein DMA FiFo.

Bild 4: Blockschaltbild des Transceiverteils. National Instruments

Ein Team der Universitäten Bristol und Lund verfolgt das Ziel, Massive MIMO für Kapazitätssteigerungen um das mehr als zehnfache für künftige 5G-Netze zu testen. Hierfür nutzte man die erweiterbare NI-Plattform zur MIMO-Prototypenerstellung mit flexibler SDR-Hardware (Software-Defined Radio) in Form des HF-Transceivers USRP-29xx und offener rekonfigurierbarer Labview-Software und erhielt Unterstützung von der NI Advanced Wireless Research Group. Mithilfe des NI-MIMO-Prototyping-Systems konnte das Team die theoretischen Grundlagen von Massive MIMO unter realen Bedingungen umsetzen und zügig neue Ideen für die Implementierung der weltweit ersten Live-Demonstration eines echtzeitfähigen Prüfstands für Massive MIMO mit 128 Antennen testen. Über eine bidirektionale Echtzeitfunkverbindung mit 20 MHz Bandbreite und zwölf simultanen Nutzern erreichte das Team eine spektrale Effizienz von über 79 bit/s/Hz. Für eine spektrale Effizienz von über 145 bit/s/Hz wurde das System erweitert und.die Zahl der Nutzer, die sich dieselbe Zeit-Frequenz-Ressource teilen, auf 22 erhöht.

Bild 5: Durch Einsatz dieses modernen Prüfstands für Massive MIMO mit 128 Antennen und derselben Anzahl an UPRS-Geräten konnte ein Team bei der spektralen Effizienz zwei Weltrekorde in Folge aufstellen. Man erreichte über eine vollständig bidirektionale Echtzeitfunkverbindung mit 20 MHz Bandbreite und zwölf simultanen Nutzern eine spektrale Effizienz von über 79 bit/s/Hz. National Instruments

Der HF-Transceiver USRP-29xx wird von National Instruments für Preise ab 1050 Euro angeboten, der USRP-2950R mit GPS für 8481 Euro.

HF-Spezifikationen des USRP-SDR

Frequenzbereich 50 MHz bis 2,2 GHz

Rauschzahl

• 2 – 4 dB @ (50 MHz ~ 1,2 GHz)
• 4 – 8 dB @ (1,2 ~ 2,2 GHz)

RX IIP3 (maximal)

• 10 – 18 dBm

RX IQ Imbalance

• -30 dBc

TX Power (maximal)

• 18 – 20 dBm @ (50 MHz ~ 1,4 GHz)
• 12 – 18dBm @ (1,4 ~ 2,2 GHz)

TX OIP3

• 30 – 32 dBm @ (50 ~ 800 MHz)
• 25 – 30 dBm @ (800 MHz ~ 2,2 GHz)

TX IQ Imbalance

• -30 dBc @ (50 MHz ~ 1,9 GHz)
• – 24 dBc @ (1,9 ~ 2,2 GHz)

(ah)