FPGA in der Messtechnik Eine flexible Prüflösung für drahtlose Kommunikationsstandards

Autor / Redakteur: David Hall * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Im Vektorsignal-Transceiver der zweiten Generation von National Instruments arbeitet ein leistungsstärkerer FPGA. Die Prüflösung ist vor allem für die drahtlose Kommunikation interessant.

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Vektrosignal-Transceiver: Die zweite Generation des VST bietet eine Echtzeitbandbreite von 1 GHz.
Vektrosignal-Transceiver: Die zweite Generation des VST bietet eine Echtzeitbandbreite von 1 GHz.
(Bild: National Instruments)

Viele werden sich vielleicht noch daran erinnern, wie sie ihre erste Textnachricht erhalten oder die erste Webseite auf einem Mobiltelefon angesehen haben. Mittlerweile können Mobiltelefone selbst hochauflösende Videos innerhalb weniger Sekunden herunterladen und bieten höhere Datenübertragungsraten als die ersten Laptops. Bei den Mobilfunktechniken von morgen geht es jedoch um weit mehr als nur schnellere Downloadgeschwindigkeiten.

Innerhalb der nächsten zehn Jahre wird es zehnmal mehr vernetzte Geräte geben als vernetzte Menschen. Dafür braucht es Mobilfunkstandards, die neue Anwendungsgebiete unterstützen, um nicht mehr nur Menschen miteinander zu verbinden, sondern auch Dinge. Für das Testen von Endgeräten, die zukünftige drahtlose Techniken unterstützen, sind jedoch neue Messgeräte und neue Prüfansätze erforderlich. Genau deshalb arbeitet National Instruments ständig an der Weiterentwicklung seiner PXI-Plattform, damit Anwender und Kunden zukünftig ihre Hardware für drahtlose Kommunikation überprüfen können.

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Drei künftige Anwendungen drahtloser Kommunikation

Die Internationale Fernmeldeunion, kurz ITU, hat in ihrem für 2020 geplanten Mobilfunkstandard IMT-2020 (International Mobile Telecommunications in 2020) ganz klare Anforderungen für die drahtlosen Kommunikationstechniken der Zukunft definiert. Der Standard dient als technische Grundlage für 5G und unterteilt sich in drei spezifische Anwendungsgebiete (Bild 1). Auch wenn sich die hier festgelegten Anforderungen auf zukünftige Mobilfunkstandards beziehen, spiegeln sie gleichzeitig die geänderten Anforderungen für 802.11ad, 802.11ax, Bluetooth 5.0 oder NFC wider.

Im ersten Anwendungsgebiet „Enhanced Mobile Broadband“ werden die zukünftigen Netzwerkkapazitäten und Spitzendatenraten festgelegt. Das angestrebte Ziel liegt hier bei einem Downlink-Durchsatz von 10 GBit/s, was in etwa dem Hundertfachen von Single-Carrier-LTE entspricht. Das zweite Anwendungsgebiet „Massive Machine-Type Communication“ ist darauf ausgelegt, noch mehr Geräte an noch mehr Standorten kostengünstig drahtlos zu vernetzen. Beim dritten und letzten Anwendungsgebiet handelt es sich um „Ultra-Reliable Machine-Type Communication“, wobei es insbesondere auf eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit gepaart mit äußerst geringer Latenz ankommt.

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Praxisbeispiel mit dem VST: Der Autobauer Audi testet seine Radarsensoren

Bei dem Automobilhersteller Audi kam der VST beim Test von Radarsensoren zum Einsatz. Hier bot die angebotene Bandbreite und die latenzarme, softwaredesignte Architektur die Möglichkeit, gründlich und vor allem umfassend zu testen. Zudem waren die Entwickler bei Audi in der Lage, Probleme frühzeitig in der Designphase zu erkennen. Niels Koch, Component Owner Radar Systems bei Audi, fasst es zusammen: „Durch die anwenderseitige Programmierung des integrierten FPGAs zusammen mit LabVIEW konnten wir mit dem VST unterschiedliche Prüfszenarien zügig emulieren. Zudem lässt sich die
Sicherheit und Zuverlässigkeit beim autonomen Fahren weiter erhöhen.“

Für die drahtlosen Techniken von morgen sind nicht nur neue Kommunikationsstandards wie beispielsweise NB-IoT, 5G und 802.11ax erforderlich, sondern auch neue Verfahren, um Mobilgeräte zu entwerfen und zu testen. Da Standards wie 5G beispielsweise größere Bandbreiten nutzen werden, müssen auch die HF-Messgeräte entsprechend Schritt halten.

Darüber hinaus werden für Mehrantennentechniken wie MIMO und Beamforming modulare und flexible Messgeräte benötigt, die sich nach Bedarf skalieren lassen. Damit lassen sich unterschiedlichste Antennenkonfigurationen testen: von nur einer Antenne bis zu 8x8-MIMO und darüber hinaus. Und schließlich müssen die kostengünstigeren Funksysteme ebenso kostengünstig geprüft werden können. Das bedeutet, die Prüfsysteme der nächsten Generation müssen in der Lage sein, mehr parallele Tests in kürzerer Zeit durchzuführen.

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