Annons

Mängden mätdata exploderar

Just nu exploderar mängden mätdata i världen.
– Utvecklingen innebär en revolution och utmaningarna ligger ni i att ta samla in och analysera alla data, sade Charles Schroeder i sitt inledningsanförande på National Instruments årliga event NIDays, i Stockholm.

– Den största mängden data är ostrukturerad, sade han. Vi talar om i storleksordningen 22 exabytes data.
National Instruments lösning kan generellt sett beskrivas i form av hårdvara i form av kombinationen A/D-omvandlare, FPGA och CPU, styrd av LabView. Denna typ av hårdvara, i familjen CompactRIO, används idag inom vindkraftverk.
För att öka kapaciteten i att analysera insamlade data har NI nu kompletterat serien med en 4-kärnig processormodul.

Analysera data lokalt
En allmän trend är att analysera data så tidigt som möjligt – helst genast efter A/D-omvandlingen. Det låter sig göras i efterföljande FPGA, som signalbehandlar, och CPU, som styr förloppet.
Företaget Jaguar Landrover, JLR, har gjort massiva investeringar i datainsamling. Till en början analyserade man 10 procent av den enorma mängden insamlade data, som uppgår till 500 GBytes/dag. Man beslöt sig att försöka öka den kvoten och efter ett års intensiv utveckling analyserar man nu 95 procent av insamlade data.
Hårdvaran består till stor del av CompactRIO-system. Till hjälp har man bland annat Diadem 2015, som är en programvara som används speciellt inom komplexa elektromekaniska system inom bil- och flygindustrierna.
Den brasilianska flygplantillverkare Embraer har exempelvis använt PXI-system och programvaran Diadem för 25 000 timmars simulerad flygtid.

PXI utvecklas
Det var National Instruments som tog initiativet till PXI-standarden. Idag har NI 600 PXI-moduler att välja mellan i sitt sortiment!
Ett stort steg i utvecklingen tog man 2011 då man lade in FPGA för att kunna utföra lokal signalbehandling och analys. Det leder också till att man kraftfullt kan reducera de datamängder som skall föras vidare.

Snabbare dataflöde
Men i många applikationer räcker det inte med det. Därför har NI i år tagit steget till en tredje generationens bakplan i PXI-ram med 18 ”slot”. Modellen betecknas PXIe-1085. Bakplanet kan i det överföra 22 GByte/s! Och för att kunna ta hand om dessa datamängder har man dessutom introducerat en CPU-modul med åtta kärnor.
Ytterligare en intressant PXI-modul kom under våren från NI. Det är modulen PXIe-4139 – en SMU, Source Measurement Unit, som har en känslighet ned till 100 fA tack vare extremt lågt brus. Den används bland annat av halvledarindustrin för testsystem.

2012 kom VST
– Vektorsignaltransceivern VST är den mest lyckade PXI-modulen någonsin, säger Jeremy Twaits, senior marketing engineer, RF & Communications, Northern Europe.

Jeremy Twaits

Det är en signalanalysator för frekvenser mellan 65 och 6 GHz och med 80 MHz bandbredd. Den har I/Q-gränssnitt och med efterföljande signalbehandling i FPGA. Uppdelningen i vektorer (I och Q) innebär att enheten i princip kan ta emot valfri modulationstyp med hjälp av passande programvara. Därmed kan VST bilda basen i ett generellt användbart system för mätningar på mottagare och sändare.
Vektorsignalanalysatorn (VSA, Vector Signal Analyzer) PXIe-5668R tar in frekvenser ända upp till 26,5 GHz.
– Särskilt intressant är den stora bandbredden: 765 MHz! Det innebär att den inte bara kan ta in en komplett kanal för IEEE-802.11 AC, utan även vad som händer i sidbanden, påpekar Jeremy Twaits.
Han nämner andra användningsområden som i system för navigation, digital video, militär, flyg, rymdfärd och signalspaning.
Internt utför modulen signalbehandling i FPGA. Samplingen görs med 2 GSa/s med 12 bit upplösning.

FPGA viktig komponent
– FPGA är ett nyckelelement som på kort tid kan ge svar vid analys av exempelvis frekvenshoppande system och störsändare. Bandbredden, 765 MHz, är den högsta på marknaden för en vektoranalysator. Det är viktigt inte minst med tanke på de allt kortare radarpulser om förekommer.
Jeremy Twaits nämner ett exempel på där VSA används. Det är i test av ett system där Qualcomm använder sex förstärkare i serie. Varje förstärkarsteg kan ha 8 förstärkningsfaktorer vilket innebär att konstellationen uppvisar 68 kombinationer! För att inte datamängderna vid test skall bli för stora analyserar man varje mätresultat i FPGA innan man mäter på nästa förstärkningsläge.
En mätsekvens av detta slag, med 68 mätningar, skulle ta mycket lång tid med ”rack & stack”-instrument med tanke på de långa omkopplinstiderna.
– Dessutom kan det vara vanskligt att jämföra mätningar mellan olika system, med tanke på olika kabellängder och kalibrering av de ingående instrumenten. Att använda en och samma instrumentering gör det enklare att få korrektare resultat.

Multiport
MIMO komplicerar bilden betydligt. Med mängder av radiokanaler, upp till 100 som i ett projekt vid Lunds universitet, är alla signalers faslägen och synkronisering mycket kritiska.
Test av GPS-mottagare kan vara krävande genom att mottagarens brusgolv ligger så lågt. Och för att testa en GPS-mottagare måste denna ha ett kommando.
– Det låter sig göras med en ”plug in” i programvaran Teststand, berättar Jeremy Twaits.

Högre frekvenser
Hittills sker det mesta inom radio- och trådlös datakommunikation på frekvenser under 6 GHz. Men behovet av ökad bandbredd, bland annat för att förverkligha 5G, leder till att man måste ta högre frekvenser i anspråk. Det gäller inte bara inom cm-våglängder, dvs mellan 6 och 30 GHz, utan även för millimetervågor, som i E-banden kring 71, 76, 81 och 86 GHz.
På årets NiWeek, arrangerat av National Instruments i Austin, demonstrerade man 2,3 Gbit/s överföring på 73 GHz, eller 10 Gbit/s i ett 2×2 MIMO-system på samma frekvensband.
Samsung har byggt en demonstrator som arbetar på millimetervåg och som kan beskrivas som ett ”full dimension MEMO”, FD-MIMO, vilket innebär att MIMO kombineras med styrning av antennloben (”beam forming”) i såväl azimut som elevation.
Systemet är byggt kring National Instruments mjukvarudefinierade (SDR) transceiver USRP RI0. Den presenterades förra året och innehåller FPGA för signalbehandling. Ursprungligen var bandbredden 40 MHz, men i år har den utökats till 120 MHz.
Jeremy Twaits ger också andra exempel på där National Instruments produkter används inom forskning och utveckling: Nokia Networks använder bland annat PXI-moduler och FlexRIO tillsammans med moduler för att blanda ned högre frekvenser i ett system för millimetervåglängder (73 GHz). Och professor Ted Rappaport, New Yorks universitet, har byggt upp ett liknande testbädd för forskning kring vågutbredning. Med det undersöker man påverkan av reflekterade signaler, fading, spurioser mm.

Modulationstest för 5G
Vid det tekniska universitetet i Dresden undersöker man vilken typ av modulation man skall använda för 5G, för att bana väg för samexistens med 4G. Projektet kallas ”5G NOW”, där NOW står för Non Orthogonal Waweforms och modulationen går under begreppet GFDM, Generalized Frequency Division Multiplexing. GFDM är en av de nya kandidaterna för vågform för 5G. Speciellt utmärkande är att läckaget i grannkanalerna (ACLR) är lägre än för OFDM.
En mycket viktig byggsten i alla dessa system är utvecklingsverktyget LabVIEW Communication. Denna grafiska programvara är en ”verktygsuppsättning” för att simulera, mäta och skapa modulerade signaler. Man har också möjlighet att lägga in algoritmer i form av .M- och C-filer.
– Med mjukvarudefinierade radiosystem som USRP eller FlexRIO kan man sedan undersöka hur olika modulationstyper påverkar t ex fördröjning, bandbredd. Tack vare goda möjligheter till snabba omställningar mellan olika koncept vinner man tid för att finna en optimal lösning, avslutar Jeremy Twaits.

Comments are closed.