AKMETEX ATCEBW — многоканальный эмулятор радиоканалов

AKMETEX ATCEBW — многоканальные широкополосные эмуляторы радиоканалов

Обзор серии

AKMETEX ATCEBW — серия многоканальных широкополосных эмуляторов радиоканалов бренда AKMETEX. Оборудование предназначено для лабораторного воспроизведения условий распространения радиосигналов, динамических изменений параметров радиолиний и моделирования многоканальных беспроводных сетей.

Система моделирует задержку распространения, доплеровский частотный сдвиг, амплитудное затухание, многолучевое распространение, замирания, атмосферные воздействия, шумы и помехи. Параметры отдельных линий связи могут задаваться независимо, что позволяет использовать AKMETEX ATCEBW как для испытаний отдельных радиоустройств, так и для моделирования многоканальных сетевых конфигураций.

AKMETEX ATCEBW применяется при разработке, верификации и испытаниях беспроводных систем, в том числе в задачах Massive MIMO, моделирования сложной электромагнитной обстановки и сетей спутниковых группировок.

Система воспроизводит воздействие замираний, эффекта Доплера, рельефа, метеоусловий и помех при взаимодействии аппаратуры связи, источников сигналов и средств постановки помех.

Конфигурации серии

Серия AKMETEX ATCEBW включает исполнения с 4, 8, 16 и 64 радиочастотными каналами. Поддерживается также сетевая конфигурация 32×32. 64-канальное исполнение размещается в корпусе высотой 22U.

Сетевые конфигурации

Поддерживаются сеть 64×64 с полосой 120 МГц, сеть 32×32 с полосой 500 МГц, групповые конфигурации 16×16 и 8×8 с полосой 500 МГц, а также смешанные конфигурации.

Функциональные возможности

Области применения: AKMETEX ATCEBW — многоканальный эмулятор радиоканалов

Технические характеристики серии

Технические параметры серии зависят от количества каналов, радиочастотного исполнения и установленной полосы обработки. Если для параметра указаны разные значения, они относятся к соответствующим конфигурациям оборудования.

Архитектура решения

Конфигурация устройства

Аппаратная платформа эмулятора радиоканалов построена на стандартной модульной архитектуре VPX и в основном включает блок обработки сигналов, 8-канальный блок приёма-передачи сигналов и блок синхронизации тактовых сигналов. В качестве рабочей платформы используются специализированный главный контроллер, высокоскоростная кросс-плата и блок питания. Вся аппаратная система оснащена периферийными устройствами промышленного класса, размещена в стандартном 19-дюймовом стоечном шасси и поддерживается полнофункциональной программной платформой. Совместная работа этих компонентов обеспечивает высокую производительность и надёжность системы.

Рис. 1. Состав оборудования 16-канального исполнения

Рис. 2. Состав оборудования 64-канального исполнения

Основные функции каждого блока приведены ниже.

8-канальный блок приёма-передачи сигналов

Каждый 8-канальный блок приёма-передачи сигналов состоит из 8 трактов приёма RF-сигналов и 8 трактов передачи RF-сигналов.

Приёмный RF-тракт выполняет приём сигнала, квадратурное понижающее преобразование частоты и дискретизацию сигнала основной полосы. RF-сигнал, поступающий через входной порт, проходит согласование уровня, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование (АЦП), после чего преобразуется в сигнал основной полосы и передаётся в блок обработки сигналов. Каждый сигнальный канал оснащён модулем синтеза частоты, что позволяет независимо задавать рабочую частоту. Благодаря этому каждый приёмный канал может работать на собственной частоте.

Рабочие частоты приёмных и передающих трактов задаются независимо с помощью настраиваемых синтезаторов частоты.

Передающий RF-тракт выполняет цифро-аналоговое преобразование, квадратурное повышающее преобразование частоты и формирование RF-сигнала. Сигнал основной полосы, поступающий от источника, обрабатывается с выполнением ЦАП-преобразования, повышения частоты и регулировки усиления, после чего выводится через RF-порт. Каждый сигнальный канал оснащён независимым модулем синтеза частоты, что позволяет индивидуально задавать рабочую частоту и обеспечивает независимую работу передающих каналов на разных частотах.

Блок обработки сигналов

Блок обработки сигналов соединяется с 8-канальным блоком приёма-передачи через разъём кросс-платы VPX. По высокоскоростной шине SERDES он принимает цифровые сигналы от RF-приёмника и выполняет моделирование задержки, доплеровского сдвига, затухания, фазового сдвига и многолучевого распространения. После обработки совокупной моделью канала сигналы проходят цифровую интерполяцию и фильтрацию, а затем передаются в RF-передающий блок через интерфейс VPX.

Синхронизация системы также реализуется платой обработки сигналов. При получении внешнего сигнала синхронизации или команды синхронизации от программного обеспечения управляющего компьютера плата одновременно распределяет их по всем RF-приёмным и передающим блокам, обеспечивая синхронное управление системой. Плата может принимать B-код от блока синхронизации BeiDou, декодировать его и синхронизировать системные часы с системой BeiDou. При отсутствии внешнего сигнала BeiDou в качестве системного времени используются часы управляющего компьютера.

Блок синхронизации тактовых сигналов

Отвечает за синхронизацию тактовых сигналов и времени всех модулей основного блока эмулятора радиоканалов.

Система принимает внешний временной код B (DC) для синхронизации времени. Платы обработки одновременно распределяют сигналы синхронизации между приёмными и передающими модулями.

Кросс-плата

Кросс-плата выполняет следующие функции:

Подсистема питания

Блок питания преобразует внешнее переменное напряжение в постоянное с помощью AC/DC-преобразования и обеспечивает питание всех плат и модулей от сети 220 В.

Главный блок управления

Главный блок управления выполняет программное обеспечение управления устройством и аналитическую подсистему. Он отвечает за отображение состояния, аварийную сигнализацию, управление и самотестирование эмулятора радиоканалов, предоставляет внешний интерфейс взаимодействия и обеспечивает управление, мониторинг и самодиагностику компонентов системы. Блок служит аппаратной платформой для системного программного обеспечения управления и человеко-машинного интерфейса.

Программная платформа интегрирована в главный блок управления и включает низкоуровневые драйверы, программное обеспечение моделирования каналов и человеко-машинный интерфейс. Она предоставляет драйверы и программную среду эмулятора радиоканалов, запускает прикладное программное обеспечение и выполняет управление файлами конфигурации, выбор испытательных каналов, настройку системных параметров, управление работой системы и функции пользовательского интерфейса. Через программный интерфейс пользователь задаёт параметры системы и обращается к справочным функциям, а ЖК-дисплей в реальном времени отображает состояние системы и аварийные сообщения.

Принцип работы

Эмулятор радиоканалов работает по принципу «программно задаваемые искажения — аппаратное выполнение в реальном времени». Сложные явления распространения электромагнитных волн преобразуются в вычисляемые цифровые модели, а сигналы обрабатываются в реальном времени конвейерным способом на высокопроизводительной аппаратной платформе. Благодаря этому обширная и неконтролируемая реальная беспроводная среда воспроизводится в лабораторном комплексе. Такое решение создаёт необходимую испытательную основу для быстрого развития технологий беспроводной связи.

Основные принципы и состав системы

Основная задача эмулятора радиоканалов — точно воспроизводить в контролируемой лабораторной среде различные виды искажений сигнала, возникающих в реальных беспроводных каналах. Принцип его работы основан на преобразовании идеального цифрового сигнала основной полосы в сигнал, подвергшийся реальным замираниям, задержке и воздействию помех, с помощью программно задаваемой и аппаратно реализуемой модели искажений канала.

При моделировании канала его характеристики должны определяться с учётом условий испытаний, положения терминалов и траекторий их движения. Расстояние между терминалами проявляется в виде временной задержки и ослабления сигнала, а относительное движение вызывает доплеровский сдвиг и доплеровское расширение спектра. Изменение положения терминалов приводит к изменению маршрутов распространения сигнала. Разным условиям моделирования соответствуют различное число многолучевых составляющих и разные типы замираний.

Основные компоненты системы и потоки данных показаны на схеме ниже.

Рис. 3. Схема принципа работы устройства

Подробный принцип работы и поток обработки сигналов

Эмуляторы поддерживают многолинейный и сетевой режимы. В многолинейном режиме порты соответствуют друг другу: IN1 → OUT1, IN2 → OUT2, …, INX → OUTX. В сетевом режиме любой входной сигнал может быть направлен на произвольный выход с наложением заданных характеристик радиоканала. В 64-канальном исполнении формируется сеть из 64 входных и 64 выходных каналов.

Поток обработки сигналов для каждой линии связи показан на следующей схеме.

Рис. 4. Схема обработки сигнала одной линии связи

Поток обработки сигнала выглядит следующим образом.

Для внешнего входного RF-сигнала задаются частота и полоса пропускания в соответствии с параметрами, установленными пользователем. Затем выполняются квадратурное преобразование, фильтрация и регулировка амплитуды RF-сигнала, чтобы обеспечить соответствие требованиям к дискретизации АЦП в блоке цифровой обработки сигналов.

В каждом канале выполняется моделирование параметров принятого сигнала, включая большую и малую задержку, многолучевое распространение с относительными задержками, затуханием и замираниями, доплеровский сдвиг, воздействие помех и амплитудное затухание.

Затем выполняется суммирование нескольких сигналов, после чего через ЦАП формируется аналоговый IQ-сигнал.

RF-передающий модуль выполняет повышающее преобразование частоты и регулировку амплитуды аналогового сигнала, после чего выводит сформированный RF-сигнал.

Конструкция оборудования

Исполнение устройства

В составе оборудования используется модульная архитектура VPX. Для 64-канальной системы предусмотрен стандартный стоечный корпус высотой 22U. Высокоскоростная кросс-плата обеспечивает межплатную передачу сигналов. Модульная конструкция облегчает сборку, демонтаж и устранение неисправностей.

Внешний вид шасси показан на рисунке ниже.

Рис. 5. Внешний вид шасси

Внешние интерфейсы

В состав внешних интерфейсов входят радиочастотные порты, вход и выход опорной частоты, вход и выход запуска, интерфейсы дистанционного управления и временной синхронизации, а также разъём электропитания.

Исполнения серии

8-канальное исполнение

8-канальное исполнение оснащается восемью входными и восемью выходными радиочастотными каналами. Частоты приёма и передачи могут настраиваться независимо. Для подключения каналов предусмотрены радиочастотные разъёмы SMA.

В 8-канальном исполнении поддерживаются многолинейное и сетевое моделирование, независимая настройка каналов и импорт внешних траекторий и моделей.

Рис. 6. Сетевая коммутация 8-канального эмулятора

Интерфейсы 8-канального исполнения

Интерфейсы восьмиканального исполнения показаны на рисунке ниже.

Рис. 7. Схема внешних интерфейсов 8-канального исполнения

16-канальное исполнение

В 16-канальном исполнении предусмотрена синхронная работа всех 16 приёмопередающих (TRX) каналов при заданной полосе сигнала. Поддерживаются MIMO 4×4, однонаправленная и двунаправленная конфигурации эмуляции радиоканала.

Каждая плата обработки сигналов содержит четыре ПЛИС (FPGA). Две платы совместно обеспечивают моделирование 16 входных сигналов и нескольких выходных каналов. Платы соединены оптоволоконными интерфейсами для высокоскоростного обмена данными.

64-канальное исполнение

64-канальное исполнение содержит 64 входных и 64 выходных радиочастотных тракта. Система построена на модульной архитектуре VPX и включает восемь восьмиканальных приёмопередающих модулей, восемь плат обработки сигналов, блоки синхронизации, управления и электропитания, а также высокоскоростную кросс-плату.

Каждая плата обработки содержит четыре FPGA. Восемь плат совместно моделируют связи между 64 входными каналами и выходами остальных каналов. Для обмена данными используются оптоволоконные интерфейсы; управление системой осуществляется по PCIe. Аппаратные модули размещаются в корпусе высотой 22U. Блок синхронизации тактовых сигналов обеспечивает фазовую согласованность всех каналов.

Группа RF-модулей выполняет повышающее преобразование сигналов основной полосы в RF-сигналы и понижающее преобразование RF-сигналов в сигналы основной полосы. В системе предусмотрено 64 физических тракта повышающего и понижающего преобразования. Рабочая частота каждого канала настраивается независимо.

Рис. 8. Внешний вид корпуса 64-канального исполнения

Интерфейсы 64-канального исполнения

Интерфейс программного обеспечения

Создание сценария моделирования

Основные параметры

Рис. 9. Основные параметры

На странице основных параметров задаются параметры симуляции. Назначение параметров приведено ниже.

Модель канала

Интерфейс модели канала предназначен главным образом для задания параметров моделируемой линии связи, включая задержку, доплеровский сдвиг и другие параметры траектории, а также параметры модели канала и модели теневого замирания.

Рис. 10. Интерфейс модели канала

Рис. 11. Интерфейс настройки модели канала, 64-канальное исполнение

Описание параметров приведено в таблице ниже.

Для каждого входного и выходного порта задаются частота, мощность, полоса и пик-фактор входного сигнала; на выходном интерфейсе допускается добавление помехи.

Рис. 12. Выбор пользовательской модели канала

В параметрах выходного порта можно задать выходную мощность, групповую задержку и параметры помех для данной линии связи.

Рис. 13. Настройки выходного порта

Рис. 14. Настройка выходного порта, 64-канальное исполнение

В параметрах входного порта можно задать мощность и частоту входного сигнала.

Рис. 15. Настройки входного порта

Подтверждение параметров

Рис. 16. Подтверждение параметров

Интерфейс подтверждения параметров фактически представляет собой сводную страницу, на которой можно просмотреть большую часть ранее заданной информации о канале. После подтверждения можно перейти к интерфейсу моделирования.

Запуск моделирования

Перейти к интерфейсу выполнения моделирования можно тремя способами:

Строка меню интерфейса моделирования состоит из функциональных модулей File, Operation, Simulation Settings, Window и Log. Модуль File предназначен для управления файлами моделирования, включая их открытие и закрытие. Модуль Operation управляет запуском и остановкой цепочек моделирования. Модуль Window отображает параметры моделирования и формы сигналов, а раздел настроек позволяет изменять параметры в процессе моделирования. Модуль Window также используется как область отображения графиков моделирования, а модуль Log показывает сведения об аномальных состояниях системы.

Рис. 17. Панель инструментов работы с файлами

Операции с файлами сценариев

Меню «Файл»: «Открыть», «Закрыть», «Сохранить», «Сохранить как» и «Недавние файлы». Команда «Сохранить как» создаёт файл сценария формата .rsim под другим именем.

Операции

Рис. 18. Панель инструментов управления моделированием

Run — запуск моделирования.

Pause — приостановка моделирования в текущем состоянии без обновления CIR; аппаратная часть сохраняет параметры, действовавшие в момент паузы.

Stop — завершение текущего моделирования.

Trigger Settings — выбор режима запуска в соответствии с требованиями пользователя: по умолчанию, по сети, от внешнего сигнала или по расписанию (опция).

Настройки моделирования

Для линии связи можно изменять центральную частоту сигнала, параметры траектории, модель канала и атмосферные параметры.

Рис. 19. Интерфейс настройки параметров линии связи при выполнении моделирования

Для входного порта можно задать мощность входного сигнала эмулятора радиоканалов.

Рис. 20. Интерфейс настройки входного порта при выполнении моделирования

Для выходного порта можно задать мощность выходного сигнала эмулятора радиоканалов.

Рис. 21. Интерфейс настройки выходного порта при выполнении моделирования

Отображение осциллограмм

Рис. 22. Интерфейс отображения осциллограмм

С помощью значка быстрого доступа Waveform Display можно перейти в интерфейс Run Simulation > Waveform Display.

В строке меню View нажмите Chart Layout > Add Chart, чтобы настроить компоновку страницы отображения.

Инструменты моделей

Инструменты моделей предназначены для создания и редактирования моделей канала и моделей теневого замирания.

Пользовательская модель (.tap)

Для создания новой модели выберите File > New, как показано ниже.

Рис. 23. Создание новой модели в Model Tools

Рис. 24. Интерфейс основных параметров новой модели канала

Интерфейс новой модели канала, создаваемой с помощью инструментов моделей, состоит из трёх основных областей: области отображения пути к файлу модели, области графического отображения импульсной характеристики канала и области параметров интерфейса. Назначение параметров приведено ниже.

Рис. 25. Интерфейс многолучевых параметров модели канала

Рис. 26. Интерфейс редактирования многолучевых параметров модели канала

Кнопки Add и Delete позволяют увеличивать или уменьшать количество многолучевых трасс; поддерживается до 24 трасс. Чтобы изменить параметры конкретной трассы, выберите её и нажмите Edit.

После редактирования нажмите Confirm для сохранения изменений. Параметры интерфейса редактирования многолучевых составляющих приведены ниже.

Модель теневого замирания (.shd)

Перейдите в меню New, как показано ниже.

Рис. 27. Выбор модели теневого замирания

Выберите тип модели и нажмите Confirm. После этого откроется интерфейс создания новой модели, показанный на следующей странице.

Рис. 28. Интерфейс редактирования модели теневого замирания

После редактирования модели теневого замирания нажмите Save, чтобы сохранить её, либо Save As, чтобы выбрать путь сохранения.

Описание параметров модели теневого замирания

Параметры логнормальной модели

Параметры пилообразной и треугольной моделей

Параметры синусоидальной модели

Пользовательскую модель теневого замирания можно задавать непосредственно в интерфейсе, как показано далее, либо импортировать из внешнего файла данных.

Рис. 29. Интерфейс редактирования пользовательской модели теневого замирания

Модель 3GPP (.gpp)

Щёлкните пункт меню New, как показано ниже.

Рис. 30. Интерфейс создания модели 3GPP

Модель 3GPP включает два типа: 3GPP-CDL и 3GPP-TDL.

К категории 3GPP-CDL относятся модели CDL_A, CDL_B, CDL_C и CDL_D.

К категории 3GPP-TDL относятся модели TDL_A, TDL_B, TDL_C, TDL_D и TDL_E.

Рис. 31. Тип CDL

Рис. 32. Тип TDL

Параметры включают параметры канала, параметры терминала и параметры спутника.

Модель космическо-наземной линии связи ITU-R

Выберите пункт New, как показано ниже.

Рис. 33. Интерфейс создания модели космическо-наземной линии связи ITU-R

Модели космическо-наземной линии связи ITU-R подразделяются на четыре типа: P.618, P.619, P.676 и P.681.

Рис. 34. Классификация моделей космическо-наземной линии связи ITU-R

Настройка параметров включает тип модели, параметры наземной станции и параметры спутника.

Классическая спутниковая модель (.cla)

Перейдите в меню New, как показано ниже.

Рис. 35. Интерфейс создания классической спутниковой модели

Классические спутниковые модели включают: Loo, Corazza, Abdi, Lutz и LRR.

Рис. 36. Классификация классических спутниковых моделей

Настройка параметров включает тип модели и параметры модели LRR.

Модель крупномасштабных замираний COST 207 (.lar)

Рис. 37. Выбор модели крупномасштабных замираний COST 207

Настройка параметров классификации модели крупномасштабных замираний COST 207.

Рис. 38. Параметры модели крупномасштабных замираний COST 207

Система может обрабатывать данные в реальном времени от стороннего программного обеспечения и передавать данные линии связи «спутник–земля», имитируя реальный радиочастотный канал между спутниками и наземными станциями.

Настройка программного обеспечения эмулятора каналов

Выберите «Real-time Trajectory» в области параметров линии связи, чтобы настроить частоту и мощность входных и выходных портов.

Рис. 39. Страница настроек траектории в реальном времени

Настройка стороннего программного обеспечения

Создайте сцену и добавьте спутники, наземные станции, пользовательские терминалы, антенны и линии связи. Количество добавленных линий связи и центральная частота должны соответствовать настройкам в программном обеспечении эмулятора каналов.

Рис. 40. Страница настройки стороннего программного обеспечения