česky english Vítejte, dnes je sobota 04. prosinec 2021

Úvod do kosimulace s LabVIEW a AWR Visual System Simulatorem

Úvod

Návrhové prostředí AWR (AWRDE) je sada nástrojů na úrovni obvodů a systémů, které zvyšují produktivitu techniků zabývajících se návrhem mikrovlnných systémů. Návrhové prostředí zahrnuje produkty, jako jsou:

  • Microwave office pro schémata a layout
  • AXIEM pro elektromagnetické simulace
  • APLAC pro simulaci časové domény s harmonickou rovnováhou
  • Visual System Simulator pro návrh rozpočtu a VF systémů.

V tomto článku se zaměříme na nástroj Visual System Simulator (VSS) a jeho propojení se softwarem LabVIEW pro grafický návrh systémů. VSS je simulační nástroj na úrovni systémů, který uživatelům umožňuje navrhovat architekturu a provádět simulace kompletních komunikačních a mikrovlnných systémů − od radaru po LTE.

Od verze AWR 2011 lze pro kosimulace ve VSS diagramech používat kód v NI LabVIEW. Tato funkce nejen rozšiřuje možnosti zpracování signálů v nástroji VSS, ale také rozšiřuje možnosti propojení VSS s hardwarem a instrumentací.

Používání bloku LabVIEW ve VSS

Kosimulace v návrhovém prostředí AWR je možná prostřednictvím LabVIEW prvku ve VSS schématu. Tato funkce je implementována s použitím technologie VI serveru, který umožňuje vzdálené provádění LabVIEW kódu buď v běhovém prostředí LabVIEW, nebo ve vývojovém prostředí. Jak uvidíte dále, k vytvoření a konfiguraci LabVIEW kódu, který bude spuštěn ve VSS, stačí několik jednoduchých kroků.

Krok 1: Vytvoření a konfigurace LabVIEW VI

Abychom mohli vysvětlit, jak funguje kosimulace mezi VSS a LabVIEW, začněme s jednoduchým LabVIEW VI, které provádí komplexní sdruženou operaci s polem komplexních desetinných čísel. Zvolili jsme datový typ komplexních desetinných čísel, neboť se často používá pro reprezentaci IQ vzorků v časové oblasti pro VF signály. Na obrázku 1 vidíte čelní panel i blokový diagram takového LabVIEW VI. Všimněte si, že jak vstupní prvek, tak ukazatel, jsou připojeny i na konektorový panel tohoto VI.

Úvod do kosimulace s LabVIEW a AWR Visual System Simulatorem 1

Obr. 1 LabVIEW VI s konfigurací pro běh v prostředí VSS

Nastavení konektorového panelu je základním krokem pro spouštění LabVIEW kódu z VSS. Určuje se tak, které ovládací prvky a ukazatele jsou „viditelné“ z prostředí VSS. Každý z těchto ovládacích prvků a ukazatelů bude následně mapován na porty LabVIEW prvku v diagramu systému ve VSS. Tento krok je shodný s konfigurací, která je nutná, když má být určité VI použito jako podprogram v LabVIEW.

Krok 2: Konfigurace prvku LabVIEW ve VSS

Když je LabVIEW VI správně nastaveno pro použití v podobě podprogramu, je dalším krokem umístění a konfigurace LabVIEW prvku v diagramu systému ve VSS. Ve výchozím stavu nebude mít LabVIEW prvek porty pro připojení − ty musejí být přidány v konfiguračním kroku. Dvakrát poklepejte na uzel LabVIEW pro otevření konfiguračního panelu.

Když se zobrazí konfigurační panel Lab- VIEW, vyberte cestu k požadovanému souboru VI. Jakmile je cesta zadána, lze nakonfigurovat vstupní i výstupní porty tak, že kliknete na tlačítko „add“ vedle jednotlivých kategorií. Když je VI správně načteno, prostředí VSS pozná, které ovládací prvky a ukazatele LabVIEW byly nastaveny na konektorovém panelu VI. Na konektorový panel daného VI jsme připojili několik ovládacích prvků a několik ukazatelů. Každý ovládací prvek a každý ukazatel z konektorového panelu je mapován na vstupní či výstupní port ve VSS. Prvek LabVIEW může podporovat více vstupů a výstupů.

Krok 3: Vytvoření schématu ve VSS

Když je prvek LabVIEW správně nakonfigurován, lze každý port připojit k dalším prvkům v prostředí VSS. Při předávání signálů mezi LabVIEW a VSS je vhodným datovým typem pole komplexních čísel (nebo cluster obsahující pole komplexních čísel). Tento datový typ lze snadno mapovat na další v prostředí VSS, jak vidíte na obrázku 2.

Úvod do kosimulace s LabVIEW a AWR Visual System Simulatorem 2

Obr. 2 Kosimulace s LabVIEW je realizována prostřednictvím prvku LabVIEW ve VSS

Jak vidíme na obrázku 2, lze prvky LabVIEW vkládat přímo do schématu ve VSS, kde je jejich provádění řízeno ve spolupráci s dalšími prvky VSS.

Krok 4: Provádění VSS diagramu

K provádění LabVIEW kódu uvnitř schématu systému ve VSS dochází, když je spuštěna simulace daného schématu. V souladu s prováděním schématu ve VSS jsou hodnoty předávány dovnitř a ven z LabVIEW prvku prostřednictvím nakonfigurovaných ovládacích prvků a ukazatelů. Kód LabVIEW je v prostředí AWR spouštěn buď prostřednictvím vývojového prostředí LabVIEW, nebo runtime prostředím − v závislosti na volbě uživatele. Když je pro spouštění zvoleno vývojové prostředí LabVIEW, lze při běhu LabVIEW kódu sledovat a ladit čelní panel i blokový diagram daného VI.

Používání LabVIEW pro ovládání přístrojů a Hardware-in-the-Loop

Jednou z výhod propojení LabVIEW a návrhového prostředí AWR je možnost zahrnout skutečné naměřené signály do simulace. Jedním z typů aplikací, pro které je tato možnost velice užitečná, je simulace typu hardware-in-the-loop. Při tomto typu simulace je ke schématu systému ve VSS připojen fyzický hardware prostřednictvím hardwarového rozhraní, a stává se tak z něj součást simulace. Tento koncept je ilustrován na obr. 3, na kterém vidíte příklad VI sloužícího pro propojení s hardwarem. Jak je z obrázku patrné, spojení mezi schématem systému a hardwarem zprostředkovává LabVIEW prvek.

Úvod do kosimulace s LabVIEW a AWR Visual System Simulatorem 3

Obr. 3 Simulace typu HIL vyžaduje řízení VF přístrojů, jako jsou například generátory VF signálu a analyzátory VF signálu

Jak vidíme na obrázku 3, byl vytvořen diagram v LabVIEW pro předávání pole IQ vzorků do generátoru VF signálu a pro získávání pole IQ vzorků z analyzátoru VF signálu. S použitím tohoto přístupu lze mezi generátor signálu a analyzátor signálu vložit jakoukoliv VF komponentu a zahrnout ji tak do simulace.

Jednou z výhod simulace typu HIL je, že umožňuje kombinovat reálné a simulované (či modelované) komponenty a simulovat tak komplexní přístroje, jako například VF přijímač či kompletní komunikační systém. To je užitečné především v případech, kdy je příliš složité vytvořit model určité komponenty nebo když výkon subsystému závisí na podmínkách prostředí. V takových případech je poměrně snadné nechat působit příslušné prostředí na hardwarovou komponentu a vytvořit model systému jako celku.

Použití LabVIEW pro zpracování signálů uvnitř AWR Design Environment

Simulace VSS schématu s použitím Lab- VIEW přináší uživatelům VSS možnost využít sadu výkonných funkcí pro zpracování signálů, které jsou k dispozici v LabVIEW. LabVIEW obsahuje širokou škálu algoritmů, včetně:

  • transformací FFT, IFFT, Hilbert, Laplace atd.,
  • matematických operací, jako jsou derivace, integrály, prokládání křivek a maticové operace,
  • operací se signály, včetně decimace, interpolace a vzájemné korelace,
  • široké škály filtračních funkcí, jako FIR, IIR, Bessel, Chebychev a vlastní filtry,
  • modulace a demodulace pro technologie, jako jsou AM, FM, PM, MSK, PSK, QAM a další,
  • tvorby a analýzy signálů podle standardů bezdrátové komunikace, jako jsou 802.11a/b/g/n/ac, Bluetooth, GSM/ EDGE, WCDMA/HSPA/HSPA+, LTE a WiMAX.

Ačkoliv prostředí VSS obsahuje vlastní knihovny pro zpracování signálů, integrace s LabVIEW umožňuje uživatelům algoritmy snadno upravovat či používat již předpřipravené algoritmy z LabVIEW. Kromě toho mohou uživatelé při použití měřicích funkcí LabVIEW pro bezdrátové standardy, jako jsou 802.11ac a LTE, snadno korelovat výsledky měření mezi simulačním prostředím a fyzickým hardwarem.

Obvykle je korelace měření mezi simulačním prostředím a fyzickým hardwarem poměrně náročná. Především u komplexních fyzických vrstev, jako jsou WCDMA, LTE a 802.11ac, mohou i malé variace mezi dvěma různými měřicími algoritmy vést k rozdílným výsledkům měření. Proto je často velice užitečné použít stejný měřicí algoritmus jak při simulaci, tak při testování produktu.

Jako příklad uveďme návrh a testování výkonového zesilovače pro LTE. Typická metrika při návrhu i testování zahrnuje tradiční specifikace výkonových zesilovačů jako 1 dB kompresní bod a IP3. Nicméně přístroje navržené specificky pro bezdrátový standard, jako je LTE, často vyžadují i měření charakteristik specifických pro danou technologii, jako je ACP (adjacent channel power) a velikost chybového vektoru (EVM). V těchto případech lze snadno nakonfigurovat funkce pro generování a analýzu v LabVIEW pro testování „virtuální“ jednotky prostřednictvím rozhraní VSS- -LabVIEW. Na obrázku 4 vidíte schéma ve VSS, ve kterém byly jako zdroj i přijímač pro návrh výkonového zesilovače použity podprogramy v LabVIEW.

Úvod do kosimulace s LabVIEW a AWR Visual System Simulatorem 4

Obr. 4 Modulace a demodulace pro bezdrátové standardy z LabVIEW lze snadno použít v prostředí VSS

Na obrázku 4 LabVIEW prvek na levé straně volá podprogram v LabVIEW, který vytváří průběh signálu LTE. Tento průběh je následně předáván do bloku zesilovače − ten je simulován s použitím modelu vygenerovaného v AWR Microwave Office. V modelu zesilovače dochází k zesílení i zkreslení IQ průběhu v souladu s charakteristikami zesilovače. LabVIEW blok na pravé straně potom volá podprogram, který provádí demodulaci a měření charakteristik signálu LTE. Jelikož lze tyto algoritmy v Lab- VIEW sdílet mezi návrhovým i testovacím prostředím, lze měření v návrhovém prostředí snadno korelovat s měřeními na fyzickém hardwaru.

Použití LabVIEW a PXI pro návrh pokročilých systémů

Poslední skupinou aplikací, které lze řešit pomocí spojení LabVIEW a VSS, je návrh pokročilých VF vestavných systémů. U těchto typů aplikací jsou v prostředí AWR často navrhovány komplexní VF systémy. Následně jsou sestavovány prototypy s použitím komerčně dostupných technologií pro VF části (jako jsou PXI přístroje). Inženýr v takovém případě používá generátor či analyzátor VF signálu pro praktické ověření návrhu. Přístroj je tedy v této fázi používán spíše jako prototyp než jako metoda pro měření testovaných jednotek.

Jako příklad můžeme uvést návrh a stavbu prototypu radarového systému. V takovém typu systému zahrnuje použitý hardware VF transceiver a jednotku pro zpracování základního pásma. Na straně vysílače produkuje radar řadu radarových pulzů a vysílá je na frekvencích pásma L či X. Na straně přijímače potom jednotka pro zpracování základního pásma určuje rozměry objektu, jeho rychlost a směr prostřednictvím sofistikovaných algoritmů pro zpracování signálů.

Při návrhu komplexního radarového systému lze aktivní část, antény, bezdrátové kanály, a dokonce i zaměřovaný objekt simulovat v softwarovém prostředí, jako je například AWR Visual System Simulator. V tomto případě je výhodou simulace to, že lze návrh rychle testovat a modifikovat bez nákladů na výrobu fyzického hardwaru. S tím, jak inženýři nacházejí nové způsoby řešení běžných problémů radarových systémů, jako jsou šum a rušení, roste neustále složitost algoritmů pro demodulaci v základním pásmu. Další komplikaci této úlohy přináší fakt, že tyto algoritmy jsou obvykle navrhovány pro cílové systémy s pevnou desetinnou čárkou, jako jsou obvody FPGA, aby mohly být prováděny v reálném čase.

Pro uživatele provádějící návrh komplexních systémů, jako je radar, v návrhovém prostředí AWR představuje jednu z výhod propojení s LabVIEW to, že mohou snadno integrovat LabVIEW FPGA a VHDL kód s návrhem radaru ve VSS. V takové konfiguraci je vytvořen model VF části ve VSS a zpracování signálu v základním pásmu je implementováno v LabVIEW. V LabVIEW mohou uživatelé vytvářet dekódovací algoritmy buď v LabVIEW FPGA, nebo VHDL a používat hardwarové systémy od NI, jako je FlexRIO, pro kosimulaci těchto algoritmů v rámci svých simulací ve VSS. Výhoda propojení LabVIEW FPGA a VSS je dvojí. Nejenže tak uživatelé získávají snadný způsob pro tvorbu prototypů radarových systémů s podporou VF instrumentace PXI, ale také mohou přeskočit tvorbu prototypů svých algoritmů s použitím aritmetiky s plovoucí desetinnou čárkou. Tím, že jsou algoritmy navrhovány od začátku s použitím aritmetiky s pevnou desetinnou čárkou, odpadá nutnost překladu z aritmetiky s plovoucí desetinnou čárkou.

Závěr

Kosimulace s LabVIEW a návrhovým prostředím AWR umožňuje širokou škálu aplikací včetně hardware-in-the-loop, korelace mezi simulací a testem a návrhu pokročilých systémů.

Další informace o návrhovém prostředí AWR a o softwaru VSS naleznete na adrese www.awrcorp.com. Více informací o VF instrumentaci NI PXI naleznete na stránkách www.ni.com/rf.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik