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Wireless Open Source und

Wireless Open Source und SDR (Software Defined Radio) finden zusammen Angesichts des Reifegrades der Mobilfunkbranche mag es merkwürdig klingen, aber gegenwärtig steigt weltweit das Interesse an der Entwicklung kleiner Basisstationen mit vielen Frequenzen. Bild 1: LMS7002M von Lime Microsystems Josh Mickolio, RF&Wireless Produkt Manager Digi-Key Electronics Dr. Ebrahim Bushehri, CEO Lime Microsystems Mit der Umstellung der Netze von 3G auf LTE und anderen Entwicklungen wie der wachsenden Bedeutung des Internets der Dinge wächst auch das Interesse an flexibler Funkelektronik und Open-Source-Software. Dies ist eine globale Herausforderung – es gibt viele verschiedene Frequenzbänder für LTE und noch mehr für LTE Advanced, und die Systementwickler wünschen sich so viel Flexibilität wie möglich ohne Mehrkosten. Netzbetreiber in ganz Europa sowie Verizon und AT&T planen eine erhebliche Ausweitung ihrer Netzabdeckung – unter Rückgriff auf eine Mischung von Frequenzen, vor allem für den Datenverkehr. Geräteherstellern eröffnen sich dadurch enorme Möglichkeiten. Die benötigten Systeme so kostengünstig und dennoch flexibel genug zu gestalten, dass sie alle Protokolle und Frequenzen abdecken, ohne dass für jede Region und jeden Betreiber ein gesondertes System entwickelt, gebaut, getestet und zertifiziert werden muss, birgt enorme Herausforderungen. Einer der möglichen Wege dahin ist FPRF (Field Programmable RF) und SDR (Software Defined Radio). FPRF-Geräte wie das kostenoptimierte LMS7002M von Lime Microsystems bieten einen Chip, der nicht nur im Hinblick auf die von ihm unterstützten HF-Frequenzen, sondern auch in seinen Signalverarbeitungsfähigkeiten flexibel ist (Abb. 1). Der 65-nm-CMOS- Prozess ermöglicht es, dass ein Breitband-HF-Transceiver auf einem kostengünstigen Chip Frequenzen von 100 MHz bis zu 3,8 GHz unterstützt. Die Unterstützung der 2x2-MIMO-Antenne ermöglicht höhere Leistungsübertragungsbilanzen sowie Voll- oder Halbduplex-Betrieb zur Reduzierung der Kosten des Endknotens. Dadurch lassen sich die Gesamtkosten des Systems optimieren. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die im Chip enthaltenen 12-Bit-Hochleitungsdatenwandler, die hochgradig linearen rauscharmen Verstärker und die Verstärker mit variablem V-Faktor und sogar den On-Board-8051-Prozessorkern zu nutzen, sofern keine Verwendung für eine bestimmte Signalkette vorgesehen ist. Dies verringert die für die On-Board- Auslegung nötige Komplexität und erweitert enorm die Möglichkeiten für die Entwicklung kostengünstiger Systeme. Die Verfügbarkeit von FPRF- Geräten hat auch Auswirkungen auf die Entwicklung von SDR- Software. Jetzt lässt sich Open- Source-Software entwickeln und branchenübergreifend nutzen. Lime stellt die Treiber als Open Source zur Verfügung, damit sie in Projekten genutzt werden können, die für das Basisband Windows oder Linux nutzen. Das erweitert zudem die Möglichkeiten, die Basisband-Fähigkeiten zu implementieren. Während SDR auf einen bestimmten Satz von Modulationsverfahren und Protokollen beschränkt ist, haben Highend-Mikrocontroller mit kommunikationsorientierten 56 hf-praxis 1/2017

Wireless formen, kann aber auch direkt an einen PC angeschlossen werden und wird damit zum Basisband- Controller für Netze fast jeder Größe und Komplexität. Die Hardware ist ebenfalls als Open Source verfügbar: Die Konstruktionsdaten lassen sich im KiCad-Format kostenlos herunterladen. Über Vertriebspartner von Myriad sind jedoch auch vorgefertigte Ausführungen der Schnittstellenkarte erhältlich. Lime hat ebenfalls eine neue Version seines Steuerprogramms für die Zipper-Karte herausgebracht, die unter Windows und Linux läuft. Das Programm ermöglicht die Kalibrierung der Transceiver LMS6002D und LMS7002M sowie die Konfiguration des Chips, des Taktgenerators und der PLL. All dies eröffnet die Möglichkeit kompakter, kleinzelliger SDR- Basisstationen für ein breites Spektrum neuer Anwendungen. Die Telekommunikationsbranche trieb in Reaktion darauf kostengünstige Basisband- Implementierungen für das flexible Frontend voran. Dafür bedarf es jedoch eines breit gefächerten Ökosystems mit Hardware und Software – und genau das leistet der Open-Source-Ansatz. Die Open-Source-Software läuft auf einer wachsenden Zahl von Basisband-Prozessoren, wobei Treiber für die Transceiver des flexiblen Frontends verfügbar sind. Zusatzkarten für den Anschluss über Standardschnittstellen vereinfachen die Systementwicklung noch stärker. Entwickler können sich dadurch auf die Details der spezifischen Anwendung konzentrieren. Dank Open-Source-Software im Verbund mit SDR(Software Defined Radio)- oder feldprogrammierbaren HF-Geräten können Hersteller auf der Basis eines einzelnen, kostenoptimierten Hardwaredesigns eine Reihe von Mobilfunkmärkten bedienen – darunter verschiedene Arten von IoT-Hubs. Das gibt dem Systementwickler zudem die Möglichkeit, eine Box, beispielsweise eine Femtozelle oder einen Whitespace- Transceiver, zu entwickeln, die sich im Handumdrehen für jede denkbare Feldumgebung konfigurieren lässt. ◄ Die Autoren: Bild 2: Myriad-RF 1 Beschleunigern überraschende Fähigkeiten gezeigt. So lässt sich beispielsweise ein LTE- Basisband unter Verwendung von Geräten wie dem QorIQ- Mikrocontroller von NXP implementieren. Für allgemeinere SDR-Systeme mit einem breiteren Spektrum an möglichen Schnittstellen wurde von Entwicklern dieselbe zugrunde liegende Architektur genutzt, die Beschleuniger wurden aber in einem FPGA implementiert. Für die Unterstützung von OFDM benötigen LTE-Systeme eine schnelle Fourier-Transformation und Turbo-Coding sowie Entlastung für den Protokoll- Stack, was in einem Universal- DSP-Chip, einem FPGA oder einem ASIC erfolgen kann. Der FPGA gibt Entwicklern die Flexibilität zu experimentieren und verschiedene Funkschnittstellen auszuprobieren. Open- Source-Implementierungen der Software für verschiedene Protokolle und Frequenzen lassen sich projektübergreifend nutzen – sowohl unternehmensintern als auch über ein größeres Ökosystem hinweg. Auf diese Weise lässt sich die Systementwicklung beschleunigen und die Markeinführungszeit verkürzen. Open Source ist jedoch mehr als nur Software. Myriad hat inzwischen die erste Open-Source- Schnittstellenkarte für die direkte Anbindung feldprogrammierbarer HF-Transceiversysteme an FPGA-Karten entwickelt. Myriad RF unterstützt Open- Source-Implementierungen dieser Funkschnittstellen durch Verfügbarmachen von Designs und Code. Das soll die Entwicklung einer größeren Bandbreite von Systemdesigns beschleunigen und die Einstiegshürden senken. Eine kostengünstige Standard-Referenzplattform bringt den Chip auf eine flexible Hardwareplattform mit einem breiten Einsatzspektrum. Die Myriad-RF-1-Karte ist ein Multiband-, Multistandard-HF-Modul auf der Basis des Transceivers LMS6002D von Lime. Es verfügt über einen HF-Breitbandausgang und einen HF-Breitbandeingang mit digitaler Basisband-Schnittstelle über einen Standard-FX10A-Steckverbinder und ist für das UMTS-Band 1 konfiguriert – die häufigste Variante bei 3G-Implementierungen (Abb. 2). Zudem bietet die Prototyping-Karte Stiftleisten für Stromversorgung, Referenztakt, analogen I/Q-Eingang/ Ausgang sowie SPI-Schnittstellenanschlüsse. Die Mezzanine-Karte Zipper unterstützt HSMC-, FMCund USB-Anschlüsse für den Anschluss an Altera- und Xilinx- FPGA-Entwicklungsplatt- Dr. Ebrahim Bushehri, CEO, Lime Microsystems Ebrahim’s experience spans over 15 years in directing and managing of design teams for the implementation of high performance ICs within the wireless communication market. He was with Middlesex University Microelectronics Centre (MUMEC) collaborating with top tier organizations such as Nokia, Qinetiq (formerly Defence Evaluation Research Agency) and Fraunhofer IAF. He was a professional group committee member of Institution of Electrical Engineering (IEE) and is a member of Institution of Electrical and Electronic Engineering (IEEE). Josh Mickolio, Wireless and RF Product Manager at Digi-Key Corporation, is focused on the wireless industry and its emerging markets. Working in this role for over 10 years has offered the opportunity to engage in an exciting technology sector while supporting the latest engineering developments in Bluetooth, Cellular, WLAN, Zigbee and discrete RF for connected devices and infrastructure design. hf-praxis 1/2017 57