Zadání:
Splnit požadavky oboru kabelových sítí na správnou validaci, měření a certifikaci systémů CMTS (Cable Modem Termination System) a koncových zákaznických zařízení (CPE) ve vysoce realistických laboratorních podmínkách.
Řešení:
Použít vektorový signálový transceiver NI, software pro grafický návrh systémů NI LabVIEW spolu s LabVIEW FPGA Module a vyvinout emulátor kanálů založený na obvodech FPGA pro simulaci a synchronizaci plnohodnotné kabelové sítě, který dokáže použít poruchy signálu k testování zařízení pro širokopásmovou komunikaci.
Od roku 1999 poskytuje společnost Averna testovací řešení pro výrobce zařízení z oboru telekomunikací, letecké techniky, obranného průmyslu, automobilového průmyslu, elektrotechnického průmyslu, lékařských přístrojů a dalších odvětví. Díky bohatým zkušenostem s VF systémy vytváříme pokročilá testovací řešení pro mnoho klientů a aplikací, mezi které patří i Multiple Service Operator (MSO) a organizace z oboru širokopásmového připojení, pro testování jejich kabelových sítí.
Rostoucí složitost širokopásmových systémů
Specifikace DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), vytvořená před více než 15 lety, stanovuje standardy na vybavení pro vysokorychlostní datové přenosy po kabelových sítích. Výrobci vybavení pro kabelové přenosy a poskytovatelé služeb používají DOCSIS jako prostředek k dosažení kompatibility a pro zjišťování parametrů svých zařízení. Jako příklad můžeme uvést měření úrovně nadměrného šumu, který zařízení vnášejí do sítě, anebo to, jak dobře zařízení funguje za přítomnosti šumu od jiných zařízení.
Společnost Averna má mnoho zkušeností s testováním zařízení pro širokopásmové přenosy, včetně řešení pro návrh, analýzu a vývoj protokolů. Před více než 3 lety začala Averna pracovat na vývoji stolního testovacího systému pro emulaci kanálů, který pomůže výrobcům zařízení testovat výkon jejich produktů spadajících pod DOCSIS. Jádrem systému DOCSIS Channel Emulator (DCE) je simulace kabelové sítě mezi CMTS a koncovými zákaznickými zařízeními (CPE), jako jsou set-top boxy, routery a kabelové modemy.
DCE udržuje synchronizaci sítě a zároveň generuje širokou škálu vad specifikovaných v DOCSIS, jako jsou mikroodrazy, fázový šum, aditivní Gaussův bílý šum a skupinové zpoždění. Kromě toho, jak je vidět na obr. 1, provádí DCE měření a umožňuje prezentaci výsledků, aby mohli testeři posoudit, jak si testované zařízení vedlo v průběhu testů.
Obr. 1: Systém DCE simuluje celou kabelovou síť a vyvolává na ní vady pro otestování přístrojů pro širokopásmové připojení na obou stranách
Aktualizace DCE s větším důrazem na FPGA a software
Při vývoji systému DCE jsme čelili několika náročným výzvám. Původně bylo jako standard bráno kabelové vybavení se 4 kanály. Emulace kanálů s modulárním signálovým analyzátorem a signálovým generátorem tedy nepředstavovala zásadní problém. Nicméně v průběhu času jsme byli svědky značného technologického posunu, díky kterému rapidně vzrostl standardní počet kanálů. Tyto změny vyvíjely značný tlak na testovací kapacitu, rozměry, latenci i náklady systému DCE.
Kromě toho hrozilo, že rostoucí požadavky na certifikaci koncových zákaznických zařízení budou mít za následek větší složitost systému DCE, což by vedlo k omezení adaptability na budoucí změny v oboru. Jelikož původním cílem systému DCE bylo nabídnout řešení pro širokou škálu koncových aplikací s nízkými náklady, velkou flexibilitou a nízkou latencí, nebylo vhodné přidávat k němu složitější a dražší samostatné přístroje. Proto se naši vývojáři rozhodli zcela přepracovat architekturu kanálového emulátoru.
Při rozhovorech se společností NI jsme se dozvěděli o vektorovém signálovém transceiveru NI PXIe-5644-R s velkým integrovaným obvodem FPGA a rozhodli jsme se jej použít jako jádro pro většinu úloh souvisejících se zpracováním signálů. Programovatelný přístup, nabízený tímto vektorovým signálovým transceiverem, zcela odpovídal našemu záměru řešit většinu zpracování a generování vad signálu softwarově, namísto použití dodatečného vybavení. Díky nahrazení generátoru a analyzátoru VF signálu jedním přístrojem jsme také získali prostor pro budoucí aplikace zahrnující emulaci kanálů. To znamená, že nové požadavky zákazníků či pokroky v oboru budou znamenat pouze změnu kódu, místo výměny vybavení.
Jeden vektorový signálový transceiver spolu se zařízením NI FlexRIO emulují osm kanálů a generují vady
Po integraci vektorového signálového transceiveru do DCE jsme přidali náš vlastní software pro sběr širokopásmového signálu a extrakci až osmi samostatných kanálů. DCE následně kanály kombinuje a vytváří osm paralelních kanálových emulátorů a následně těchto osm kanálů opět spojí. Díky zpracování signálu v softwaru dokázal jediný vektorový signálový transceiver a jedno zařízení NI FlexRIO nahradit osm párů ETL/SFU. Ty by jinak musely být tvořeny sadami speciálních hardwarových přístrojů pro každý kanál. Nutnost takového flexibilního přístupu podtrhává i fakt, že obor DOCSIS se momentálně posouvá k čipům, které podporují 24 (a potenciálně až 32) spojených kanálů, což činí z testovacího systému založeného na tradičních přístrojích velice nevýhodnou investici.
Použití LabVIEW FPGA k vytvoření výchozí konfigurace pro DOCSIS
Důležitým aspektem současného návrhu systému DCE je jeho flexibilita, která zaručuje nejširší možné aplikační možnosti pro testování vybavení širokopásmových sítí. Abychom do DCE implementovali funkce pro generování poruch signálu, které jsou potřebné z hlediska standardu DOCSIS, poskládali jsme vlastní kanálové bloky (algoritmy) i bloky třetích stran s použitím LabVIEW FPGA a jazyku VHDL, který slouží pro popis hardwaru. Následně jsme použili LabVIEW FPGA pro „slepení“ těchto bloků, jejich optimalizaci z hlediska zdrojů využívaných v obvodu FPGA, který umožnil nejen hardwarovou integraci, ale také způsob pro spojení různých modulů na jedné platformě.
Díky snadnému programování obvodů FPGA v hardwaru společnosti NI nabízí systém DCE výchozí konfiguraci, která zahrnuje prvky pro testování podle standardu DOCSIS, stejně jako podle standardu SCTE 40. SCTE 40 je standard pro rozhraní digitálních kabelových sítí, který vytvořila společnost Society of Cable Telecommunications Engineers. Tato rozšiřitelná knihovna s vadami signálu zahrnuje fázový šum, mikroodrazy, nárazový šum, frekvenční posun, odstup nosné od šumu, composite triple beat a poměr nosné k rušení. Flexibilita nové architektury ponechává dostatek prostoru pro přidávání dalších funkcí, jako jsou zákaznicky konfigurovatelné filtry či konfigurace pro zcela odlišné aplikace.
Za běhu používá systém DCE dva obvody FPGA pro generování poruch: jeden ve vektorovém signálovém transceiveru a jeden v zařízení NI FlexRIO. Tato funkcionalita představuje významné zlepšení oproti předchozí generaci DCE. Aby byla latence systému co nejmenší, jsou výpočty, které nejsou nutné pro hlavní signálovou cestu, přeneseny na zařízení NI FlexRIO. Například při aplikaci fázového šumu generuje systém DCE šumový profil, který na signál aplikuje prostřednictvím násobení v komplexní oblasti. Toto násobení musí být součástí hlavní signálové cesty, proto je prováděno ve vektorovém signálovém transceiveru. Oproti tomu profil fázového šumu je generován v zařízení NI FlexRIO kvůli optimalizaci propustnosti.
Použití LabVIEW pro vývoj kompletní testovací sady pro koncové uživatele
Pro implementaci uživatelského rozhraní jsme použili funkce grafického vývojového prostředí LabVIEW, s jejichž pomocí jsme vytvořili vysoce funkční a intuitivní uživatelské rozhraní. Například díky sadám nástrojů LabVIEW Spectral Measurements Toolkit a LabVIEW Modulation Toolkit mohli naši vývojáři snadno přenést data z testování do vizuální reprezentace, jako je například spektogram či konstelace (obr. 2). LabVIEW jsme použili také pro tvorbu konfiguračních obrazovek, prostřednictvím kterých lze rychle nastavovat a přepínat testy či prohlížet protokoly a záznamy.
Obr. 2: Systém DCE zahrnuje rozhraní vytvořené v LabVIEW, které umožňuje zobrazit spektrogram a konstelační diagram v reálném čase či provádět konfiguraci a zobrazovat záznamy
Díky nové architektuře, založené na vektorovém signálovém transceiveru a na několika obvodech FPGA, nabízí systém DCE maximální možnou funkcionalitu a flexibilitu, které jsou založeny na minimálním množství flexibilního a snadno programovatelného hardwaru. Spojením funkcionality VF signálového analyzátoru a VF signálového generátoru do jednoho zařízení a propojením s NI FlexRIO získal systém DCE menší rozměry, větší aplikační flexibilitu, větší šířku pásma, nižší latenci, to vše s nižšími náklady při porovnání se svou předchozí podobou.
Tab. 1: Systém DCE využívající vektorový signálový transceiver má více funkcí a větší výkon než předchozí verze
Autor: Andy Brown, Averna Technologies, zdroj: http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-15051
National Instruments (Czech Republic), s.r.o.
Sokolovská 136D
186 00 Praha 8
Česká republika
Tel: +420 224 235 774
Fax: +420 224 235 749
E-mail: ni.czech@ni.com
CZ: 800 267 267
SK: 00 800 182 362
