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Ein Intel-basiertes drahtloses Multi-Tool für das IoT: Teil 1

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Konzeption und erste Ausführung einer flexiblen SDR-Plattform (Software Defined Radio).

Wir bekamen von RS Components und Intel die Aufgabe gestellt, Technologien von Intel als Fundament für die Bereitstellung von IoT-Diensten (Internet of Things, Internet der Dinge) einzusetzen. Natürlich hatten wir die Wahl aus unglaublich vielen verschiedenen Technologien; die Systeme, die uns dabei sofort in den Sinn kamen, waren u. a. die Platinen von Edison und Galileo, die einen schnellen Einstieg in die Entwicklung von IoT-Anwendungen ermöglichen.

Uns wurde jedoch bewusst, welch grundlegende Bedeutung die drahtlose Datenübertragung für die Zukunft des Internets der Dinge hat, ob nun auf der Ebene eines Personal Area Networks (PAN) – beispielsweise auf Basis von Bluetooth Low Energy (LE) oder IEEE802.15.4 –, eines Low Power WAN (LPWAN) oder im Bereich des Mobilfunks. Vernetzte Geräte müssen, nun ja, vernetzt sein, und wenn das IoT in großem Maßstab verfügbar gemacht werden soll, werden auf diesem Gebiet fortgesetzt Innovationen notwendig.

Bei der SDR-Technik werden die normalerweise als Hardware ausgeführten Systemkomponenten für die Funkverbindung, z. B. Filter und Mischer, als Software implementiert. So lassen sich immer schneller immer fortschrittlichere Systeme konzipieren. Natürlich hat alles seinen Preis: Die DSP-Anwendungen (Digital Signal Processing, digitale Signalverarbeitung) können sich aufgrund der notwendigen berechnungsintensiven Algorithmen und extrem hohen Datenraten als echte Herausforderung erweisen.

Nach den oben ausgeführten Überlegungen entschieden wir uns für den leistungsfähigen Intel NUC Core i5 als Zentrum einer eigenständigen SDR-Anwendung. Das System von Intel ist in einem robusten und vertrauten Benchtop-Gehäuse untergebracht und überzeugt durch einen kompakten Formfaktor für Testequipment. Auf dem System werden Linux sowie Anwendungen basierend auf Open-Source-SDR-Frameworks ausgeführt, sodass es für ein breites Spektrum an Test-, Mess- und Prototyp-Anwendungsszenarien für Drahtlosfunktionen eingesetzt werden kann.

Hardware-Plattform

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Der NUC Core i5 ist ein unglaublich kompakter Einplatinencomputer mit einem i5-5300U-Prozessor mit 2,9 GHz und über OpenCL unterstützten Streaming SIMD Extensions. Damit ist das System hervorragend geeignet für anspruchsvolle DSP-Anwendungen. Ferner ist es mit vier durchsatzstarken USB 3.0-Ports zum Anschließen von Peripheriegeräten, einer integrierten Grafikkarte, Gigabit-Ethernet-Technologie und anderem mehr ausgestattet.

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Ein großartiges Feature des NUC ist der M.2-SSD-Steckverbinder, mit dem ein hochperformantes Speichermodul praktisch ohne zusätzlichen Platzbedarf integriert werden kann. Wir entschieden uns für ein Solid-State-Laufwerk des Typs Intel SSD 535 Series mit 120 GB, das mehr als genug Speicherkapazität bietet.

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Nach dem High-Performance-Prozessor und -Speicher waren das Funksystem und die Digitaltechnik an der Reihe. Dazu wählten wir das SDR-Board bladeRF x40. Dieses ist mit einer USB 3.0-Host-Schnittstelle und einem Altera Cyclone IV-FPGA (Field Programmable Gate Array) mit 40.000 logischen Elementen ausgestattet, das unter anderem als Schnittstelle für den HF-Transceiver dient und zur Durchführung von bestimmten Aufgaben, insbesondere von Berechnungen, etwa zur digitalen Umsetzung der Frequenzbänder (Digital Down Conversion) und der direkten Aufwärtswandlung (Digital Up-Conversion), in der Hardware und damit näher an der Antenne verwendet wird.

Als Transceiver wird auf dem bladeRF-Board (unter der Metallabdeckung verborgen) der FPRF-Transceiver (Field Programmable RF) LMS6002D von Lime Microsystems verwendet. Dieser vereint Digitalwandler, Mischer, Filter, Verstärker und anderes mehr auf einem einzigen, per SPI programmierten Chip und bietet eine Schnittstelle für die digitale Übertragung im Basisband. Diese Schnittstelle ist mit dem bladeRF-Board wiederum mit einem Altera-FPGA integriert. Beide Geräte ergänzen sich gegenseitig sehr gut und machen eine hohe Leistung und Flexibilität für das Funksystem verfügbar. Der LMS6002D-Transceiver bietet eine 12-Bit-Auflösung und ist zwischen 300 MHz und 3,8 GHz einstellbar, mit programmierbaren Bandbreiten von 1,5–28 MHz.

Für Neueinsteiger im Bereich SDR-Technologie mag das ein wenig verwirrend klingen, aber im Wesentlichen erhalten wir damit einen hochperformanten Receiver, der große Bereiche des Funkspektrums abdeckt und daneben in einem FPGA in gewissem Umfang Berechnungen ermöglicht, das wiederum per USB 3.0 mit dem Host-Computer verbunden ist. Das NUC-System von Intel übernimmt die Aufgabe, Daten in das FPGA zu laden, den FPRF-Receiver zu programmieren und die eigentliche Anwendung auszuführen, von Layer 1 (der physischen Schnittstelle) aufwärts. Dabei könnte eine Übertragung über das Protokoll IEEE802.15.4, über Bluetooth, per GSM, LTE bzw. mit nahezu jeder Wireless-Technologie erfolgen. Diese Definition wird über die Software festgelegt.

Gehäuse und unterstützende Komponenten

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Da wir einen Formfaktor anvisierten, der einem professionellen Testequipment angemessen ist, entschieden wir uns für ein Premium-Gehäuse aus dem RS-Katalog, das Modell Takachi MS177-26-28G. Im obigen Foto ist mein Kollege Stuart beim Ausmessen von Komponenten zu sehen, bevor er in DesignSpark Mechanical die vordere und die hintere Gehäusewand mit den entsprechenden profilierten Aussparungen entwirft.

Die individuell angepassten Gehäusewände an Vorder- und Rückseite wurden zunächst mit dem Laser aus einer MDF-Platte geschnitten und auf ihre Passgenauigkeit geprüft, bevor ihr Profil mit einem CNC-Plasmaschneider aus einem 2 mm starken Aluminiumblech herausgetrennt wurde.

Auf der Innenseite der Rückwand wurde ein Schaltnetzteil mit 24 V und 80 W montiert, das den NUC über eine 20-mm-Sicherung und einen 4-poligen Molex Micro-Fit-Steckverbinder mit Strom versorgt. Der Netzanschluss erfolgt über eine abgesicherte und schaltbare IEC-Buchse, die ebenfalls an der Rückwand befestigt wurde. Daneben wurde ein 60-mm-Lüfter von ebm-papst mit 24 V DC angebracht.

 

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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass wir uns dazu entschlossen hatten, gängige Komponenten zu verwenden und aus Gründen der Zweckmäßigkeit auf die individuelle Anpassung von USB- und Display-Kabeln usw. zu verzichten. Im zweiten Blog-Post werden wir jedoch mehrere Verbesserungen erläutern, mit denen das erforderliche Raumvolumen reduziert werden konnte und zusätzliche NUC-Funktionen wie die eDP-Unterstützung optimal nutzbar sind.

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Wir wählten einen HDMI-Touchscreen eines Drittanbieters mit einer Auflösung von 1.024 x 600, den wir an der vorderen Gehäusewand anbrachten. Darunter befinden sich zwei USB 2.0-Anschlüsse und eine Drucktaste zum Ein- und Ausschalten. An den Seiten sind 4 SMA-Einbausteckverbinder mit Koaxial-Anschlusslitzen angebracht.

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Das NUC-System ist auf einer optionalen Gehäuse-Chassisplatte angebracht. Darüber befindet sich, auf Sechskant-Abtstandshaltern gesichert, eine lasergeschnittene Acrylplatte, an der das bladeRF-Board befestigt ist. Wie man leicht erkennen kann, ist recht viel freier Raum vorhanden und die Größe des Gehäuses wird hauptsächlich durch die Größe der Komponenten vorgegeben, die an der Vorder- und der Rückwand montiert sind. In unserem Fall wird der freie Platz weitgehend von dem überschüssigen Kabel eingenommen, das länger ist als notwendig, für unsere Zwecke aber ausreicht.

Erste Software

Wenn es auf eine ausgezeichnete Geräteunterstützung unter Linux, aktuelle Pakete und Installationsfreundlichkeit ankommt, denn fällt die erste Wahl ganz offenkundig auf Ubuntu. Deshalb installierten wir den 64-Bit-Build von Version 14.04. Da wir mit dem Core i5-5300U-Prozessor von den Vorteilen der Streaming SIMD Extensions für den per OpenCL beschleunigten DSP-Code profitieren wollten, installierten wir auch das Intel OpenCL SDK. Dieses Kit ist für RPM-basierte Linux-Systeme paketiert, aber die Pakete können mit Alien mühelos für die Verwendung auf DEB-basierten Systemen konvertiert werden.

Das GNU Radio-SDR-Toolkit wurde zusammen mit dem bladeRF-Treiber und der Software zur Integration des Treibers mit GNU Radio über das herausragende Installationsmanagement-System PyBOMBS installiert. Damit wir die Hardware auf Herz und Nieren prüfen konnten, installierten wir außerdem gr-fosphor, eine GNU Radio-basierte Echtzeit-Spektrumanalyse-Anwendung (Real-Time Spectrum Analyser, RTSA), die OpenCL-Kernels für beschleunigte FFT-Algorithmen und Display-Komponenten nutzt. Auch die notwendige OpenGL-Grafikunterstützung für die Displayausgabe bietet das NUC-System.

Grundlegende Tests

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Beim Testen wurde die Anwendung gr-fosphor völlig problemlos mit bemerkenswert hohen Abtastraten und HF-Bandbreiten auf dem NUC ausgeführt. Im nachstehenden Video ist erkennbar, wie der Frontend-Transceiver zuerst auf 2,4 GHz und dann auf 868 MHz eingestellt wurde und dabei die Aktivität im Funkspektrum erstklassig visuell darstellen konnte.

Damit ist zu diesem Zeitpunkt bereits ein Tool verfügbar, das in IoT-Anwendungen sehr nutzbringend einsetzbar ist, z. B. bei Wireless Site Surveys, Tests von Wireless-Sensorknoten und Basisstationen usw. Als seriengefertigtes Produkt wäre das Gerät um ein Vielfaches teurer gewesen als der Betrag, auf den sich die Materialkosten des Projekts beliefen. Nicht nur die Echtzeit-Anzeige der Aktivität ist dabei möglich, sondern es können auch Daten auf dem SSD-Laufwerk aufgezeichnet und per Gigabit Ethernet übertragen oder auf einem externen USB 3.0-Speichergerät archiviert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass sich an der Rückseite des Geräts auch ein externer Monitor anschließen lässt.

Das ist jedoch nur ein kleiner Teil der enormen Möglichkeiten, die mit einer Kombination aus einem leistungsfähigen 64-Bit-Prozessor mit Streaming SIMD Extensions, einem FPGA, einem FPRF-Receiver sowie im Zusammenspiel mit SDR-Frameworks erreichbar werden.

 

Weitere Schritte

Für die kommenden Wochen haben wir geplant, das Design noch weiter zu verfeinern. Im nächsten Blog-Post sehen wir uns diese Verbesserungen an und erläutern zusätzliche Anwendungen. Anschließend thematisieren wir weitere Optimierungsschritte, mit denen die Möglichkeiten des Core i5 NUC am besten ausgeschöpft werden können.

Read - Part Two

Andrew Back

Open source (hardware and software!) advocate, Treasurer and Director of the Free and Open Source Silicon Foundation, organiser of Wuthering Bytes technology festival and founder of the Open Source Hardware User Group.
DesignSpark Electrical Logolinkedin