TETRA-Basisstation, die bis an die Grenzen der physikalischen Möglichkeiten geht

Der Einsatz der FPGA-Technologie war zu dieser Zeit eine recht innovative Lösung

Im Jahre 2012 trat ein Kunde mit der Idee an uns heran, sein Team von Spezialisten zu erweitern. Deshalb waren wir für den Entwurf einer geeigneten Systemarchitektur verantwortlich, einschließlich der Simulation des Funkmoduls. Damals begannen wir mit dem Empfängerteil. Eine Sache, die bereits ziemlich innovativ an dem Projekt war, war die Tatsache, dass wir die FPGA-Technologie (Field Programmable Gate Array) für die digitale Signalverarbeitung und einen ARM-Prozessorkern verwendeten, der eine Echtzeit-TETRA- und TEDS-Datenverbindungsschicht ermöglicht. Ein weiterer ARM-Prozessorkern beherbergte das Linux-Betriebssystem und Anwendungen zur Überwachung und Steuerung der Station.

Dies war eine der häufigsten Lösungen bei softwaredefinierten Funkgeräten, die digitale Signalverarbeitung verwenden, in hohem Maße konfigurierbar sind und transparent an Wide Area Networks angeschlossen werden können.

„Es erleichterte uns die Implementierung verschiedener anderer Support-Protokolle - zum Beispiel des SNMP-Protokolls,“ erinnert sich Martin Tesař an die Anfänge der Zusammenarbeit zwischen dem Kunden und der Firma Consilia, die für diese untypische Herausforderung verantwortlich war.

Die Architektur umfasst den Entwurf eines Signalpfads von einer Antenne, die Anpassung des Hochfrequenzsignals, die Frequenzmischung, den Analog-Digital-Wandler, die Signalverarbeitung im FPGA und ein HAL-Design (Hardware Abstraction Layer) für Linux. Der digitale Teil basiert auf der Zynq-Plattform.

Nach der erfolgreichen Indoor-Basisstation wurde das Outdoor-Projekt ins Leben gerufen

„Der wesentliche Teil der Produktlinie war eine ziemlich große Basisstation für den Innenbereich. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Reihe von Modulen, die in ein mobiles Gestell im Kontrollgebäude eingebaut sind und von denen eine Reihe von Kabeln zu den Antennen auf dem Dach führen. Nach der Entwicklung dieser Basisstation entwarfen wir unser eigenes Testsystem für Typ- und Zertifizierungstests. Dann erstellten wir Testskripte, die in der Produktionslinie verwendet wurden. Später startete der Kunde mit uns ein Projekt für eine Outdoor-Basisstation. Diese Station ist in erster Linie für den mobilen Einsatz in größeren Fahrzeugen - Polizeiautos, Feuerwehrautos - und auch bei öffentlichen Veranstaltungen wie Großkonzerten oder ähnlichen Events vorgesehen, bei denen strenge Sicherheitsanforderungen und medizinische Unterstützung erforderlich sind. Eine Basisstation wird in der Regel an einem Mast in der Nähe der Antenne montiert," fügt Martin Tesař hinzu.

Einzigartige Oszillatoren und energieeffiziente Verstärker

Laut Martin Tesař bestand die größte Herausforderung während des Entwicklungsprozesses darin, eine ideale Lösung für einen Leistungsverstärker im Sender zu finden, der auch im Energiesparmodus arbeiten können sollte, ohne die geforderte Linearität zu beeinträchtigen. Die Endleistungsstufe hatte im Falle der Indoor-Einheit eine Spitzenleistung von 300 W, um eine ausreichende Reserve für den Crest-Faktor der PSK- und QAM-Modulation zu bieten. Die außergewöhnliche spektrale Reinheit des Senders gewährleistet die Einhaltung der strengen gesetzlichen Vorschriften.

„Die Station enthält auch einzigartige Oszillatoren, die ein reines Signal mit geringem Rauschen liefern - wir nennen das eine Spektralmaske. Je rauschärmer die Spektralmaske eines Oszillators ist, desto immuner ist er gegen verschiedene Arten von Störungen.

Das war etwas ganz Besonderes, denn die handelsüblichen Teile oder Module, die man bei Elektronikhändlern kaufen kann, waren nicht geeignet. Deshalb entwickelte ein Kollege von uns mittels Resonatoren spannungsgesteuerte Oszillatoren, mit denen wir ganz interessante Parameter erreichen konnten.

Unsere kundenspezifischen Oszillatoren sowie die hervorragende Energieeffizienz unserer Lösung für die Endstufe des Senders positionieren dieses Produkt an der Spitze der Konkurrenzprodukte.“

Embedded-Software steuert die Funkkommunikation

Die Embedded-Software basiert auf dem Betriebssystem Linux, für das das Team spezielle Steuerungs- und Überwachungsanwendungen entwickelte. Diese Anwendungen tauschen Daten über Interprozesskommunikation auf streng definierten Schnittstellen aus. Die Verbindung mit der Außenwelt wird in ähnlicher Weise gelöst, zum Beispiel mit Steuereinheiten für das Netzwerkmanagement.

„Zur Entwicklung der Embedded-Software implementierten, debuggten und testeten wir Anwendungen in C++ auf einem ARM Cortex-A9-Prozessor. Wir entwarfen eine abstrakte Hardware-Schicht mit objektorientierten Techniken und Modellierung in UML. Wir portierten die Arch-basierte Linux-Distribution auf den Zielprozessor. Außerdem entwickelten wir einen Hardware-Emulator und konfigurierten ein Software-Profiling, um mögliche Instabilitäten bei maximalem Datenverkehr zu erkennen,“ erklärt Martin Tesař.

Von den Anfängen bis zum geprüften Produkt

Die Consilia-Ingenieure leisteten auch Unterstützung bei der Produktion der ersten Produktlinien im chinesischen Werk. Während der Entwicklung arbeiteten die Consilia-Ingenieure mit vielen Teams zusammen, darunter Systemingenieure, Software-Ingenieure, Leiterplattendesign-Ingenieure, Einkäufer und Produktionslinien-Support.

Die erste Konzeptionsphase wurde im Jahre 2012 eingeleitet. Im Jahre 2013 fuhren wir mit den Prototypen für Innengeräte fort und starteten die Produktion im Jahre 2014. Zwischen 2015 und 2017 entwarfen wir ein Konzept  und führten die Realisierung eines Außengeräts einschließlich der Produktionseinführung durch.

„Ich bin überzeugt, dass das Produkt noch nicht moralisch veraltet ist, sondern im Gegenteil immer noch zur Spitze dessen gehört, was mit den heutigen Technologien möglich ist,“ schließt Martin Tesař.