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无人机应用中的高清,低延迟,基于SDR的视频传输

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集成的RF敏捷收发器不仅广泛应用于蜂窝电话基站中的软件定义无线电(SDR)架构,例如多业务分布式接入系统(MDAS)和小型小区,还用于工业,商业和工业的无线高清视频传输。军事应用,如无人驾驶飞行器(UAV)。

本文将研究使用AD9361 / AD9364 2,3  集成收发器IC的宽带无线视频信号链实现  ,传输的数据量,相应的RF占用信号带宽,传输距离以及发送器的功率。它还将描述OFDM的PHY层的实现以及当前跳频时间测试结果以避免RF干扰。最后,我们将讨论宽带无线应用中Wi-Fi和RF敏捷收发器之间的优缺点。

 

信号链

图1显示了使用AD9361 / AD9364和BBIC的简化无线视频传输方案。摄像机捕获图像并通过以太网,HDMI,USB或其他接口将视频数据传输到基带处理器。图像编码/解码可以由硬件或FPGA处理。RF前端包括可编程集成收发器的切换器,LNA和PA。

 

图1.无线视频传输图。

 

需要传输多少数据?

表1显示了未压缩和压缩数据速率之间的显着大小差异。通过使用高效视频编码(HEVC),也称为H.265和MPEG-H第2部分,我们可以降低数据速率并节省带宽。H.264是目前用于录制,压缩和分发视频内容的最常用格式之一。它在视频压缩技术方面向前迈出了一大步,是广泛使用的AVC(H.264或MPEG-4 Part 10)的几个潜在继承者之一。

 

 

表1总结了不同视频格式的未压缩和压缩数据速率。假设包括24比特的视频比特深度和60fps的帧速率。在1080p示例中,压缩后的数据速率为14.93 Mbps,然后基带处理器和无线PHY层可以轻松处理。

 

表1.压缩数据速率

格式水平线垂直线像素未压缩数据速率(Mbps)压缩数据速率(Mbps)压缩比= 200
VGA640480307,2004422.2
720P1280720921,60013286.64
1080192010802,073,600298614.93
2K204811522,359,296340017.0
4K409621608,8473601274063.7

 

信号带宽

AD9361 / AD9364通过改变采样速率,数字滤波器和抽取,支持<200 kHz至56 MHz的通道带宽。AD9361 / AD9364是零中频收发器,具有I和Q通道,可传输复杂数据。复数数据包括分别对应于I和Q的实部和虚部,它们位于相同的频率带宽上,与单个部分相比,频谱效率加倍。压缩的视频数据可以映射到I和Q信道以创建星座点,这些星座点被称为符号。图2显示了一个16 QAM示例,其中每个符号代表四位。

 

图2. 16 QAM星座。4

 

图3.来自星座的I和Q数字波形。4

 

图4.脉冲整形滤波器响应。4 

 

对于单载波系统,I和Q数字波形需要在DAC之前通过脉冲整形滤波器,以便在有限带宽内对发射信号进行整形。FIR滤波器可用于脉冲整形,滤波器响应如图4所示。为了保持信息的保真度,存在与符号率相对应的最小信号带宽。并且符号率与压缩视频数据速率成比例,如下面的等式所示。对于OFDM系统,应使用IFFT将复数数据调制到子载波,IFFT也在有限带宽内发送信号。

 

 

每个符号发送的比特数取决于调制顺序。

 

图5.调制顺序。 

 

占用信号带宽由下式给出, 



 

其中α是滤波器带宽参数。

从以前的公式我们可以推导出这个等式,

 

 

因此,我们可以计算RF占用信号带宽,如表2所示。

 

表2.具有各种调制阶数的占用RF信号带宽(α= 0.25)

 格式  压缩数据速率(Mbps)QPSK(信号BW,MHz16 QAM(信号带宽,MHz)64 QAM(信号,BW,MHz)
VGA2.21.3750.68750.4583
720P6.64.12502.06251.3750
108014.99.31254.65633.1042
2K17.010.62505.31253.5417
4K63.739.812519.906313.2708

 

 

AD9361 / AD9364具有高达56 MHz的信号带宽,支持所有表2视频格式传输和更高的帧速率。高阶调制占用较小的带宽,符号表示更多的信息/比特,但解调需要更高的SNR。

 

传输距离和发射机功率

在诸如UAV的应用中,最大传输距离是关键参数。然而,即使在有限的距离内也不能切断通信同样重要。氧气,水和其他障碍物(自由空间衰减除外)可以衰减信号。

图6显示了无线通信信道损耗模型。

 

图6.无线通信信道丢失模型。五

 

接收器灵敏度通常被视为解调或恢复来自发射器的信息所需的最小输入信号(Smin)。获得接收器灵敏度后,可以通过一些假设计算最大传输距离,如下所示:

 

 

  • (S / N)min是处理信号所需的最小信噪比

  • NF是接收器的噪声系数

  • k是玻尔兹曼常数= 1.38×10-23焦耳/ k

  • T0是接收器输入的绝对温度(开尔文)= 290K

  • B是接收机带宽(Hz)

参数(S / N.)min取决于调制/解调顺序。在相同的SNR下,低阶调制得到较低的符号误差,并且在相同的符号误差下,较高阶调制需要较高的SNR来进行解调。因此,当发射器远离接收器时,信号较弱并且SNR不能支持高阶解调。为了使发射机保持在线并保持具有相同视频数据速率的视频格式,基带应使用低阶调制,代价是增加带宽。这有助于确保接收的图像不会模糊。幸运的是,具有数字调制和解调功能的软件定义无线电提供了改变调制的能力。先前的分析基于发射器RF功率恒定的假设。

另外,载波频率将对传输距离产生影响。当波在空间中传播时,由于色散而存在损耗。自由空间损失由以下因素决定

 

 

其中R是距离,λ是波长,f是频率,C是光速。因此,较大的频率将在相同的自由空间距离上具有更多的损耗。例如,与相同传输距离下的2.4 GHz相比,5.8 GHz的载波频率将衰减超过7.66 dB。

 

射频和开关

AD9361 / AD9364的可编程频率范围为70 MHz至6 GHz。这将满足大多数NLOS频率应用,包括各种类型的许可和未许可频率,例如1.4 GHz,2.4 GHz和5.8 GHz。

2.4 GHz频率广泛用于Wi-Fi,蓝牙和物联网短距离通信,使其越来越拥挤。将其用于无线视频传输和控制信号会增加信号干扰和不稳定的可能性。这为无人机带来了不希望的,往往是危险的情况。使用频率切换来保持清洁频率将使数据和控制连接更加可靠。当发射器检测到拥挤的频率时,它会自动切换到另一个频段。例如,使用频率并且靠近操作的两个UAV将干扰彼此的通信。自动切换LO频率并重新选择频段将有助于保持稳定的无线链路。

 

跳频

快速跳频,广泛用于电子对抗(ECM),也有助于避免干扰。通常,如果我们想跳频率,PLL需要在程序之后重新锁定。这包括写入频率寄存器,以及经历VCO校准时间和PLL锁定时间,以使跳频的间隔接近几百微秒。图7显示了从816.69 MHz到802.03 MHz的跳变发射器LO频率的示例。AD9361用于正常频率变化模式,发送器RF输出频率从814.69 MHz跳至800.03 MHz,参考频率为10 MHz。使用E5052B测试跳频时间,如图7所示。根据图7b,VCO校准和PLL锁定时间约为500μs。信号源分析仪E5052B可用于捕获PLL瞬态响应。图7a示出了瞬态测量的宽带模式,而图7b和7d提供了具有跳频的频率和相位瞬态测量中的显着精细分辨率。6  图7c显示了输出功率响应。

 

图7.跳频频率从804.5 MHz到802 MHz,频率为500μs。

 

500μs是跳频应用的非常长的间隔。但是,AD9361 / AD9364具有快速锁定模式,通过在器件寄存器或基带处理器的存储空间中存储多组合成器编程信息(称为配置文件),可以实现比正常频率更快的速度。图8显示了使用快速锁定模式实现从882 MHz到802 MHz的跳频的测试结果。根据图8d的相位响应,时间下降到小于20μs。通过参考802MHz的相位绘制相位曲线。由于频率信息和校准结果保存在配置文件中,因此在该模式下消除了SPI写入时间和VCO校准时间。我们可以看到,图8b显示了AD9361 / AD9364的快速跳频功能。

 

图8.在快速锁定模式下,在20μs内将频率从882 MHz跳频到802 MHz。 

 

PHY层的实现 - OFDM

正交频分复用(OFDM)是一种信号调制形式,其将高数据速率调制流划分为许多缓慢调制的窄带近距离子载波。这使得它对选择性频率衰落不太敏感。

缺点是高峰值平均功率比和对载波偏移和漂移的敏感性。OFDM广泛应用于宽带无线通信PHY层。OFDM的关键技术包括IFFT / FFT,频率同步,采样时间同步和符号/帧同步。应尽可能以最快的方式通过FPGA实现IFFT / FFT。选择子载波的间隔也是非常重要的。该间隔应足够大以承受与多普勒频移的移动通信,并且足够小以在有限频率带宽内承载更多符号以提高频谱效率。COFDM是指编码技术和OFDM调制的组合。COFDM具有高抗信号衰减和前向纠错(FEC)优势,可以从任何移动物体发送视频信号。编码会增加信号带宽,但通常值得权衡。

通过将MathWorks的基于模型的设计和自动代码生成工具与功能强大的Xilinx Zynq SoC和ADI集成RF收发器相结合,SDR系统设计,验证,测试和实施可以比以往更加有效,从而实现更高性能的无线电系统并缩短上市时间。7

 

Wi-Fi有哪些优势?

配备Wi-Fi的无人机非常容易连接到手机,笔记本电脑和其他半导体移动设备,这使得它们使用起来非常方便。但对于无人机应用中的无线视频传输,FPGA + AD9361解决方案提供了许多优于Wi-Fi的优势。首先,在PHY层中,AD9361 / AD9364的灵活频率切换和快速跳变有助于避免干扰。大多数集成的Wi-Fi芯片也在拥挤的2.4 GHz频段上运行,没有频带重选机制,使无线连接更加稳定。

其次,利用FPGA和AD9361解决方案,设计人员可以灵活地定义和开发传输协议。Wi-Fi协议是标准的,基于与每个数据包的双向握手。使用Wi-Fi,每个数据包必须确认收到了数据包,并且数据包中的所有512个字节都是完整接收的。如果丢失一个字节,则必须再次传输整个512字节的数据包.8虽然该协议可确保数据可靠性,但重新建立无线数据链路既复杂又耗时。TCP / IP协议将导致高延迟,导致非实时视频和控制,这可能导致无人机崩溃。SDR解决方案(FPGA和AD9361)使用单向数据流,这意味着天空中的无人机像电视广播一样传输视频信号。

此外,Wi-Fi无法为许多应用程序提供适当级别的安全性。通过利用加密算法和用户定义的协议,FPGA和AD9361 / AD9364解决方案不易受到安全威胁的影响。

此外,单向广播数据流提供的传输距离能力是Wi-Fi接近的两到三倍。8  软件定义无线电功能的灵活性使数字调制/解调调整能够满足距离要求或适应复杂空间辐射环境中不断变化的信噪比。

 

结论

本文阐述了使用FPGA和AD9361 / AD9364解决方案实现高清无线视频传输的关键参数。通过灵活的频带切换和快速跳频,可以建立更稳定可靠的无线链路,以抵抗空间中日益复杂的辐射并降低崩溃的可能性。在协议层中,解决方案更灵活,使用单向传输来减少无线建立时间并创建更低延迟的连接。在农业,电力线检测和监视等工业和商业应用中,稳定,安全和可靠的传输对成功至关重要。