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        深圳市鵬鑫威科技有限公司

        無人機應用中的高清,低延遲,基于SDR的視頻傳輸

        發布時間:2019/07/11

         

        抽象

        集成的R??F敏捷收發器不僅廣泛應用于蜂窩電話基站中的軟件定義無線電(SDR)1架構,例如多業務分布式接入系統(MDAS)和小型小區,而且還用于工業,商業的無線高清視頻傳輸,和軍事應用,如無人駕駛飛行器(UAV)。本文將研究使用AD9361 / AD9364 2,3的寬帶無線視頻信號鏈實現 集成收發器IC,傳輸的數據量,相應的RF占用信號帶寬,傳輸距離和發射器的功率。它還將描述OFDM的PHY層的實現和當前跳頻時間測試結果以避免RF干擾。最后,我們將討論寬帶無線應用中Wi-Fi和RF敏捷收發器之間的優缺點。

        信號鏈

        圖1顯示了使用AD9361 / AD9364和BBIC的簡化無線視頻傳輸方案。相機捕捉圖像和視頻數據傳送到通過以太網基帶處理器,HDMI ®,USB或其他接口。圖像編碼/解碼可以由硬件或FPGA處理。RF前端包括可編程集成收發器的切換器,LNA和PA。

         

         

         

        圖1
        圖1.無線視頻傳輸圖。

         

         

        需要傳輸多少數據

        表1顯示了未壓縮和壓縮數據速率之間的顯著大小差異。通過使用高效視頻編碼(HEVC),也稱為H.265和MPEG-H第2部分,我們可以降低數據速率并節省帶寬。H.264是目前用于錄制,壓縮和分發視頻內容的最常用格式之一。它在視頻壓縮技術方面向前邁出了一大步,是廣泛使用的AVC(H.264或MPEG-4 Part 10)的幾個潛在繼承者之一。

         

         

         

        公式1

         

         

        表1總結了不同視頻格式的未壓縮和壓縮數據速率。假設包括32位的視頻位深度和60fps的幀速率。在1080p示例中,壓縮后的數據速率為7.45 Mbps,然后基帶處理器和無線PHY層可以輕松處理。

        表1.壓縮數據速率

         格式水平線垂直線像素未壓縮數據速率(Mbps)壓縮數據速率(Mbps)
        壓縮比= 200
        VGA 640480307,200 4422.2
        720P 1280720921,60013286.64
         1080192010802,073,600298614.93
         2K204811522,359,296340017.0
         4K 40962160  8847360 12740 63.7

        信號帶寬

        AD9361 / AD9364通過改變采樣率,數字濾波器和抽取,支持<200 kHz至56 MHz的通道帶寬。AD9361 / AD9364是零中頻收發器,具有I和Q通道,可傳輸復雜數據。復數數據包括分別對應于I和Q的實部和虛部,它們位于相同的頻率帶寬上,與單個部分相比,頻譜效率加倍。壓縮的視頻數據可以映射到I和Q信道以創建星座點,這些星座點被稱為符號。圖2顯示了一個16 QAM示例,其中每個符號代表四位。

         

         

        圖2
        圖2. 16 QAM星座。4

         

         

        圖3
        圖3.來自星座的I和Q數字波形。4
        圖4
        圖4.脈沖整形濾波器響應。4

        對于單載波系統,I和Q數字波形需要在DAC之前通過脈沖整形濾波器,以便在有限帶寬內對發射信號進行整形。FIR濾波器可用于脈沖整形,濾波器響應如圖4所示。為了保持信息的保真度,存在與符號率相對應的最小信號帶寬。符號率與壓縮視頻數據速率成比例,如下面的等式所示。對于OFDM系統,應使用IFFT將復數數據調制到子載波,IFFT還在有限帶寬內發送信號。

         

         

        公式2

         

         

        每個符號發送的比特數取決于調制順序。

         

         

        圖5
        圖5.調制順序。
        占用信號帶寬由下式給出, 

         

         

        公式3

        其中α是濾波器帶寬參數。

        從以前的公式我們可以推導出這個等式,

        公式4

        因此,我們可以計算出RF占用信號帶寬,如表2所示。

        表2.具有各種調制階數的占用RF信號帶寬(α= 0.5)

         格式壓縮數據速率(Mbps)QPSK(信號帶寬,MHz)16 QAM(信號帶寬,MHz)64 QAM(信號帶寬,MHz)
        VGA 2.21.3750.68750.4583
        720P 6.64.12502.06251.3750
         108014.99.31254.65633.1042
         2K17.010.62505.31253.5417
         4K 63.739.8125 19.906313.2708

        AD9361 / AD9364具有高達56 MHz的信號帶寬,支持所有表2視頻格式傳輸和更高的幀速率。高階調制占用較小的帶寬,符號代表更多的信息/比特,但解調需要更高的SNR。

        傳輸距離和發射機功率

        在諸如UAV的應用中,最大傳輸距離是關鍵參數。然而,即使在有限的距離內也不能切斷通信同樣重要。氧氣,水和其他障礙物(自由空間衰減除外)可以衰減信號。

        圖6顯示了無線通信信道損耗模型。

        圖6
        圖6.無線通信信道丟失模型。

        接收器靈敏度通常被視為解調或恢復來自發射器的信息所需的最小輸入信號(S min)。獲得接收器靈敏度后,可以通過一些假設計算最大傳輸距離,如下所示:

        公式5

        S / Nmin是處理信號所需的最小信噪比

        NF是接收器的噪聲系數

        k是玻爾茲曼常數= 1.38×10 -23  焦耳/ k

        0是接收器輸入的絕對溫度(開爾文)= 290 K.

        B是接收機帶寬(Hz)

        參數(S / Nmin取決于調制/解調順序。在相同的SNR下,低階調制得到較低的符號誤差,并且在相同的符號誤差下,較高階調制需要較高的SNR來解調。因此,當發射器遠離接收器時,信號較弱并且SNR不能支持高階解調。為了使發射機保持在線并保持具有相同視頻數據速率的視頻格式,基帶應使用低階調制,代價是增加帶寬。這有助于確保接收的圖像不會模糊。幸運的是,具有數字調制和解調功能的軟件定義無線電提供了改變調制的能力。先前的分析基于發射器RF功率恒定的假設。

        另外,載波頻率將對傳輸距離產生影響。當波在空間中傳播時,由于色散而存在損耗。自由空間損失由以下因素決定

        公式6

        其中R是距離,λ是波長,f是頻率,C是光速。因此,較大的頻率將在相同的自由空間距離上具有更多的損耗。例如,與相同傳輸距離的2.4 GHz相比,5.8 GHz的載波頻率將衰減超過7.66 dB。

        射頻和開關

        AD9361 / AD9364的可編程頻率范圍為70 MHz至6 GHz。這將滿足大多數NLOS頻率應用,包括各種類型的許可和未許可頻率,例如1.4 GHz,2.4 GHz和5.8 GHz。

        2.4 GHz頻率被廣泛使用的Wi-Fi,藍牙®和物聯網短距離通信,使其越來越擁擠。將其用于無線視頻傳輸和控制信號會增加信號干擾和不穩定的可能性。這為無人機創造了不希望的且通常是危險的情況。使用頻率切換來保持清潔頻率將使數據和控制連接更加可靠。當發射器檢測到擁擠的頻率時,它會自動切換到另一個頻段。例如,使用頻率并且靠近操作的兩個UAV將干擾彼此的通信。自動切換LO頻率并重新選擇頻段將有助于保持穩定的無線鏈路。在上電期間自適應地選擇載波頻率或信道是高端無人機的優秀特征之一。

        跳頻

        快速跳頻,廣泛用于電子對抗(ECM),也有助于避免干擾。通常,如果我們想跳頻,PLL需要在程序之后重新鎖定。這包括寫入頻率寄存器,以及經歷VCO校準時間和PLL鎖定時間,以使跳頻的間隔接近幾百微秒。圖7顯示了從816.69 MHz到802.03 MHz的跳變發射器LO頻率的示例。AD9361用于正常頻率變化模式,發送器RF輸出頻率從814.69 MHz跳至800.03 MHz,參考頻率為10 MHz。使用E5052B測試跳頻時間,如圖7所示。根據圖7b,VCO校準和PLL鎖定時間約為500μs。信號源分析儀E5052B可用于捕獲PLL瞬態響應。圖7a顯示了瞬態測量的寬帶模式,而圖7b和7d提供了頻率跳變的頻率和相位瞬態測量中的顯著精細分辨率。6圖7c顯示了輸出功率響應。

        圖7
        圖7.跳頻頻率從804.5 MHz到802 MHz,頻率為500μs。

        對于跳躍應用,500μs是非常長的間隔。但是,AD9361 / AD9364具有快速鎖定模式,通過在器件寄存器或基帶處理器的存儲空間中存儲多組合成器編程信息(稱為配置文件),可以實現比正常頻率更快的速度。圖8顯示了使用快速鎖定模式實現從882 MHz到802 MHz的跳頻的測試結果。根據圖8d的相位響應,時間下降到小于20μs。通過參考802MHz的相位繪制相位曲線。由于頻率信息和校準結果保存在配置文件中,因此在該模式下消除了SPI寫入時間和VCO校準時間。我們可以看到,圖8b顯示了AD9361 / AD9364的快速跳頻功能。

        圖8
        圖8.在快速鎖定模式下,在20μs內從882 MHz跳頻到802 MHz。

        PHY Layer-OFDM的實現

        正交頻分復用(OFDM)是一種信號調制形式,其將高數據速率調制流劃分為許多緩慢調制的窄帶近距離子載波。這使得它對選擇性頻率衰落不太敏感。缺點是峰值平均功率比高,載波偏移和漂移靈敏度高。OFDM廣泛應用于寬帶無線通信PHY層。OFDM的關鍵技術包括IFFT / FFT,頻率同步,采樣時間同步和符號/幀同步。IFFT / FFT應盡可能以最快的方式通過FPGA實現。選擇子載波的間隔也是非常重要的。該間隔應足夠大以承受與多普勒頻移的移動通信,并且足夠小以在有限頻率帶寬內承載更多符號以提高頻譜效率。COFDM是指編碼技術和OFDM調制的組合。COFDM具有高抗信號衰減和前向糾錯(FEC)優勢,可以從任何移動物體發送視頻信號。編碼將增加信號帶寬,但通常值得權衡。

        通過基于模型的設計和自動代碼生成工具,從與強大的Xilinx MathWorks公司合并®ZYNQ SoC和ADI公司集成的RF收發器,SDR系統設計,驗證,測試和實施可以比以往任何時候都更有效,從而導致更高的性能電臺系統和縮短上市時間。7

        Wi-Fi有哪些優勢?

        配備Wi-Fi的無人機非常容易連接到手機,筆記本電腦和其他移動設備,這使得它們使用起來非常方便。但對于無人機應用中的無線視頻傳輸,FPGA和AD9361解決方案提供了許多優于Wi-Fi的優勢。首先,在PHY層中,AD9361 / AD9364的靈活頻率切換和快速跳變有助于避免干擾。大多數集成的Wi-Fi芯片也在擁擠的2.4 GHz頻段上運行,沒有頻帶重選機制,使無線連接更加穩定。

        其次,利用FPGA和AD9361解決方案,設計人員可以靈活地定義和開發傳輸協議。Wi-Fi協議是標準的,基于與每個數據包的雙向握手。使用Wi-Fi,每個數據包必須確認收到了數據包,并且數據包中的所有512個字節都是完整接收的。如果丟失一個字節,則必須再次傳輸整個512字節的數據包。8雖然該協議確保了數據可靠性,但重新建立無線數據鏈路是復雜且耗時的。TCP / IP協議將導致高延遲,導致非實時視頻和控制,這可能導致無人機崩潰。SDR解決方案(FPGA和AD9361)使用單向數據流,這意味著天空中的無人機像電視廣播一樣傳輸視頻信號。當實時視頻成為目標時,沒有時間重新發送數據包。

        此外,Wi-Fi無法為許多應用程序提供適當級別的安全性。通過使用加密算法和用戶定義的協議,FPGA和AD9361 / AD9364解決方案不易受到安全威脅的影響。

        此外,單向廣播數據流提供的傳輸距離能力是Wi-Fi接近的兩到三倍。8軟件定義無線電功能的靈活性使數字調制/解調調整能夠滿足距離要求或適應復雜空間輻射環境中不斷變化的信噪比。

        結論

        本文闡述了使用FPGA和AD9361 / AD9364解決方案實現高清無線視頻傳輸的關鍵參數。通過靈活的頻帶切換和快速跳頻,可以建立更穩定可靠的無線鏈路,以抵御空間中日益復雜的輻射并降低崩潰的可能性。在協議層中,解決方案更靈活,使用單向傳輸來減少無線建立時間并創建更低延遲的連接。在農業,電力線檢測和監視等工業和商業應用中,穩定,安全和可靠的傳輸對成功至關重要。

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