高清晰度、低延迟、SDR-Based在无人机视频传输应用

敏捷集成射频收发器不仅广泛用于软件定义无线电(SDR)在移动电话基站架构,如通用分布式访问系统(mda)和小细胞,但也为无线高清视频传输工业、商业和军事应用,如无人机(uav)。

本文将研究宽带无线视频信号链实现使用AD9361/AD9364^2、3集成收发器集成电路,传输的数据量,相应的射频信号带宽、传输距离和发射机的权力。它还将描述PHY层的实现OFDM和现在的跳频时间测试结果,以避免射频干扰。最后,我们将讨论的优点和缺点在wi - fi和敏捷射频收发器在宽带无线应用程序。

信号链

图1说明了简化无线视频传输方案使用AD9361 / AD9364 BBIC。摄像头捕捉图像,将视频数据传输到一个基带处理器通过以太网,HDMI, USB,或者另一个接口。图像编码/解码可以由硬件或FPGA处理。射频前端包括切换器、LNA、和PA可编程集成收发器。

图1所示。无线视频传输图。

多少数据需要传输吗?

表1显示了重要的未压缩和压缩数据速率之间的大小差异。通过使用高效视频编码(HEVC),也称为H.265和MPEG-H第2部分,我们可以降低数据率和节省带宽。h是目前最常用的记录格式,压缩和视频内容的分布。它提供了一个巨大的进步在视频压缩技术和几个潜在的继任者之一是广泛使用的AVC (h或mpeg - 4部分10)。

表1总结了未压缩和压缩的数据率在不同的视频格式。假设包括视频比特深度24位和60 fps的帧速率。在1080 p的例子中,压缩后的数据率是14.93 Mbps,然后可以很容易地由基带处理器和无线PHY层。

表1。压缩数据速率

格式	水平线	垂直的线	像素	未压缩的数据率(Mbps)	压缩数据率(Mbps)压缩比率= 200
VGA	640年	480年	307200年	442年	2.2
720便士	1280年	720年	921600年	1328年	6.64
1080便士	1920年	1080年	2073600年	2986年	14.93
2 k	2048年	1152年	2359296年	3400年	17.0
4 k	4096年	2160年	847360	12740年	63.7

信号带宽

从< AD9361 / AD9364支持通道带宽200千赫至56兆赫通过改变采样率,数字滤波器,并大量毁灭。AD9361 / AD9364是0,如果接收器与I和Q通道传输的复杂数据。复杂的数据包括实部和虚部,分别对应于我和问,定位在相同的频率带宽翻倍频谱效率相比,一个组成部分。压缩视频数据可以被映射到I和Q通道创建星座点,这被称为符号。图2显示了一个16 QAM的例子,每个符号代表四位。

图2。16 QAM星座。⁴

图3。我和Q数字波形的星座。⁴

图4。脉冲整形滤波器响应。⁴

对于单载波系统,I和Q数字波形需要通过一个脉冲整形滤波器在DAC为了形状有限的带宽内传输信号。一个冷杉过滤器可以用于脉冲整形,滤波器响应如图4所示。为了保持信息的保真度,有一个最小信号带宽对应符号率。和符号速率正比于压缩视频数据率如下所示的方程。对于OFDM系统,复杂的数据应该使用传输线的副载波调制,也传送的信号在一个有限的带宽。

每个符号的传输的比特数取决于调制顺序。

图5。调制顺序。

被占领的信号带宽是由,

α是滤波器带宽参数。

从之前的公式我们可以推断出这个方程,

所以我们可以计算出射频信号带宽占领总结如表2所示。

表2。占领了射频信号带宽与类型的调制顺序(α= 0.25)

格式	压缩数据率(Mbps)	QPSK(信号BW, MHz	16 QAM(信号BW, MHz)	64 QAM信号,BW MHz)
VGA	2.2	1.375	0.6875	0.4583
720便士	6.6	4.1250	2.0625	1.3750
1080便士	14.9	9.3125	4.6563	3.1042
2 k	17.0	10.6250	5.3125	3.5417
4 k	63.7	39.8125	19.9063	13.2708

AD9361 / AD9364,高达56兆赫信号带宽,支持所有的表2视频格式传输和更高的帧速率。高阶调制占据了较小的带宽和象征代表更多的信息/位,但解调需要更高的信噪比。

传输距离和发射机的力量

应用,如无人机的最大传输距离是一个关键参数。然而,同样重要的是,通信不中断甚至在有限的距离。氧气、水和其他障碍(自由空间衰减除外)可以减弱的信号。

图6显示了无线通信channel-loss模型。

图6。无线通信信道损耗模型。⁵

接收机灵敏度通常是作为解调所需的最小输入信号(股市)或恢复信息从发射机。接收机灵敏度,最大传输距离可以通过一些假设,计算如下所示:

• (^年代/_N)分钟处理所需的最小信噪比的信号
• NF接收机的噪声图
• 玻尔兹曼常数k = 1.38×10-23焦耳/ k
• T0的绝对温度接收机输入(开尔文)= 290 K
• B是接收机带宽(赫兹)

的参数(^年代/_N)最小值取决于调制/解调秩序。同样的信噪比,低阶调制符号误差较低,和相同的符号错误,高阶调制解调需要更高的信噪比。所以,当发射机远离接收机,信号弱和信噪比不能支持高阶解调。为了保证发射机的在线和维护一个视频格式相同的视频数据率、基带应该使用低阶调制为代价增加带宽。这有助于确保接收到的图像不模糊。幸运的是,软件定义无线电数字调制和解调提供能力改变调制。前面的分析是基于假设发射机功率是恒定的。而更大的射频发射功率相同的天线增益将达到一个更遥远的接收者相同的接收机灵敏度,最大传输功率应符合FCC / CE辐射标准。

此外,载波频率将有一个对传输距离的影响。波在空间中传播,由于色散有损失。损失是由自由空间

R是距离,λ是波长,频率,C是光速。因此,更大的频率将会有更多的损失在同一自由空间距离。例如,载波频率为5.8 GHz将衰减比2.4 GHz 7.66 dB以上相同的传输距离。

射频频率和开关

AD9361 / AD9364有可编程频率范围从70 MHz到6 GHz。这将满足大多数仿真结果频率应用程序,包括各种类型的许可和授权频率,如1.4 GHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz。

2.4 GHz频率被广泛用于wi - fi,蓝牙,和物联网短程通信,使它越来越拥挤。使用无线视频传输和控制信号增加信号干扰和不稳定的机会。这就产生了不良,为无人机危险境遇。使用频率开关保持清洁频率将保持数据和控制连接更可靠。当发射机感觉拥挤的频率时,它会自动切换到另一个乐队。例如,两个无人机近距离使用的频率和操作将干扰彼此的沟通。自动切换损失频率和重新选择乐队将有助于维持一个稳定的无线连接。自适应选择载波频率或通道升高期间是出色的高端无人机特点之一。

跳频

快速跳频,广泛应用于电子对抗(ECM),也有助于避免干扰。通常如果我们想跳频、锁相环需要重新手术后。这包括写寄存器,频率和经历VCO校准时间和锁相环锁定时间的间隔跳跃频率近似数百微秒。图7显示了一个示例的跳跃发射机频率为816.69 MHz至802.03 MHz。AD9361用于正常的频率变化的模式和发射机射频输出频率从814.69 MHz跳到800.03 MHz, 10 MHz参考频率。跳频时间测试通过使用E5052B如图7所示。VCO校准和锁相环锁定时间大约是500µs根据图7 b。信号源分析器E5052B可以用来捕获锁相环瞬态响应。图7显示了宽带模式的瞬态测量,而图7 b和7 d提供显著的高分辨率的频率和相位与跳频瞬态测量。⁶图7 c显示输出功率的响应。

图7。跳跃频率为804.5 MHz到802 MHz和500µs。

500µs是一个很长的间隔跳频应用程序。然而,AD9361 / AD9364包括快速锁定模式,可以实现速度比正常频率合成器的编程信息的变更通过存储集(称为概要文件)在设备的寄存器或基带处理器的内存空间。图8显示了测试结果通过使用快速锁定模式实现跳跃从882兆赫到802兆赫频率。时间不到20µs,根据图8 d相位响应。相位曲线是由指802 MHz的阶段。SPI写作时间和VCO校准时间都是消除在这种模式由于频率信息和校准结果被保存在配置文件。正如我们所看到的,图8 b显示了AD9361 / AD9364快速跳频功能。

图8。内跳跃频率从882兆赫到802兆赫20µs快速锁定模式。

PHY层- OFDM的实现

正交频分复用(OFDM)是一种信号调制,高数据率调制流到许多副载波非常接近的正弦信号调制窄带较缓慢。这使得它不太敏感的频率选择性衰落。

缺点是高的峰值平均功率比和灵敏度载波偏移和漂移。OFDM是广泛应用于宽带无线通信PHY层。OFDM的关键技术包括传输线/ FFT频率同步、采样时间同步和符号/帧同步。传输线/应通过FPGA实现FFT的最快方式。它也是非常重要的选择副载波的间隔。间隔应足以承受移动通信与多普勒频移和足够小,携带更多的符号在有限的频率带宽提高频谱效率。问题影响指编码技术和OFDM调制的结合。问题影响的高电阻信号衰减和前向纠错(FEC)优势可以发送视频信号移动物体。编码将增加信号带宽,但通常是值得的交易。

结合基于模型的设计和自动代码生成工具与强大的Xilinx MathWorks Zynq soc集成射频收发器和模拟设备,特别提款权系统设计、验证、测试和实现可以比以往任何时候都更有效,导致更高的性能无线电系统和减少投放市场的时间。⁷

wi - fi的优势是什么?

无人机配备wi - fi很容易连接到手机,笔记本电脑,和其他移动设备,这使他们非常方便使用。但是对于无人机无线视频传输应用中,FPGA + AD9361 wi - fi的解决方案提供了许多优势。首先,在PHY层,敏捷频率转换和快速跳跃AD9361 / AD9364帮助避免干扰。大多数集成无线芯片操作没有频带的频率为2.4 GHz拥挤重新选择机制的无线连接更稳定。

其次,通过FPGA + AD9361解决方案,可以定义传输协议和由设计师开发灵活。无线网络协议标准和基于双向握手与每一个数据包。wi - fi,每个数据包都有确认收到包,512字节的包都收到完好无损。如果一个字节丢失,整个512字节数据包必须再次传播。8While this protocol ensures data reliability, it is complex and time-consuming to re-establish the wireless data link. The TCP/IP protocol will cause high latency that results in nonreal-time video and control, which can lead to a UAV crash. The SDR solution (FPGA plus AD9361) uses a one-way stream of data, which means the drone in the sky transmits the video signal like a TV broadcast. There is no time for resending packets when real-time video is the goal.

此外,wi - fi并不为很多应用程序提供适当的安全级别。利用加密算法和用户定义的协议,FPGA + AD9361 / AD9364解决方案是更容易受到安全威胁。

此外,单向广播数据流提供传输距离能力wi - fi的两到三倍的方法。⁸软件定义无线电功能的灵活性使数字调制/解调调整来满足距离要求或和适应变化的复杂的空间辐射环境中的信噪比。

结论

本文说明了使用FPGA的关键参数+ AD9361 / AD9364高清无线视频传输解决方案的实现。和敏捷频段切换频率快速跳跃,可以建立一个更加稳定和可靠的无线连接抵抗日益复杂的辐射在空间和减少碰撞的概率。协议层的解决方案更为灵活,使用单向传输减少无线建立时间和创建一个更低的延迟连接。在工业和商业应用程序(如农业、电源检查、监测、稳定、安全、可靠的传输对成功是至关重要的。

引用

1软件定义无线电解决方案从模拟设备。模拟设备公司。

2AD9361数据表。模拟设备公司。

3AD9364数据表。模拟设备公司。

4肯外邦人。应用程序指出一个- 922数字脉冲整形滤波器基础知识(PDF)。模拟设备公司。

5斯科特·r·布洛克。数字通信收发器和系统设计,第四版。科技出版、爱迪生、新泽西,2014年。

6E5052B信号源分析仪,先进的阶段噪音和瞬态测量技术。安捷伦科技公司,2007年版。

7 Di Pu,安德烈•Cozma和汤姆·希尔。”四个快速步骤生产:对软件定义无线电使用基于模型的设计“模拟对话,49卷,2015。

8约翰·洛克。”比较收幻影4 Lightbridge vs Yuneec台风H的wi - fi,“无人机进行比较。

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