无人飞行器应用中基于SDR的高分辨率、低延迟视频传输 (无人飞行器应用到的科技)
编辑:rootadmin
{本文由家电维修技术小编收集整理资料}集成式射频(RF)捷变收发器不仅广泛用于蜂窝电话基站的软件定义监听电(SDR)1架构，如多业务分布式接入*(MDAS)和小基站单元等，也适用于工业、商业以及军事应用中的监听高清*传输，如无人飞行器(U*)应用。本文将剖析使用AD/AD,3集成式收发器IC实现宽带**信号链的过程，以及传输的数据量、相应的RF占用信号带宽、传输距离和发射功率。文中还将描述OFDM物理层的实现，并列出用于避免射频干扰的跳频时间测试结果。最后，我们将讨论Wi-Fi和RF捷变收发器在宽带监听应用方面的优缺点。信号链图1所示为采用AD/AD和BBIC的简化**传输方案。*机捕捉到影像，并通过以太网、HDMI®、USB或其他接口将*数据发送至基带处理器。图像编码/*可通过硬件或FPGA处理。RF前端包括RF开关以及连接到可编程集成式收发器的LNA和PA。
每个符号对应的位数取决于调制阶数。图5.调制阶数。所占用信号带宽为其中α表示滤波器的带宽参数。根据前面的公式，可以推导出从而，我们可以计算出RF占用信号带宽，如表2中的总结所示。表2.各种调制阶数的RF占用信号带宽(α=0.)AD/AD可实现MHz信号带宽，支持表2中所有*格式的传输，并且支持更高的帧速率。高阶调制占用的带宽更小，每个码元可表示更多的信息/位，但是解调所需的信噪比(SNR)更高。传输距离和发射器功率在无人飞行器等应用中，最大传输距离是一个关键参数。但是，保持通信不中止同样很重要，即使距离较小时也是如此。氧气、水和其他障碍物（*空间衰减除外）可能会使信号衰减。图6显示了*通信通道损耗的模型。图6.*通信通道损耗模型。5通常将解调或恢复发射器信息所需的最小输入信号(Smin)作为*灵敏度。获得*灵敏度后，结合某些假设条件可计算出最大传输距离，如下所示：(S/N)min表示处理信号所需的最小信噪比NF表示*的噪声系数k表示玻尔兹曼常数,1.×–joule/kT0表示*输入的绝对温度（开尔文）=KB表示*带宽（单位Hz）参数(S/N)min与调制/解调阶数相关。在相同的信噪比下，低阶调制可得到更低的误码率，而在相同的误码率下，高阶调制需要更高的信噪比来解调。因此，如果发射器离*很远，则接收到的信号较弱，信噪比不足以支持高阶解调。为了使发射器保持在线状态，并使*格式保持同一*数据速率，则基带应使用低阶调制，其代价是增加带宽。这样有助于确保接收到的图像清晰不模糊。幸运的是，我们可通过具有数字调制和解调功能的软件定义监听电来改变调制方式。上述分析基于这样的假设条件：发射器的RF功率保持恒定。在天线增益相同时，较大的RF发射功率将能达到更远处具有相同接收灵敏度的*，尽管如此，最大发射功率应符合FCC/CE辐射标准。此外，载波频率也会对传输距离产生影响。当波在空间中传播时，会发生散射损耗。*空间损耗可由下式确定其中R为距离，λ为波长，f为频率，C为光速。因此，在相等的*空间距离上，频率越高，损耗越大。例如，相较于2.4GHz，载波频率为5.8GHz时在相同传输距离上的衰减将超过7.dB。RF频率和频率切换AD/AD输出覆盖MHz至6GHz的可编程频率范围。这将能满足大多数NLOS频率应用，包括不同类型的特许执照和免执照频段，比如1.4GHz、2.4GHz和5.8GHz。2.4GHz频段已广泛用于Wi-Fi、Bluetooth®以及物联网(IoT)短程通信，因此变得越来越拥挤。该频段用于**传输和控制信号将会增大信号干扰的几率和不稳定性。从而导致无人飞行器陷入*情况，这些情况往往十分危险。使用频率切换技术保持干净的频率通道，将确保数据和控制连接更可靠。当发射器觉察到拥挤频率时，它会自动切换到其他频带。例如，两架同时使用相同频率并且近距离工作的无人飞行器将会相互干扰对方的通信。自动切换LO频率并重新选择频带将有助于维持稳定的*链路。在上电期间自适应选择载波频率或通道是高端无人飞行器的一个杰出特性。跳频广泛应用于电子对抗(ECM)的快速跳频技术也有助于避免干扰。通常情况下，如果我们想要跳频，PLL需在程序执行后重新锁定。该过程包括写频率寄存器，然后经过VCO校准时间和PLL锁定时间，因此跳频间隔约为几百微秒。图7显示了跳频发射器的LO频率从.MHz跳变至.MHz的例子。AD用于正常频率变化模式，发射器RF输出频率从.MHz跳变至.MHz，参考频率为MHz。跳频时间通过EB测得，如图7所示。根据图7b，VCO校准和PLL锁定时间约为μs。信号源分析仪EB可用来捕捉PLL的瞬态响应。图7a显示了瞬态测量的宽带模式，而图7b和7d以显著高分辨率显示了跳频时的频率和相位瞬态测量值。6图7c则显示了输出功率响应。图7.频率从.5MHz跳变至MHz，历时μs。μs对于跳频应用来说是一段很长的时间间隔。不过，AD/AD支持一种快速锁定模式，通过将合成器编程信息集（称为配置文件）存入器件寄存器或基带处理器的存储空间，可使该过程比正常频率变化更快。图8显示了通过快速锁定模式使频率从MHz跳变至MHz的测试结果。根据图8d的相位响应，该时间可缩短至μs以下。相位曲线参照MHz的相位绘制。由于频率信息和校准结果均已保存在配置文件中，因此省去了SPI写入时间和VCO校准时间。我们可以看到，图8b显示了AD/AD的快速跳频性能。图8.在快速锁定模式下，频率在μs内从MHz跳变至MHz。物理层的实现—OFDM正交频分多路复用(OFDM)是一种信号调制技术，可将高数据速率调制流划分到多个缓慢调制的窄带密集的子载波上。因此，信号不易受到选择性频率衰减的影响。其缺点是峰均功率比较高，并且对载波偏移和漂移比较敏感。OFDM广泛应用于宽带监听电通信物理层。OFDM的关键技术包括IFFT/FFT、频率同步、采样时间同步、码元/帧同步。IFFT/FFT可通过FPGA以最快方式实现。子载波间隔的选择也十分重要。该间隔不应太小，应足以对抗运动通信中的多普勒频移；但也不应太大，以便在有限的频率带宽内携带更多码元符号，从而提高频谱效率。COFDM是指编码技术和OFDM调制的结合。COFDM对信号衰减的承受能力较强，并且具有前向纠错(FEC)功能，因此可以从任何移动对象发送*信号。其编码技术将会增大信号带宽，但此代价通常是值得的。通过将MathWorks基于模型的设计和自动生成代码工具与强大的Xilinx®ZynqSoC以及ADI公司的集成式射频(RF)收发器相结合，SDR*的设计、验证、测试和实现可以比以前更高效，进而提高监听电*的性能并缩短上市时间。7相较于Wi-Fi具有哪些优势?配备Wi-Fi的无人飞行器可以很容易地连接到*、笔记本电脑和其他移动设备，因此使用起来非常方便。但是，对于无人飞行器应用中的**传输，FPGA和AD解决方案具有很多胜过Wi-Fi的优点。首先，AD/AD在物理层可通过捷变频率切换和快速跳频避免干扰。而大多数集成Wi-Fi芯片仍工作于拥挤的2.4GHz频带，没有频带选择机制来确保更稳定地监听连接。其次，若采用FPGA和AD解决方案，可由设计工程师灵活定义和开发传输协议。而Wi-Fi协议为标准协议，基于每个数据包的双向握定位器制。在使用Wi-Fi时，每个数据包必须确认该包已收到并且包中字节数据在收到时完整无缺。如果丢失一个字节，则整个字节数据包必须重新发送。8虽然该协议能够确保数据的可靠性，但重新建立监听数据链路的过程非常复杂且费时。TCP/IP协议带来的高延迟将会造成非实时*和控制，从而可能导致无人飞行器*。而SDR解决方案（FPGA加AD）使用一个单向数据流，也就是说，空中的无人飞行器可像电视广播一样传输*信号。当目标是获取实时*时，就没有重新发送数据包的时间。再者，对于很多应用，Wi-Fi不能保证适当的安全等级。FPGA加AD/AD解决方案利用加密算法和自定义协议，因此不易受到安全威胁的影响。与此同时，单向广播数据流可实现的传输距离是Wi-Fi传输距离的两至三倍。8软件定义*电的灵活性使得数字调制/解调可以根据距离需求而调整，并且适应复杂空间辐射环境中变化的SNR。结论本文阐述了使用FPGA和AD/AD解决方案实现高清监听*传输的关键参数。凭借捷变频段切换和快速跳频技术，可建立一个更稳定、可靠的*链路，以对抗空间中日益复杂的辐射环境并减小*几率。在协议层，该解决方案使用单向传输以缩减监听链路的建立时间并实现低延迟连接，因此更灵活。在农业生产、电力线检查及监督等*业应用中，稳定、安全和可靠的传输是成功的关键。参考电路1ADI的软件定义*电解决方案。ADI公司。2AD数据手册。ADI公司。3AD数据手册。ADI公司。4KenGentile.应用笔记AN-：数字脉冲整形滤波器基本知识。ADI公司。5ScottR.Bullock。数字通信的收发器和*设计，第4版。SciTechPublishing，Edison，NJ，。6EB信号源分析仪，高级相位噪声和瞬态测量技术。安捷*司，年。7DiPu,AndreiCozma,andTomHill.
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图1.**传输示意图。需要传输多少数据表1列出了未压缩数据速率和压缩数据速率之间的显著差异。通过使用高效*编码(HEVC)技术，也就是H.和MPEG-H第2部分，可以降低数据速率并节省带宽。H.是目前最常用于录像、压缩及*内容分布的格式。它体现了*压缩技术的巨大进步，并且在未来有可能接替现已广泛使用的*C（H.和MPEG-4第部分）技术。表1总结了不同*格式下的未压缩和已压缩数据速率。其假设条件是*的位深度为位，帧速率为fps。在p的例子中，压缩后的数据速率为.Mbps，这样的数据率才会更加容易地被基带处理器和监听物理层进行处理。表1.压缩数据速率信号带宽通过改变采样速率、数字滤波器和抽取参数，AD/AD可支持的通道带宽范围为低于kHz到MHz。AD/AD为零中频收发器，具有用来发射复数数据的I通道和Q通道。复数数据含有实部和虚部，分别对应I通道和Q通道，它们位于同一频带上，因此其频谱效率是单通道频谱效率的两倍。压缩*数据可以映射到I和Q通道以创建星座点，也就是符号。图2显示了一个QAM的例子，每个星座点符号代表四个二进制比特。图2.QAM星座图。4图3.星座图中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*，I和Q数字波形在进入DAC之前需要通过脉冲整形滤波器，使所传输的信号在有限带宽内成形。脉冲整形可使用FIR滤波器，滤波器响应如图4所示。为了确保信息逼真度，必须满足对应于符号速率的最小信号带宽。符号速率与压缩*数据成正比，如下式所示。对于OFDM*，应使用IFFT将复数数据调制到各个子载波上，使其在有限带宽内传输信号。每个符号对应的位数取决于调制阶数。图5.调制阶数。所占用信号带宽为其中α表示滤波器的带宽参数。根据前面的公式，可以推导出从而，我们可以计算出RF占用信号带宽，如表2中的总结所示。表2.各种调制阶数的RF占用信号带宽(α=0.)AD/AD可实现MHz信号带宽，支持表2中所有*格式的传输，并且支持更高的帧速率。高阶调制占用的带宽更小，每个码元可表示更多的信息/位，但是解调所需的信噪比(SNR)更高。传输距离和发射器功率在无人飞行器等应用中，最大传输距离是一个关键参数。但是，保持通信不中止同样很重要，即使距离较小时也是如此。氧气、水和其他障碍物（*空间衰减除外）可能会使信号衰减。图6显示了*通信通道损耗的模型。图6.*通信通道损耗模型。5通常将解调或恢复发射器信息所需的最小输入信号(Smin)作为*灵敏度。获得*灵敏度后，结合某些假设条件可计算出最大传输距离，如下所示：(S/N)min表示处理信号所需的最小信噪比NF表示*的噪声系数k表示玻尔兹曼常数,1.×–joule/kT0表示*输入的绝对温度（开尔文）=KB表示*带宽（单位Hz）参数(S/N)min与调制/解调阶数相关。在相同的信噪比下，低阶调制可得到更低的误码率，而在相同的误码率下，高阶调制需要更高的信噪比来解调。因此，如果发射器离*很远，则接收到的信号较弱，信噪比不足以支持高阶解调。为了使发射器保持在线状态，并使*格式保持同一*数据速率，则基带应使用低阶调制，其代价是增加带宽。这样有助于确保接收到的图像清晰不模糊。幸运的是，我们可通过具有数字调制和解调功能的软件定义监听电来改变调制方式。上述分析基于这样的假设条件：发射器的RF功率保持恒定。在天线增益相同时，较大的RF发射功率将能达到更远处具有相同接收灵敏度的*，尽管如此，最大发射功率应符合FCC/CE辐射标准。此外，载波频率也会对传输距离产生影响。当波在空间中传播时，会发生散射损耗。*空间损耗可由下式确定其中R为距离，λ为波长，f为频率，C为光速。因此，在相等的*空间距离上，频率越高，损耗越大。例如，相较于2.4GHz，载波频率为5.8GHz时在相同传输距离上的衰减将超过7.dB。RF频率和频率切换AD/AD输出覆盖MHz至6GHz的可编程频率范围。这将能满足大多数NLOS频率应用，包括不同类型的特许执照和免执照频段，比如1.4GHz、2.4GHz和5.8GHz。2.4GHz频段已广泛用于Wi-Fi、Bluetooth®以及物联网(IoT)短程通信，因此变得越来越拥挤。该频段用于**传输和控制信号将会增大信号干扰的几率和不稳定性。从而导致无人飞行器陷入*情况，这些情况往往十分危险。使用频率切换技术保持干净的频率通道，将确保数据和控制连接更可靠。当发射器觉察到拥挤频率时，它会自动切换到其他频带。例如，两架同时使用相同频率并且近距离工作的无人飞行器将会相互干扰对方的通信。自动切换LO频率并重新选择频带将有助于维持稳定的*链路。在上电期间自适应选择载波频率或通道是高端无人飞行器的一个杰出特性。跳频广泛应用于电子对抗(ECM)的快速跳频技术也有助于避免干扰。通常情况下，如果我们想要跳频，PLL需在程序执行后重新锁定。该过程包括写频率寄存器，然后经过VCO校准时间和PLL锁定时间，因此跳频间隔约为几百微秒。图7显示了跳频发射器的LO频率从.MHz跳变至.MHz的例子。AD用于正常频率变化模式，发射器RF输出频率从.MHz跳变至.MHz，参考频率为MHz。跳频时间通过EB测得，如图7所示。根据图7b，VCO校准和PLL锁定时间约为μs。信号源分析仪EB可用来捕捉PLL的瞬态响应。图7a显示了瞬态测量的宽带模式，而图7b和7d以显著高分辨率显示了跳频时的频率和相位瞬态测量值。6图7c则显示了输出功率响应。图7.频率从.5MHz跳变至MHz，历时μs。μs对于跳频应用来说是一段很长的时间间隔。不过，AD/AD支持一种快速锁定模式，通过将合成器编程信息集（称为配置文件）存入器件寄存器或基带处理器的存储空间，可使该过程比正常频率变化更快。图8显示了通过快速锁定模式使频率从MHz跳变至MHz的测试结果。根据图8d的相位响应，该时间可缩短至μs以下。相位曲线参照MHz的相位绘制。由于频率信息和校准结果均已保存在配置文件中，因此省去了SPI写入时间和VCO校准时间。我们可以看到，图8b显示了AD/AD的快速跳频性能。图8.在快速锁定模式下，频率在μs内从MHz跳变至MHz。物理层的实现—OFDM正交频分多路复用(OFDM)是一种信号调制技术，可将高数据速率调制流划分到多个缓慢调制的窄带密集的子载波上。因此，信号不易受到选择性频率衰减的影响。其缺点是峰均功率比较高，并且对载波偏移和漂移比较敏感。OFDM广泛应用于宽带监听电通信物理层。OFDM的关键技术包括IFFT/FFT、频率同步、采样时间同步、码元/帧同步。IFFT/FFT可通过FPGA以最快方式实现。子载波间隔的选择也十分重要。该间隔不应太小，应足以对抗运动通信中的多普勒频移；但也不应太大，以便在有限的频率带宽内携带更多码元符号，从而提高频谱效率。COFDM是指编码技术和OFDM调制的结合。COFDM对信号衰减的承受能力较强，并且具有前向纠错(FEC)功能，因此可以从任何移动对象发送*信号。其编码技术将会增大信号带宽，但此代价通常是值得的。通过将MathWorks基于模型的设计和自动生成代码工具与强大的Xilinx®ZynqSoC以及ADI公司的集成式射频(RF)收发器相结合，SDR*的设计、验证、测试和实现可以比以前更高效，进而提高监听电*的性能并缩短上市时间。7相较于Wi-Fi具有哪些优势?配备Wi-Fi的无人飞行器可以很容易地连接到*、笔记本电脑和其他移动设备，因此使用起来非常方便。但是，对于无人飞行器应用中的**传输，FPGA和AD解决方案具有很多胜过Wi-Fi的优点。首先，AD/AD在物理层可通过捷变频率切换和快速跳频避免干扰。而大多数集成Wi-Fi芯片仍工作于拥挤的2.4GHz频带，没有频带选择机制来确保更稳定地监听连接。其次，若采用FPGA和AD解决方案，可由设计工程师灵活定义和开发传输协议。而Wi-Fi协议为标准协议，基于每个数据包的双向握定位器制。在使用Wi-Fi时，每个数据包必须确认该包已收到并且包中字节数据在收到时完整无缺。如果丢失一个字节，则整个字节数据包必须重新发送。8虽然该协议能够确保数据的可靠性，但重新建立监听数据链路的过程非常复杂且费时。TCP/IP协议带来的高延迟将会造成非实时*和控制，从而可能导致无人飞行器*。而SDR解决方案（FPGA加AD）使用一个单向数据流，也就是说，空中的无人飞行器可像电视广播一样传输*信号。当目标是获取实时*时，就没有重新发送数据包的时间。再者，对于很多应用，Wi-Fi不能保证适当的安全等级。FPGA加AD/AD解决方案利用加密算法和自定义协议，因此不易受到安全威胁的影响。与此同时，单向广播数据流可实现的传输距离是Wi-Fi传输距离的两至三倍。8软件定义*电的灵活性使得数字调制/解调可以根据距离需求而调整，并且适应复杂空间辐射环境中变化的SNR。结论本文阐述了使用FPGA和AD/AD解决方案实现高清监听*传输的关键参数。凭借捷变频段切换和快速跳频技术，可建立一个更稳定、可靠的*链路，以对抗空间中日益复杂的辐射环境并减小*几率。在协议层，该解决方案使用单向传输以缩减监听链路的建立时间并实现低延迟连接，因此更灵活。在农业生产、电力线检查及监督等*业应用中，稳定、安全和可靠的传输是成功的关键。参考电路1ADI的软件定义*电解决方案。ADI公司。2AD数据手册。ADI公司。3AD数据手册。ADI公司。4KenGentile.应用笔记AN-：数字脉冲整形滤波器基本知识。ADI公司。5ScottR.Bullock。数字通信的收发器和*设计，第4版。SciTechPublishing，Edison，NJ，。6EB信号源分析仪，高级相位噪声和瞬态测量技术。安捷*司，年。7DiPu,AndreiCozma,andTomHill. 
