无人机应用中的高清、低时延基于SDR的视频传输

集成射频捷变收发器不仅广泛用于软件定义无线电 （SDR）1蜂窝电话基站中的架构，例如多业务分布式接入系统 （MDAS） 和小型蜂窝，也用于工业、商业和军事应用的无线高清视频传输，例如无人机 （UAV）。本文将研究采用AD9361/AD9364的宽带无线视频信号链实现方案2,3集成收发器IC、传输的数据量、相应的RF占用信号带宽、传输距离以及发射器的功率。它还将描述OFDM的PHY层的实现，并介绍跳频时间测试结果，以避免RF干扰。最后，我们将讨论Wi-Fi和RF捷变收发器在宽带无线应用中的优缺点。

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前端包括开关稳压器、LNA和PA到可编程集成收发器。®

图1.无线视频传输示意图。

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著大小差异。通过使用高效视频编码（HEVC），也称为H.265和MPEG-H Part 2，我们可以降低数据速率并节省带宽。H.264 是目前录制、压缩和分发视频内容最常用的格式之一。它在视频压缩技术方面迈出了一大步，是广泛使用的AVC（H.264或MPEG-4第10部分）的几个潜在继任者之一。

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 32 位的视频位深度和 60 fps 的帧速率。在1080p示例中，压缩后的数据速率为7.45 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） 压缩比率 = 200
VGA	640	480	307,200	442	2.2
720p	1280	720	921,600	1328	6.64
1080点	1920	1080	2,073,600	2986	14.93
2k	2048	1152	2,359,296	3400	17.0
4k	4096	2160	8,847,360	12,740	63.7

 

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均为零中频收发器，具有I和Q通道，用于传输复数数据。复杂数据包括实部和虚部，分别对应于I和Q，它们位于相同的频率带宽上，与单个部分相比，频谱效率翻倍。压缩的视频数据可以映射到I和Q通道以创建星座点，称为符号。图 2 显示了一个 16 QAM 示例，其中每个符号代表 4 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，以便在有限的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，存在与符号速率相对应的最小信号带宽。符号速率与压缩视频数据速率成正比，如下式所示。对于OFDM系统，应使用IFFT将复杂数据调制到子载波，IFFT也在有限的带宽内传输信号。

每个符号传输的位数取决于调制顺序。

图5.调制顺序。

占用的信号带宽由下式给出，

其中α是滤波器带宽参数。

从前面的公式中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.占用的RF信号带宽，调制阶数（α = 0.5）

 

格式	压缩数据速率 （Mbps）	QPSK （信号带宽， 兆赫）	16 QAM （信号带宽， 兆赫）	64 QAM（信号带宽，兆赫）
VGA	2.2	1.375	0.6875	0.4583
720p	6.6	4.1250	2.0625	1.3750
1080点	14.9	9.3125	4.6563	3.1042
2k	17.0	10.6250	5.3125	3.5417
4k	63.7	39.8125	19.9063	13.2708

 

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，甚至支持更高的帧速率。高阶调制占用较小的带宽，符号表示更多的信息/位，但解调需要更高的SNR。

传输距离和发射功率

在无人机等应用中，最大传输距离是一个关键参数。然而，同样重要的是，即使在有限的距离内，通信也不要被切断。氧气、水和其他障碍物（自由空间衰减除外）会衰减信号。

图6显示了无线通信信道损耗模型。

图6.无线通信信道损耗模型。5

接收器灵敏度通常作为最小输入信号（S最小），需要解调或恢复来自发射器的信息。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)最小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/千

T0是接收器输入的绝对温度（开尔文）= 290 K

B 是接收器带宽 （Hz）

参数 （S/N)最小取决于调制/解调顺序。在相同的信噪比下，低阶调制得到的符号误差较低，而在相同的信噪比下，高阶调制需要更高的信噪比来解调。因此，当发射器远离接收器时，信号较弱，SNR无法支持高阶解调。为了保持发射器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，但代价是增加带宽。这有助于确保接收到的图像不会模糊。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。前面的分析基于发射器RF功率恒定的假设。虽然具有相同天线增益的更大RF发射功率将到达具有相同接收器灵敏度的更远接收器，但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，由于色散而存在损失。可用空间损失由下式确定

其中R是距离，λ是波长，f是频率，C是光速。因此，在相同的自由空间距离上，频率越大，损耗越大。例如，在相同的传输距离上，与2.4 GHz相比，5.8 GHz的载波频率将衰减7.66 dB以上。

射频频率和开关

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非许可频率，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机会。这给无人机带来了不希望且通常很危险的情况。使用频率切换来保持干净的频率将使数据和控制连接更加可靠。当发射机检测到拥挤的频率时，它会自动切换到另一个频段。例如，两架使用该频率并近距离运行的无人机会干扰彼此的通信。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。在上电期间自适应选择载波频率或信道是高端无人机的优秀特性之一。®

跳 频

广泛用于电子对抗（ECM）的快速跳频也有助于避免干扰。通常，如果我们想跳频，PLL需要在程序后重新锁定。这包括写入频率寄存器，并经过VCO校准时间和PLL锁定时间，以便跳频间隔近似于数百微秒。图7显示了从816.69 MHz跳频到802.03 MHz的发送器LO频率示例。AD9361在正常频率变化模式下使用，发射器RF输出频率从814.69 MHz跳至800.03 MHz，基准频率为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500 μs。信号源分析仪 E5052B 可用于捕获 PLL 瞬态响应。图7a显示了瞬态测量的宽带模式，而图7b和7d在跳频频率和相位瞬态测量中提供了非常精细的分辨率。6图7c显示了输出功率响应。

图7.跳频范围为 804.5 MHz 至 802 MHz，500 μs。

500 μs对于跳频应用来说是一个非常长的间隔。但是，AD9361/AD9364具有快速锁定模式，通过将频率合成器编程信息集（称为配置文件）存储在器件寄存器或基带处理器的存储器空间中，可以实现比正常频率更快的频率变化。图8显示了使用快速锁定模式实现882 MHz至802 MHz跳频的测试结果。根据图8d相位响应，时间降至20 μs以下。相位曲线是参考802 MHz的相位绘制的。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。如我们所见，图8b显示了AD9361/AD9364的快速跳频能力。

图8.在快速锁定模式下，跳频在 20 μs 内从 882 MHz 到 802 MHz。

物理层的实现 — OFDM

正交频分复用（OFDM）是一种信号调制形式，它将高数据速率调制流划分到许多缓慢调制的窄带近距离子载波上。这使得它对选择性频率衰落不太敏感。缺点是峰均功率比高，对载波失调和漂移敏感。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。IFFT/FFT应以最快的方式通过FPGA实现。选择子载波的间隔也非常重要。间隔应足够大以承受多普勒频移的移动通信，并且足够小以在有限的频率带宽内携带更多符号，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 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 集成射频收发器相结合，SDR 系统的设计、验证、测试和实施可以比以往更加有效，从而打造更高性能的无线电系统并缩短上市时间。®7

与 Wi-Fi 相比有哪些优势？

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加AD9361解决方案比Wi-Fi具有许多优势。首先，在PHY层，AD9361/AD9364的捷变频率切换和快速跳频有助于避免干扰。大多数集成的Wi-Fi芯片也在拥挤的2.4 GHz频段上运行，没有频段重新选择机制，以使无线连接更加稳定。

其次，借助FPGA加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，基于每个数据包的双向握手。使用Wi-Fi时，每个数据包都必须确认已收到数据包，并且数据包中的所有512字节都完好无损。如果一个字节丢失，则必须再次传输整个 512 字节数据包。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，从而导致非实时视频和控制，从而导致无人机坠毁。SDR解决方案（FPGA加AD9361）使用单向数据流，这意味着空中的无人机像电视广播一样传输视频信号。当实时视频是目标时，没有时间重新发送数据包。

此外，Wi-Fi 无法为许多应用程序提供适当的安全级别。通过利用加密算法和用户定义协议，FPGA加AD9361/AD9364解决方案更不容易受到安全威胁。

此外，单向广播数据流提供的传输距离能力是Wi-Fi方法的两到三倍。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，或者根据复杂空间辐射环境中不断变化的SNR进行调整。

结论

本文说明了使用FPGA加AD9361/AD9364解决方案实现高清无线视频传输的关键参数。通过敏捷的频段切换和快速跳频，可以建立更稳定可靠的无线链路，以抵抗太空中日益复杂的辐射并降低坠毁的概率。在协议层，解决方案更加灵活，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、电力线检查和监控等工业和商业应用中，稳定、安全和可靠的传输对于成功至关重要。

审核编辑：郭婷