Высокая четкость, низкая задержка, передача видео на основе sdr в приложениях uav

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Высокая четкость, низкая задержка, передача видео на основе SDR в приложениях для БПЛА

Интегрированные РЧ-приемопередатчики не только широко используются в программно-ориентированных радиоресурсах (SDR) в сотовых телефонных базовых станциях, таких как мультисервисная система распределенного доступа (MDAS) и малая ячейка, но также и для беспроводной передачи видео высокой четкости для промышленных, коммерческих и военных применений, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

В этой статье будет рассмотрена реализация цепочки широкополосных беспроводных видеосигналов с использованием интегрированных IC-приемопередатчиков AD9361 / AD9364 ^{2, 3}, количества переданных данных, соответствующей полосы пропускания сигнала RF, расстояния передачи и мощности передатчика. Он также будет описывать реализацию уровня PHY OFDM и текущих результатов теста частоты скачкообразного изменения частоты во избежание радиочастотных помех. Наконец, мы обсудим преимущества и недостатки Wi-Fi и высокоскоростного приемопередатчика RF в широкополосных беспроводных приложениях.

Цепочка сигналов

На рисунке 1 показана упрощенная схема беспроводной передачи видео с использованием AD9361 / AD9364 и BBIC. Камера фиксирует изображение и передает видеоданные на процессор основной полосы пропускания через Ethernet, HDMI, USB или другой интерфейс. Кодирование / декодирование изображений можно обрабатывать с помощью аппаратного обеспечения или FPGA. RF-фронт включает в себя коммутатор, LNA и PA для программируемого встроенного трансивера.

Рисунок 1. Диаграмма беспроводной видеосвязи

Сколько данных необходимо передать?

В таблице 1 показана существенная разница в размерах между несжатыми и сжатыми скоростями передачи данных. Используя высокоэффективное видеокодирование (HEVC), также известное как H.265 и MPEG-H Part 2, мы можем снизить скорость передачи данных и сэкономить полосу пропускания. H.264 в настоящее время является одним из наиболее часто используемых форматов для записи, сжатия и распространения видеоконтента. Он представляет огромный шаг вперед в технологии сжатия видео и является одним из нескольких потенциальных преемников широко используемого AVC (H.264 или MPEG-4 Part 10).

В таблице 1 приведены несжатые и сжатые скорости передачи данных в разных видеоформатах. Предположения включают в себя битовую глубину видео 24 бит и частоту кадров 60 кадров в секунду. В примере 1080p скорость передачи данных составляет 14, 93 Мбит / с после сжатия, что затем может быть легко обработано процессором основной полосы частот и беспроводным PHY-уровнем.

Таблица 1. Скорость сжатия данных

Формат	Горизонтальные линии	Вертикальные линии	Пиксели	Скорость несжатой передачи данных (Мбит / с)	Сжатая скорость передачи данных (Мбит / с) Сжатый коэффициент = 200
VGA	640	480	307200	442	2, 2
720p	1280	720	921600	1328	6, 64
1080p	1920	1080	2073600	2986	14, 93
2к	2048	1152	2359296	3400	17, 0
4k	4096	2160	8, 847360	12740	63, 7

Полоса пропускания сигнала

Ширина полосы поддержки AD9361 / AD9364 составляет от 200 кГц до 56 МГц путем изменения частоты дискретизации, цифровых фильтров и прореживания. AD9361 / AD9364 являются приемопередатчиками с нулевым уровнем IF с I и Q каналами для передачи сложных данных. Комплексные данные включают в себя реальные и мнимые части, соответствующие I и Q соответственно, которые располагаются на одной и той же частотной полосе частот, чтобы удвоить эффективность спектра по сравнению с одной частью. Сжатые видеоданные могут быть отображены в каналы I и Q для создания точек созвездия, которые называются символами. На рисунке 2 показан пример 16 QAM, где каждый символ представляет четыре бита.

Рисунок 2. 16 Созвездие QAM. ⁴

Рисунок 3. I и Q цифровой сигнал от созвездия. ⁴

Рисунок 4. Импульсный фильтр. ⁴

Для системы с одной несущей цифровой сигнал I и Q должен проходить через фильтр формирования импульсов перед ЦАП для формирования передаваемого сигнала в пределах ограниченной полосы пропускания. Фильтр FIR может использоваться для формирования импульса, а отклик фильтра показан на рисунке 4. Для поддержания точности информации существует минимальная ширина полосы сигнала, соответствующая скорости передачи символов. И скорость символа пропорциональна сжатой скорости видеоданных, как показано в приведенном ниже уравнении. Для системы OFDM сложные данные должны модулироваться поднесущим с использованием IFFT, который также передает сигнал в ограниченной полосе пропускания.

Количество бит, передаваемых с каждым символом, зависит от порядка модуляции.

Рисунок 5. Порядок модуляции

Полоса занятого сигнала задается,

В которой α - параметр полосы пропускания фильтра.

Из предыдущих формул можно вывести это уравнение,

Таким образом, мы можем рассчитать полосу пропускания радиочастотного сигнала, как показано в таблице 2.

Таблица 2. Занимаемая полоса пропускания радиосигнала с указанием порядка модуляции (α = 0, 25)

Формат	Скорость сжатия данных (Мбит / с)	QPSK (сигнал BW, МГц	16 QAM (сигнал BW, МГц)	64 QAM (сигнал, BW, МГц)
VGA	2, 2	1, 375	0, 6875	0, 4583
720p	6, 6	4, 1250	2, 0625	1, 3750
1080p	14, 9	9, 3125	4, 6563	3, 1042
2к	17, 0	10, 6250	5, 3125	3, 5417
4k	63, 7	39, 8125	19, 9063	13, 2708

AD9361 / AD9364 с полосой пропускания до 56 МГц поддерживает все видеоформаты в формате Table 2 и даже более высокую частоту кадров. Модуляция более высокого порядка занимает меньшую полосу пропускания, а символ представляет больше информации / бит, но для демодуляции требуется более высокое SNR.

Расстояние передачи и мощность передатчика

В таких приложениях, как БПЛА, максимальное значение передачи является критическим параметром. Однако не менее важно, чтобы связь не прерывалась даже на ограниченном расстоянии. Кислород, вода и другие препятствия (за исключением ослабления свободного места) могут ослабить сигнал.

На рисунке 6 показана модель потери канала беспроводной связи.

Рисунок 6. Модель потери канала беспроводной связи. ⁵

Чувствительность приемника обычно принимается за минимальный входной сигнал (Smin), необходимый для демодуляции или восстановления информации от передатчика. Получив чувствительность приемника, максимальное расстояние передачи может быть рассчитано с некоторыми предположениями, как показано здесь:

(^S / _N) min - минимальное отношение сигнал / шум, необходимое для обработки сигнала
NF - показатель шума приемника
k - постоянная Больцмана = 1, 38 × 10-23 джоуля / к
T0 - абсолютная температура входного сигнала приемника (Kelvin) = 290 K
B - полоса пропускания приемника (Гц)

Параметр (^S / _N) min зависит от порядка модуляции / демодуляции. При таком же SNR модуляция нижнего порядка получает более низкую ошибку символа и с той же ошибкой символа, для модуляции более высокого порядка требуется более высокое SNR для демодуляции. Поэтому, когда передатчик находится далеко от приемника, сигнал слабее, и SNR не может поддерживать демодуляцию высокого порядка. Чтобы поддерживать передатчик онлайн и поддерживать видеоформат с той же скоростью передачи видеоданных, базовая полоса должна использовать модуляцию более низкого порядка за счет увеличения полосы пропускания. Это помогает гарантировать, что полученные изображения не будут размыты. К счастью, программно-ориентированное радио с цифровой модуляцией и демодуляцией предлагает возможность изменения модуляции. Предыдущий анализ основан на предположении, что радиочастотная мощность передатчика постоянна. В то время как большая передающая мощность RF с тем же усилением антенны будет достигать более отдаленного приемника с той же чувствительностью приемника, максимальная мощность передачи должна соответствовать стандартам радиации FCC / CE.

Кроме того, несущая частота будет влиять на расстояние передачи. По мере распространения волны в пространстве происходит потеря из-за дисперсии. Потеря свободного пространства определяется

В которой R - расстояние, λ - длина волны, f - частота, C - скорость света. Поэтому большая частота будет иметь больше потерь за одно и то же расстояние в свободном пространстве. Например, несущая частота на частоте 5, 8 ГГц будет уменьшаться более чем на 7, 66 дБ по сравнению с 2, 4 ГГц на одном и том же расстоянии передачи.

Частота радиочастот и коммутация

AD9361 / AD9364 имеют программируемый частотный диапазон от 70 МГц до 6 ГГц. Это удовлетворит большинство частотных приложений NLOS, включая различные типы лицензионных и нелицензированных частот, таких как 1, 4 ГГц, 2, 4 ГГц и 5, 8 ГГц.

Частота 2, 4 ГГц широко используется для беспроводной связи Wi-Fi, Bluetooth и IoT, что делает ее более переполненной. Использование его для беспроводной передачи видеосигнала и сигналов управления увеличивает вероятность возникновения помех и нестабильности сигнала. Это создает нежелательные и часто опасные ситуации для БПЛА. Использование частотного переключения для поддержания чистой частоты будет поддерживать надежность данных и контроль соединения. Когда передатчик воспринимает переполненную частоту, он автоматически переключается на другой диапазон. Например, два БПЛА, использующие частоту и работающие в непосредственной близости, будут мешать друг другу. Автоматическое переключение частоты LO и повторного выбора диапазона поможет поддерживать стабильную беспроводную связь. Адаптивный выбор несущей частоты или канала в течение периода включения питания является одной из отличных функций в высококачественном БПЛА.

Частотный скачок

Быстрый скачок частоты, который широко используется в электронных контрмерах (ECM), также помогает избежать помех. Обычно, если мы хотим перескочить на частоту, PLL необходимо перезагрузить после процедуры. Это включает в себя запись частотных регистров и переход через время калибровки VCO и время блокировки PLL, так что интервал частоты скачкообразного изменения приближается к сотням микросекунд. На рисунке 7 показан пример частоты передатчика LO с 816, 69 МГц до 802, 03 МГц. AD9361 используется в обычном режиме частоты меняется, и выходная частота передатчика РЧ перескакивает с 814.69 МГц до 800.03 МГц с опорной частотой 10 МГц. Частота скачкообразного изменения частоты проверяется с использованием E5052B, как показано на рисунке 7. Калибровка VCO и время блокировки PLL составляют около 500 мкс в соответствии с рисунком 7b. Анализатор источника сигнала E5052B может использоваться для захвата ответного сигнала ФАПЧ. На рисунке 7a показан широкополосный режим измерения переходных процессов, а на рис. 7b и 7d - значительно точное разрешение при измерении частоты и фазового перехода с перескоком частоты. ⁶ На рис. 7в показан ответ выходной мощности.

Рисунок 7. Частота перехвата от 804, 5 МГц до 802 МГц с 500 мкс

500 мкс является очень длинным интервалом для скачкообразного применения. Однако AD9361 / AD9364 включает режим быстрой блокировки, который позволяет добиться более быстрого, чем обычно, изменения частоты, сохраняя наборы наборов информации о программировании синтезатора (называемых профилями) в регистрах устройства или в памяти памяти основного блока. На рисунке 8 показан результат теста с использованием режима быстрой блокировки для реализации частоты перескока с 882 МГц до 802 МГц. Время меньше 20 мкс, согласно фазовому отклику на рисунке 8d. Фазовая кривая рисуется путем обращения к фазе 802 МГц. Время записи SPI и время калибровки VCO устраняются в этом режиме из-за того, что информация о частоте и результаты калибровки сохраняются в профилях. Как видно, на рис. 8b показана возможность быстрой скачкообразной перестройки частоты для AD9361 / AD9364.

Рисунок 8. Частота перехвата с 882 МГц до 802 МГц в течение 20 мкс в режиме быстрой блокировки

Реализация PHY-слоя - OFDM

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM) представляет собой форму модуляции сигнала, которая делит поток модулирования высокой скорости передачи данных на многие медленно модулированные узкополосные близко расположенные поднесущие. Это делает его менее чувствительным к избирательному затуханию частоты.

Недостатками являются отношение высокой пиковой и средней мощности и чувствительность к смещению несущей и дрейфу. OFDM широко применяется в уровне PHY беспроводной связи. Критическая технология OFDM включает в себя IFFT / FFT, частотную синхронизацию, синхронизацию времени выборки и синхронизацию символов / кадров. IFFT / FFT должен быть реализован через FPGA самым быстрым способом. Также очень важно выбрать интервал поднесущих. Интервал должен быть достаточно большим, чтобы противостоять обмену мобильностью с доплеровским сдвигом частоты и достаточно мал, чтобы нести больше символов в пределах ограниченной полосы частот для увеличения эффективности спектра. COFDM относится к комбинации технологии кодирования и OFDM-модуляции. COFDM с высоким сопротивлением затухания сигнала и прямым исправлением ошибок (FEC) может отправлять видеосигналы от любого движущегося объекта. Кодировка увеличит пропускную способность сигнала, но обычно стоит компромисс.

Объединив средства моделирования на основе моделей и автоматические средства генерации кода из MathWorks с мощными встроенными RF-трансиверами Xilinx Zynq SoCs и Analog Devices, разработка, проверка, тестирование и внедрение системы SDR могут быть более эффективными, чем когда-либо, что приведет к созданию более высокопроизводительных радиосистем и сокращение времени выхода на рынок. ⁷

Каковы преимущества Wi-Fi?

Дроны, оснащенные Wi-Fi, очень легко подключаются к мобильному телефону, ноутбуку и другим мобильным устройствам, что делает их очень удобными в использовании. Но для беспроводной передачи видео в приложениях БПЛА решение FPGA плюс AD9361 обладает многими преимуществами по сравнению с Wi-Fi. Прежде всего, на уровне PHY быстрое переключение частоты и быстрое переключение AD9361 / AD9364 помогают избежать помех. Большинство интегрированных чипов Wi-Fi также работают на частой полосе частот 2, 4 ГГц без механизма повторного выбора частоты, чтобы сделать беспроводное соединение более стабильным.

Во-вторых, с решением FPGA плюс AD9361 протокол передачи может быть определен и гибко разработан дизайнерами. Протокол Wi-Fi является стандартным и основан на двухстороннем рукопожатии с каждым пакетом данных. С Wi-Fi каждый пакет данных должен подтвердить, что пакет был получен, и что все 512 байтов в пакете были получены неповрежденными. Если один байт потерян, весь пакет размером в 512 байт должен быть снова передан.8 Хотя этот протокол обеспечивает надежность данных, сложная и трудоемкая процедура восстановления беспроводной линии передачи данных. Протокол TCP / IP приведет к высокой задержке, что приведет к видео и управлению нереальным временем, что может привести к сбою в работе БПЛА. Решение SDR (FPGA plus AD9361) использует однонаправленный поток данных, что означает, что беспилотный сигнал в небе передает видеосигнал, например, телевизионную трансляцию. Нет времени для повторной отправки пакетов, когда целью видео является видео в реальном времени.

Кроме того, Wi-Fi не обеспечивает необходимый уровень безопасности для многих приложений. Используя алгоритм шифрования и пользовательский протокол, решение FPGA плюс AD9361 / AD9364 гораздо менее подвержено угрозам безопасности.

Кроме того, односторонний широковещательный поток данных обеспечивает возможности передачи данных в два-три раза по сравнению с подходами Wi-Fi. ⁸ Гибкость от программно определенных радиоустройств позволяет регулировать цифровую модуляцию / демодуляцию для удовлетворения требований к расстоянию и / или регулирование изменения SNR в сложных космических радиационных средах.

Выводы

В этой статье показаны критические параметры использования решения FPGA плюс AD9361 / AD9364 для реализации беспроводной передачи видео высокой четкости. Благодаря гибкому переключению полосы частот и высокочастотной скачкообразной перестройке можно установить более стабильное и надежное беспроводное соединение, чтобы противостоять все более сложному излучению в пространстве и уменьшить вероятность аварии. На уровне протокола решение более гибкое, с использованием односторонней передачи, чтобы сократить время установления беспроводной связи и создать соединение с более низкой задержкой. В промышленных и коммерческих приложениях, таких как сельское хозяйство, инспекция электросетей и наблюдение, стабильные, безопасные и надежные передачи жизненно необходимы для успеха.