集成射頻捷變收發(fā)器不僅廣泛用于軟件定義無(wú)線電 （SDR）1蜂窩電話基站中的架構(gòu)，例如多業(yè)務(wù)分布式接入系統(tǒng) （MDAS） 和小型蜂窩，也用于工業(yè)、商業(yè)和軍事應(yīng)用的無(wú)線高清視頻傳輸，例如無(wú)人機(jī) （UAV）。本文將研究采用AD9361/AD9364的寬帶無(wú)線視頻信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)方案2,3集成收發(fā)器IC、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、相應(yīng)的RF占用信號(hào)帶寬、傳輸距離以及發(fā)射器的功率。它還將描述OFDM的PHY層的實(shí)現(xiàn)，并介紹跳頻時(shí)間測(cè)試結(jié)果，以避免RF干擾。最后，我們將討論Wi-Fi和RF捷變收發(fā)器在寬帶無(wú)線應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

信號(hào)鏈

圖1顯示了使用AD9361/AD9364和BBIC的簡(jiǎn)化無(wú)線視頻傳輸方案。攝像機(jī)捕獲圖像，并通過(guò)以太網(wǎng)、HDMI、USB 或其他接口將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)交鶐?a target="_blank">處理器。圖像編碼/解碼可以由硬件或FPGA處理。RF前端包括開關(guān)穩(wěn)壓器、LNA和PA到可編程集成收發(fā)器。?

圖1.無(wú)線視頻傳輸示意圖。

需要傳輸多少數(shù)據(jù)

表1顯示了未壓縮和壓縮數(shù)據(jù)速率之間的顯著大小差異。通過(guò)使用高效視頻編碼（HEVC），也稱為H.265和MPEG-H Part 2，我們可以降低數(shù)據(jù)速率并節(jié)省帶寬。H.264 是目前錄制、壓縮和分發(fā)視頻內(nèi)容最常用的格式之一。它在視頻壓縮技術(shù)方面邁出了一大步，是廣泛使用的AVC（H.264或MPEG-4第10部分）的幾個(gè)潛在繼任者之一。

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

表 1.壓縮數(shù)據(jù)速率

信號(hào)帶寬

AD9361/AD9364通過(guò)改變采樣速率、數(shù)字濾波器和抽取，支持<200 kHz至56 MHz的通道帶寬。AD9361/AD9364均為零中頻收發(fā)器，具有I和Q通道，用于傳輸復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)。復(fù)雜數(shù)據(jù)包括實(shí)部和虛部，分別對(duì)應(yīng)于I和Q，它們位于相同的頻率帶寬上，與單個(gè)部分相比，頻譜效率翻倍。壓縮的視頻數(shù)據(jù)可以映射到I和Q通道以創(chuàng)建星座點(diǎn)，稱為符號(hào)。圖 2 顯示了一個(gè) 16 QAM 示例，其中每個(gè)符號(hào)代表 4 位。

圖2.16 QAM星座。4

圖3.來(lái)自星座的I和Q數(shù)字波形。4

圖4.脈沖整形濾波器響應(yīng)。4

對(duì)于單載波系統(tǒng)，I和Q數(shù)字波形需要在DAC之前通過(guò)脈沖整形濾波器，以便在有限的帶寬內(nèi)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行整形。FIR濾波器可用于脈沖整形，濾波器響應(yīng)如圖4所示。為了保持信息的保真度，存在與符號(hào)速率相對(duì)應(yīng)的最小信號(hào)帶寬。符號(hào)速率與壓縮視頻數(shù)據(jù)速率成正比，如下式所示。對(duì)于OFDM系統(tǒng)，應(yīng)使用IFFT將復(fù)雜數(shù)據(jù)調(diào)制到子載波，IFFT也在有限的帶寬內(nèi)傳輸信號(hào)。

每個(gè)符號(hào)傳輸?shù)奈粩?shù)取決于調(diào)制順序。

圖5.調(diào)制順序。

占用的信號(hào)帶寬由下式給出，

其中α是濾波器帶寬參數(shù)。

從前面的公式中我們可以推導(dǎo)出這個(gè)等式，

因此，我們可以計(jì)算RF占用信號(hào)帶寬，如表2所示。

表 2.占用的RF信號(hào)帶寬，調(diào)制階數(shù)（α = 0.5）

AD9361/AD9364具有高達(dá)56 MHz的信號(hào)帶寬，支持所有表2視頻格式傳輸，甚至支持更高的幀速率。高階調(diào)制占用較小的帶寬，符號(hào)表示更多的信息/位，但解調(diào)需要更高的SNR。

傳輸距離和發(fā)射功率

在無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中，最大傳輸距離是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。然而，同樣重要的是，即使在有限的距離內(nèi)，通信也不要被切斷。氧氣、水和其他障礙物（自由空間衰減除外）會(huì)衰減信號(hào)。

圖6顯示了無(wú)線通信信道損耗模型。

圖6.無(wú)線通信信道損耗模型。5

接收器靈敏度通常作為最小輸入信號(hào)（S最小），需要解調(diào)或恢復(fù)來(lái)自發(fā)射器的信息。獲得接收器靈敏度后，可以通過(guò)一些假設(shè)計(jì)算最大傳輸距離，如下所示：

(S/N)最小是處理信號(hào)所需的最小信噪比

NF是接收器的噪聲系數(shù)

k 是玻爾茲曼常數(shù) = 1.38 × 10–23焦耳/千

T0是接收器輸入的絕對(duì)溫度（開爾文）= 290 K

B 是接收器帶寬 （Hz）

參數(shù) （S/N)最小取決于調(diào)制/解調(diào)順序。在相同的信噪比下，低階調(diào)制得到的符號(hào)誤差較低，而在相同的信噪比下，高階調(diào)制需要更高的信噪比來(lái)解調(diào)。因此，當(dāng)發(fā)射器遠(yuǎn)離接收器時(shí)，信號(hào)較弱，SNR無(wú)法支持高階解調(diào)。為了保持發(fā)射器在線并保持具有相同視頻數(shù)據(jù)速率的視頻格式，基帶應(yīng)使用低階調(diào)制，但代價(jià)是增加帶寬。這有助于確保接收到的圖像不會(huì)模糊。幸運(yùn)的是，具有數(shù)字調(diào)制和解調(diào)功能的軟件定義無(wú)線電提供了改變調(diào)制的能力。前面的分析基于發(fā)射器RF功率恒定的假設(shè)。雖然具有相同天線增益的更大RF發(fā)射功率將到達(dá)具有相同接收器靈敏度的更遠(yuǎn)接收器，但最大發(fā)射功率應(yīng)符合FCC / CE輻射標(biāo)準(zhǔn)。

此外，載波頻率也會(huì)對(duì)傳輸距離產(chǎn)生影響。當(dāng)波在空間中傳播時(shí)，由于色散而存在損失。可用空間損失由下式確定

其中R是距離，λ是波長(zhǎng)，f是頻率，C是光速。因此，在相同的自由空間距離上，頻率越大，損耗越大。例如，在相同的傳輸距離上，與2.4 GHz相比，5.8 GHz的載波頻率將衰減7.66 dB以上。

射頻頻率和開關(guān)

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

2.4 GHz頻率廣泛用于Wi-Fi，藍(lán)牙和物聯(lián)網(wǎng)短距離通信，使其越來(lái)越擁擠。將其用于無(wú)線視頻傳輸和控制信號(hào)會(huì)增加信號(hào)干擾和不穩(wěn)定的機(jī)會(huì)。這給無(wú)人機(jī)帶來(lái)了不希望且通常很危險(xiǎn)的情況。使用頻率切換來(lái)保持干凈的頻率將使數(shù)據(jù)和控制連接更加可靠。當(dāng)發(fā)射機(jī)檢測(cè)到擁擠的頻率時(shí)，它會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)頻段。例如，兩架使用該頻率并近距離運(yùn)行的無(wú)人機(jī)會(huì)干擾彼此的通信。自動(dòng)切換LO頻率并重新選擇頻段將有助于保持穩(wěn)定的無(wú)線鏈路。在上電期間自適應(yīng)選擇載波頻率或信道是高端無(wú)人機(jī)的優(yōu)秀特性之一。?

跳 頻

廣泛用于電子對(duì)抗（ECM）的快速跳頻也有助于避免干擾。通常，如果我們想跳頻，PLL需要在程序后重新鎖定。這包括寫入頻率寄存器，并經(jīng)過(guò)VCO校準(zhǔn)時(shí)間和PLL鎖定時(shí)間，以便跳頻間隔近似于數(shù)百微秒。圖7顯示了從816.69 MHz跳頻到802.03 MHz的發(fā)送器LO頻率示例。AD9361在正常頻率變化模式下使用，發(fā)射器RF輸出頻率從814.69 MHz跳至800.03 MHz，基準(zhǔn)頻率為10 MHz。使用 E5052B 測(cè)試跳頻時(shí)間，如圖 7 所示。根據(jù)圖7b，VCO校準(zhǔn)和PLL鎖定時(shí)間約為500 μs。信號(hào)源分析儀 E5052B 可用于捕獲 PLL 瞬態(tài)響應(yīng)。圖7a顯示了瞬態(tài)測(cè)量的寬帶模式，而圖7b和7d在跳頻頻率和相位瞬態(tài)測(cè)量中提供了非常精細(xì)的分辨率。6圖7c顯示了輸出功率響應(yīng)。

圖7.跳頻范圍為 804.5 MHz 至 802 MHz，500 μs。

500 μs對(duì)于跳頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常長(zhǎng)的間隔。但是，AD9361/AD9364具有快速鎖定模式，通過(guò)將頻率合成器編程信息集（稱為配置文件）存儲(chǔ)在器件寄存器或基帶處理器的存儲(chǔ)器空間中，可以實(shí)現(xiàn)比正常頻率更快的頻率變化。圖8顯示了使用快速鎖定模式實(shí)現(xiàn)882 MHz至802 MHz跳頻的測(cè)試結(jié)果。根據(jù)圖8d相位響應(yīng)，時(shí)間降至20 μs以下。相位曲線是參考802 MHz的相位繪制的。由于頻率信息和校準(zhǔn)結(jié)果保存在配置文件中，因此在該模式下消除了SPI寫入時(shí)間和VCO校準(zhǔn)時(shí)間。如我們所見，圖8b顯示了AD9361/AD9364的快速跳頻能力。

圖8.在快速鎖定模式下，跳頻在 20 μs 內(nèi)從 882 MHz 到 802 MHz。

物理層的實(shí)現(xiàn) — OFDM

正交頻分復(fù)用（OFDM）是一種信號(hào)調(diào)制形式，它將高數(shù)據(jù)速率調(diào)制流劃分到許多緩慢調(diào)制的窄帶近距離子載波上。這使得它對(duì)選擇性頻率衰落不太敏感。缺點(diǎn)是峰均功率比高，對(duì)載波失調(diào)和漂移敏感。OFDM廣泛應(yīng)用于寬帶無(wú)線通信PHY層。OFDM 的關(guān)鍵技術(shù)包括 IFFT/FFT、頻率同步、采樣時(shí)間同步和符號(hào)/幀同步。IFFT/FFT應(yīng)以最快的方式通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。選擇子載波的間隔也非常重要。間隔應(yīng)足夠大以承受多普勒頻移的移動(dòng)通信，并且足夠小以在有限的頻率帶寬內(nèi)攜帶更多符號(hào)，以提高頻譜效率。COFDM是指編碼技術(shù)和OFDM調(diào)制的組合。COFDM具有高信號(hào)衰減和前向糾錯(cuò)（FEC）優(yōu)勢(shì)，可以從任何移動(dòng)物體發(fā)送視頻信號(hào)。編碼會(huì)增加信號(hào)帶寬，但通常值得權(quán)衡。

通過(guò)將 MathWorks 基于模型的設(shè)計(jì)和自動(dòng)代碼生成工具與功能強(qiáng)大的 Xilinx Zynq SoC 和 ADI 集成射頻收發(fā)器相結(jié)合，SDR 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試和實(shí)施可以比以往更加有效，從而打造更高性能的無(wú)線電系統(tǒng)并縮短上市時(shí)間。?7

與 Wi-Fi 相比有哪些優(yōu)勢(shì)？

配備 Wi-Fi 的無(wú)人機(jī)非常容易連接到手機(jī)、筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)備，這使得它們使用起來(lái)非常方便。但對(duì)于無(wú)人機(jī)應(yīng)用中的無(wú)線視頻傳輸，F(xiàn)PGA加AD9361解決方案比Wi-Fi具有許多優(yōu)勢(shì)。首先，在PHY層，AD9361/AD9364的捷變頻率切換和快速跳頻有助于避免干擾。大多數(shù)集成的Wi-Fi芯片也在擁擠的2.4 GHz頻段上運(yùn)行，沒有頻段重新選擇機(jī)制，以使無(wú)線連接更加穩(wěn)定。

其次，借助FPGA加AD9361解決方案，設(shè)計(jì)人員可以靈活地定義和開發(fā)傳輸協(xié)議。Wi-Fi 協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的，基于每個(gè)數(shù)據(jù)包的雙向握手。使用Wi-Fi時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須確認(rèn)已收到數(shù)據(jù)包，并且數(shù)據(jù)包中的所有512字節(jié)都完好無(wú)損。如果一個(gè)字節(jié)丟失，則必須再次傳輸整個(gè) 512 字節(jié)數(shù)據(jù)包。8雖然該協(xié)議可確保數(shù)據(jù)可靠性，但重新建立無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路既復(fù)雜又耗時(shí)。TCP/IP 協(xié)議將導(dǎo)致高延遲，從而導(dǎo)致非實(shí)時(shí)視頻和控制，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜毀。SDR解決方案（FPGA加AD9361）使用單向數(shù)據(jù)流，這意味著空中的無(wú)人機(jī)像電視廣播一樣傳輸視頻信號(hào)。當(dāng)實(shí)時(shí)視頻是目標(biāo)時(shí)，沒有時(shí)間重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。

此外，Wi-Fi 無(wú)法為許多應(yīng)用程序提供適當(dāng)?shù)陌踩?jí)別。通過(guò)利用加密算法和用戶定義協(xié)議，F(xiàn)PGA加AD9361/AD9364解決方案更不容易受到安全威脅。

此外，單向廣播數(shù)據(jù)流提供的傳輸距離能力是Wi-Fi方法的兩到三倍。8軟件定義無(wú)線電功能的靈活性使數(shù)字調(diào)制/解調(diào)調(diào)整能夠滿足距離要求，或者根據(jù)復(fù)雜空間輻射環(huán)境中不斷變化的SNR進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)論

本文說(shuō)明了使用FPGA加AD9361/AD9364解決方案實(shí)現(xiàn)高清無(wú)線視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)敏捷的頻段切換和快速跳頻，可以建立更穩(wěn)定可靠的無(wú)線鏈路，以抵抗太空中日益復(fù)雜的輻射并降低墜毀的概率。在協(xié)議層，解決方案更加靈活，使用單向傳輸來(lái)減少無(wú)線建立時(shí)間并創(chuàng)建更低延遲的連接。在農(nóng)業(yè)、電力線檢查和監(jiān)控等工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中，穩(wěn)定、安全和可靠的傳輸對(duì)于成功至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷