高清晰度，低延迟，基于sdr的视频传输在无人机中的应用

集成的R​​F敏捷收发器不仅广泛用于蜂窝电话基站中的软件定义的无线电（SDR）架构，例如多业务分布式接入系统（MDAS）和小型电池，还用于工业，商业，和工业和的无线高清视频传输军事应用，如无人驾驶飞行器（无人机）。

本文将使用该文章检查宽带无线视频信号链实现AD9361./AD9364^2,3集成收发器IC，传输的数据量，相应的RF占用信号带宽，传输距离和发射器的功率。它还将描述OFDM的PHY层的实现，并存在跳频频率时间测试结果，以避免RF干扰。最后，我们将讨论Wi-Fi与宽带无线应用中的RF敏捷收发器之间的优缺点。

信号链

图1给出了使用AD9361/AD9364和一个BBIC的简化无线视频传输方案。摄像头捕捉图像并通过以太网、HDMI、USB或其他接口将视频数据传输到基带处理器。图像编解码可通过硬件或FPGA实现。射频前端包括开关、LNA和PA到可编程集成收发器。

图1所示。无线视频传输图。

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)，也被称为H.265和MPEG-H Part 2，我们可以降低数据速率和节省带宽。H.264是目前最常用的视频内容录制、压缩和分发格式之一。它是视频压缩技术的巨大进步，是广泛使用的AVC (H.264或MPEG-4 Part 10)的几个潜在接班人之一。

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24位的视频比特深度和60 fps的帧速率。在1080P示例中，压缩后数据速率为14.93 Mbps，然后可以通过基带处理器和无线PHY层容易地处理。

表1.压缩数据速率

格式	水平线	垂直线条	像素	未压缩的数据速率（Mbps）	压缩数据速率（Mbps）压缩比率= 200
vga.	640.	480.	307200年	442.	2.2
720p.	1280	720	921,600.	1328	6.64
1080p.	1920	1080.	2,073,600.	2986	14.93
2 k	2048.	1152	2,359,296	3400.	17.0
4 k	4096	2160.	8,847360.	12740年	63.7

信号带宽

通过改变采样率、数字滤波器和抽取，AD9361/AD9364支持从<200 kHz到56 MHz的通道带宽。AD9361/AD9364是零中频收发器，具有I和Q通道，用于传输复杂数据。复数据包括实部和虚部，分别对应于I和Q，它们位于相同的频带内，使频谱效率比单一部分提高一倍。压缩后的视频数据可以映射到I和Q通道，形成星座点，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数字波形需要通过DAC之前的脉冲整形滤波器，以便在有限带宽内塑化发射信号。FIR滤波器可用于脉冲整形，并且滤波器响应如图4所示。为了保持信息的保真度，存在对应于符号率的最小信号带宽。符号速率与压缩视频数据速率成比例，如下面的等式所示。对于OFDM系统，应使用IFFT调制到子载波的复杂数据，该IFFT还将信号发送在有限带宽中。

用每个符号发送的比特数取决于调制顺序。

图5.调制顺序。

被占用的信号带宽为:

其中α为滤波器带宽参数。

从之前的公式中，我们可以推断出这个方程式，

因此，我们可以计算RF占用信号带宽，如表2所示。

表2.占用RF信号带宽，种类调制顺序（α= 0.25）

格式	压缩数据速率（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
720p.	6.6	4.1250	2.0625	1.3750.
1080p.	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56mhz的信号带宽，支持所有表2视频格式传输和更高的帧率。高阶调制占用的带宽更小，符号代表的信息/位更多，但解调需要更高的信噪比。

传输距离和发射机功率

在诸如UAV的应用中，最大传输距离是关键参数。然而，即使在有限的距离下，通信也不被截止。氧气，水和其他障碍物（自由空间衰减除外）可以衰减信号。

图6显示了无线通信信道丢失模型。

图6.无线通信信道丢失模型。^5.

接收器灵敏度通常被视为从发射机解调或恢复信息所需的最小输入信号（SMIN）。在获得接收器灵敏度之后，可以使用一些假设计算最大传输距离，如下所示：

• （^S./_N）min是处理信号所需的最小信噪比
• NF是接收器的噪声系数
• k为玻尔兹曼常数= 1.38 × 10-23焦耳/k
• T0是接收器输入的绝对温度（Kelvin）= 290 k
• B是接收器带宽（Hz）

参数（^S./_N）min取决于调制/解调顺序。使用相同的SNR，较低的顺序调制获取较低的符号错误，并且具有相同的符号错误，更高阶调制需要更高的SNR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。为了使发射器在线保持并维持具有相同视频数据速率的视频格式，基带应以越来越多的带宽使用较低的调制。这有助于确保所接收的图像不会模糊。幸运的是，具有数字调制和解调的软件定义的无线电提供了改变调制的能力。以前的分析基于发射器RF功率是恒定的假设。虽然具有相同天线增益的更大的RF发射功率将达到具有相同接收器灵敏度的更远远处的接收器，但最大发射功率应符合FCC / CE辐射标准。

另外，载波频率将对传输距离产生影响。随着波通过空间传播，由于分散而导致损失。自由空间损失由

其中R是距离，λ是波长，F是频率，C是光速。因此，较大的频率将在相同的自由空间距离上具有更多损失。例如，5.8GHz的载波频率将在相同的传输距离上比2.4 GHz相比衰减超过7.66 dB。

RF频率和切换

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未许可频率，例如1.4 GHz，2.4 GHz和5.8 GHz。

2.4 GHz频率广泛用于Wi-Fi，蓝牙和物联网短程沟通，使其越来越拥挤。使用它对于无线视频传输和控制信号增加了信号干扰和不稳定性的机会。这为无人机提供了不良且经常危险的情况。使用频率切换保持清洁频率将使数据和控制连接更可靠。当发射器感应拥挤的频率时，它会自动切换到另一个频带。例如，使用频率和密切接近操作的两个无人机将干扰彼此的通信。自动切换LO频率并重新选择频段将有助于维护稳定的无线链路。在上电时段期间自适应地选择载波频率或信道是高端UAV中的优异功能之一。

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，锁相环需要重新锁定后的程序。这包括写入频率寄存器，通过压控振荡器校准时间和锁相环锁定时间，使跳频间隔接近几百微秒。图7显示了从816.69 MHz到802.3 MHz跳变发射机LO频率的示例。AD9361用于正常的换频模式，发射器RF输出频率从814.69 MHz跳至800.03 MHz，参考频率为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500µs。信号源分析仪E5052B可用于捕获锁相环瞬态响应。图7a显示了瞬态测量的宽带模式，而图7b和7d在跳频的频率和相位瞬态测量中提供了很好的分辨率。^6.图7C显示了输出功率响应。

图7.跳频频率从804.5 MHz到802 MHz，500μs。

500μs是跳跃应用的一个非常长的间隔。然而，AD9361 / AD9364包括快速锁定模式，这使得可以通过在设备的寄存器或基带处理器的存储空间中存储一组合成器编程信息（称为配置文件）来实现比正常频率变化更快。图8显示了通过使用快速锁定模式实现882 MHz至802 MHz的跳频频率的测试结果。根据图8D相位响应，时间下降至小于20μs。通过参考802MHz的阶段绘制相位曲线。由于频率信息和校准导致保存在配置文件中，SPI写入时间和VCO校准时间均在该模式下消除。如我们所见，图8B示出了AD9361 / AD9364的快速跳频能力。

图8.在快速锁定模式下跳频从882 MHz到802 MHz到802 MHz。

PHY层的实施 - OFDM

正交频分复用（OFDM）是一种信号调制的形式，其将高数据速率调制流划分为许多缓慢调制的窄带关闭间隔的子载波。这使得对选择性频率衰减不太敏感。

缺点是高峰到平均功率比和对载波偏移和漂移的敏感性。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。间隔应该足够大，以承受与多普勒频移的移动性通信，并且足够小，以在有限频率带宽内携带更多符号来增加频谱效率。COFDM是指编码技术和OFDM调制的组合。COFDM具有其高电阻的信号衰减和正向误差校正（FEC）优点可以从任何移动物体发送视频信号。编码将增加信号带宽，但通常值得折衷。

通过将MathWorks基于模型的设计和自动代码生成工具与强大的Xilinx Zynq soc和模拟设备集成射频收发器相结合，SDR系统设计、验证、测试和实现可以比以往任何时候都更有效，从而带来更高性能的无线电系统，并缩短上市时间。^7.

Wi-Fi有哪些优势？

装备Wi-Fi的无人机很容易连接到手机，笔记本电脑和其他移动设备，使它们非常方便使用。但对于UAV应用中的无线视频传输，FPGA Plus AD9361解决方案提供了与Wi-Fi的许多优点。首先，在PHY层中，AD9361 / AD9364的敏捷频率切换和快速跳跃有助于避免干扰。大多数集成的Wi-Fi芯片还在拥挤的2.4 GHz频段上运行，没有频段重选机制，使无线连接更稳定。

其次，通过FPGA Plus AD9361解决方案，可以通过设计人员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，每个数据包都必须确认收到了数据包，并完整地接收到数据包中的所有512字节。如果一个字节丢失，则必须再次传输512字节数据包，而该协议确保数据可靠性，则重写无线数据链路是复杂且耗时的。TCP / IP协议将导致高延迟导致非充值视频和控制，这可能导致无人机崩溃。SDR解决方案（FPGA PLUS AD9361）使用单向数据流，这意味着天空中的无人机发送像电视广播的视频信号。当实时视频是目标时，没有时间重新发送数据包。

此外，Wi-Fi对许多应用程序没有提供适当的安全级别。通过利用加密算法和用户定义的协议，FPGA Plus AD9361 / AD9364解决方案远不易受到安全威胁的影响。

此外，单向广播数据流传输距离是Wi-Fi传输距离的两到三倍。^8.软件定义无线电能力的灵活性使数字调制/解调调整能够满足距离要求或适应复杂空间辐射环境中变化的信噪比。

结论

本文说明了使用FPGA PLUS AD9361 / AD9364解决方案进行高清晰度无线视频传输实现的关键参数。通过敏捷频带切换和快速跳频，可以建立更稳定和可靠的无线链路，以抵抗空间越来越复杂的辐射并降低碰撞的概率。在协议层中，解决方案更灵活，使用单向传输来减少无线建立时间并创建较低的延迟连接。在农业，电力线检测和监测等工业和商业应用中，稳定，安全，可靠的传输对成功至关重要。

参考

1来自模拟设备的软件定义的无线电解决方案。Analog Devices，Inc。

2AD9361.数据表。Analog Devices，Inc。

3.AD9364数据表。Analog Devices，Inc。

4肯外邦人。应用笔记AN-922，数字脉冲整形滤波器基础知识（PDF）。Analog Devices，Inc。

5 .斯科特·r·布洛克。数字通信收发器和系统设计，第4版。科技出版社，2014。

6.E5052B信号源分析仪，高级阶段噪音瞬态测量技术。安捷伦，2007年。

7 di pu，andrei cozma和汤姆山。“生产的四个快速步骤：使用基于模型的软件定义无线电设计。“模拟对话，第49卷2015年。

8 John Locke。“比较DJI Phantom 4的Lightbridge与Yuneec台风H的Wi-Fi。“无人机比较。

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