集成射頻捷變收發器不僅廣泛用于軟件定義無線電 （SDR）1蜂窩電話基站中的架構，例如多業務分布式接入系統 （MDAS） 和小型蜂窩，也用于工業、商業和軍事應用的無線高清視頻傳輸，例如無人機 （UAV）。本文將研究采用AD9361/AD9364的寬帶無線視頻信號鏈實現方案2,3集成收發器IC、傳輸的數據量、相應的RF占用信號帶寬、傳輸距離以及發射器的功率。它還將描述OFDM的PHY層的實現，并介紹跳頻時間測試結果，以避免RF干擾。最后，我們將討論Wi-Fi和RF捷變收發器在寬帶無線應用中的優缺點。

信號鏈

圖1顯示了使用AD9361/AD9364和BBIC的簡化無線視頻傳輸方案。攝像機捕獲圖像，并通過以太網、HDMI、USB 或其他接口將視頻數據傳輸到基帶處理器。圖像編碼/解碼可以由硬件或FPGA處理。RF前端包括開關穩壓器、LNA和PA到可編程集成收發器。

圖1.無線視頻傳輸示意圖。

需要傳輸多少數據

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

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

表 1.壓縮數據速率

信號帶寬

AD9361/AD9364通過改變采樣速率、數字濾波器和抽取，支持<200 kHz至56 MHz的通道帶寬。AD9361/AD9364均為零中頻收發器，具有I和Q通道，用于傳輸復數數據。復雜數據包括實部和虛部，分別對應于I和Q，它們位于相同的頻率帶寬上，與單個部分相比，頻譜效率翻倍。壓縮的視頻數據可以映射到I和Q通道以創建星座點，稱為符號。圖 2 顯示了一個 16 QAM 示例，其中每個符號代表 <> 位。

圖2.16 QAM星座。4

圖3.來自星座的I和Q數字波形。4

圖4.脈沖整形濾波器響應。4

對于單載波系統，I和Q數字波形需要在DAC之前通過脈沖整形濾波器，以便在有限的帶寬內對發射信號進行整形。FIR濾波器可用于脈沖整形，濾波器響應如圖4所示。為了保持信息的保真度，存在與符號速率相對應的最小信號帶寬。符號速率與壓縮視頻數據速率成正比，如下式所示。對于OFDM系統，應使用IFFT將復雜數據調制到子載波，IFFT也在有限的帶寬內傳輸信號。

每個符號傳輸的位數取決于調制順序。

圖5.調制順序。

占用的信號帶寬由下式給出，

其中α是濾波器帶寬參數。

從前面的公式中我們可以推導出這個等式，

因此，我們可以計算RF占用信號帶寬，如表2所示。

表 2.占用的RF信號帶寬，調制階數（α = 0.5）

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

傳輸距離和發射功率

在無人機等應用中，最大傳輸距離是一個關鍵參數。然而，同樣重要的是，即使在有限的距離內，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）會衰減信號。

圖6顯示了無線通信信道損耗模型。

圖6.無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（S最小），需要解調或恢復來自發射器的信息。獲得接收器靈敏度后，可以通過一些假設計算最大傳輸距離，如下所示：

(S/N)最小是處理信號所需的最小信噪比

NF是接收器的噪聲系數

k 是玻爾茲曼常數 = 1.38 × 10–23焦耳/千

T0是接收器輸入的絕對溫度（開爾文）= 290 K

B 是接收器帶寬 （Hz）

參數 （S/N)最小取決于調制/解調順序。在相同的信噪比下，低階調制得到的符號誤差較低，而在相同的信噪比下，高階調制需要更高的信噪比來解調。因此，當發射器遠離接收器時，信號較弱，SNR無法支持高階解調。為了保持發射器在線并保持具有相同視頻數據速率的視頻格式，基帶應使用低階調制，但代價是增加帶寬。這有助于確保接收到的圖像不會模糊。幸運的是，具有數字調制和解調功能的軟件定義無線電提供了改變調制的能力。前面的分析基于發射器RF功率恒定的假設。雖然具有相同天線增益的更大RF發射功率將到達具有相同接收器靈敏度的更遠接收器，但最大發射功率應符合FCC / CE輻射標準。

此外，載波頻率也會對傳輸距離產生影響。當波在空間中傳播時，由于色散而存在損失?？捎每臻g損失由下式確定

其中R是距離，λ是波長，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5.8 GHz相比，7.66 GHz的載波頻率將衰減2.4 dB以上。

射頻頻率和開關

AD9361/AD9364的可編程頻率范圍為70 MHz至6 GHz。這將滿足大多數NLOS頻率應用，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，藍牙和物聯網短距離通信，使其越來越擁擠。將其用于無線視頻傳輸和控制信號會增加信號干擾和不穩定的機會。這給無人機帶來了不希望且通常很危險的情況。使用頻率切換來保持干凈的頻率將使數據和控制連接更加可靠。當發射機檢測到擁擠的頻率時，它會自動切換到另一個頻段。例如，兩架使用該頻率并近距離運行的無人機會干擾彼此的通信。自動切換LO頻率并重新選擇頻段將有助于保持穩定的無線鏈路。在上電期間自適應選擇載波頻率或信道是高端無人機的優秀特性之一。?

跳 頻

廣泛用于電子對抗（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，并經過VCO校準時間和PLL鎖定時間，以便跳頻間隔近似于數百微秒。圖7顯示了從816.69 MHz跳頻到802.03 MHz的發送器LO頻率示例。AD9361在正常頻率變化模式下使用，發射器RF輸出頻率從814.69 MHz跳至800.03 MHz，基準頻率為10 MHz。使用 E5052B 測試跳頻時間，如圖 7 所示。根據圖500b，VCO校準和PLL鎖定時間約為7 μs。信號源分析儀 E5052B 可用于捕獲 PLL 瞬態響應。圖7a顯示了瞬態測量的寬帶模式，而圖7b和7d在跳頻頻率和相位瞬態測量中提供了非常精細的分辨率。6圖7c顯示了輸出功率響應。

圖7.跳頻范圍為 804.5 MHz 至 802 MHz，500 μs。

500 μs對于跳頻應用來說是一個非常長的間隔。但是，AD9361/AD9364具有快速鎖定模式，通過將頻率合成器編程信息集（稱為配置文件）存儲在器件寄存器或基帶處理器的存儲器空間中，可以實現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現882 MHz至802 MHz跳頻的測試結果。根據圖20d相位響應，時間降至8 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結果保存在配置文件中，因此在該模式下消除了SPI寫入時間和VCO校準時間。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 882 μs 內從 802 MHz 到 20 MHz。

物理層的實現 — OFDM

正交頻分復用（OFDM）是一種信號調制形式，它將高數據速率調制流劃分到許多緩慢調制的窄帶近距離子載波上。這使得它對選擇性頻率衰落不太敏感。缺點是峰均功率比高，對載波失調和漂移敏感。OFDM廣泛應用于寬帶無線通信PHY層。OFDM 的關鍵技術包括 IFFT/FFT、頻率同步、采樣時間同步和符號/幀同步。IFFT/FFT應以最快的方式通過FPGA實現。選擇子載波的間隔也非常重要。間隔應足夠大以承受多普勒頻移的移動通信，并且足夠小以在有限的頻率帶寬內攜帶更多符號，以提高頻譜效率。COFDM是指編碼技術和OFDM調制的組合。COFDM具有高信號衰減和前向糾錯（FEC）優勢，可以從任何移動物體發送視頻信號。編碼會增加信號帶寬，但通常值得權衡。

通過將 MathWorks 基于模型的設計和自動代碼生成工具與功能強大的 Xilinx Zynq SoC 和 ADI 集成射頻收發器相結合，SDR 系統的設計、驗證、測試和實施可以比以往更加有效，從而打造更高性能的無線電系統并縮短上市時間。?7

與 Wi-Fi 相比有哪些優勢？

配備 Wi-Fi 的無人機非常容易連接到手機、筆記本電腦和其他移動設備，這使得它們使用起來非常方便。但對于無人機應用中的無線視頻傳輸，FPGA加AD9361解決方案比Wi-Fi具有許多優勢。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。大多數集成的Wi-Fi芯片也在擁擠的2.4 GHz頻段上運行，沒有頻段重新選擇機制，以使無線連接更加穩定。

其次，借助FPGA加AD9361解決方案，設計人員可以靈活地定義和開發傳輸協議。Wi-Fi 協議是標準的，基于每個數據包的雙向握手。使用Wi-Fi時，每個數據包都必須確認已收到數據包，并且數據包中的所有512字節都完好無損。如果一個字節丟失，則必須再次傳輸整個 512 字節數據包。8雖然該協議可確保數據可靠性，但重新建立無線數據鏈路既復雜又耗時。TCP/IP 協議將導致高延遲，從而導致非實時視頻和控制，從而導致無人機墜毀。SDR解決方案（FPGA加AD9361）使用單向數據流，這意味著空中的無人機像電視廣播一樣傳輸視頻信號。當實時視頻是目標時，沒有時間重新發送數據包。

此外，Wi-Fi 無法為許多應用程序提供適當的安全級別。通過利用加密算法和用戶定義協議，FPGA加AD9361/AD9364解決方案更不容易受到安全威脅。

此外，單向廣播數據流提供的傳輸距離能力是Wi-Fi方法的兩到三倍。8軟件定義無線電功能的靈活性使數字調制/解調調整能夠滿足距離要求，或者根據復雜空間輻射環境中不斷變化的SNR進行調整。

結論

本文說明了使用FPGA加AD9361/AD9364解決方案實現高清無線視頻傳輸的關鍵參數。通過敏捷的頻段切換和快速跳頻，可以建立更穩定可靠的無線鏈路，以抵抗太空中日益復雜的輻射并降低墜毀的概率。在協議層，解決方案更加靈活，使用單向傳輸來減少無線建立時間并創建更低延遲的連接。在農業、電力線檢查和監控等工業和商業應用中，穩定、安全和可靠的傳輸對于成功至關重要。

審核編輯：郭婷