集積度の高いトランシーバ IC「AD9361」「AD9364」を使用『広帯域ワイヤレス・ビデオ伝送』

UAVに適したSDRベースのビデオ伝送、 高精細度と低遅延を実現 著者：Wei Zhou Share on 概要 どれくらいのデータ量を伝送するのか アナログ・デバイセズ（A D I）は、集積度の高いR Fア 表1は、非圧縮データレートと圧縮データレートでどれ ジャイル・トランシーバ I Cを提供しています。この種 だけデータ量に差があるのかを示したものです。H.265 の製品は、MDAS（Mult i - serv ice Dis t r ibu ted Access またはMPEG-H Par t 2としても知られるHEVC（高効率 S y s t e m）やスモールセルなど、携帯電話基地局で使わ ビデオ・コーディング）を使用すれば、データレートを れるS D R（ソフトウェア無線） 1のアーキテクチャでよ 下げて帯域幅を抑えることができます。現在ビデオ・コ く使用されていますが、それ以外にも注目すべき用途 ンテンツの録画 /圧縮 /配信に最もよく利用されている方 があります。現在、産業 /民生 /軍事分野では無人航空 式の1つにH.264があります。HEVCはビデオ圧縮のあり 機（U AV）が利用されるケースが増えてきました。こ 方を大きく前進させるものであり、広く使用されている のU AVにおけるワイヤレスH D（高精細）ビデオ伝送に AVC（H.264またはMPEG-4 Par t 10）の後継となり得る も、R Fアジャイル・トランシーバ I Cが活用されている 有望な技術です。 のです。本稿のテーマは、集積度の高いトランシーバ IC「AD9361」、「A D 9364」 2、3を使用した広帯域ワイ ［圧縮データレート］= ［非圧縮データレート］ ヤレス・ビデオ伝送です。このアプリケーションに関 ［圧縮率］ して、シグナル・チェーンの構成、やり取りされるデー タ量、R F占有信号帯域幅、通信距離、トランスミッタ 表1には、さまざまなビデオ伝送方式について、圧縮し の送信パワーなどの話題を取り上げます。また、OFDM た場合、非圧縮の場合のデータレートがまとめられてい （直交周波数分割多重方式）の物理層の実現方法につい ます。ここでは、ビデオのビット深度が24ビット、フレ て述べるほか、R F信号の干渉を回避するための周波数 ーム・レートが60fps（フレーム /秒）であると仮定して ホッピングに関するテスト結果も示します。最後に、広 います。1080pを例にとると、圧縮後のデータレートは 帯域ワイヤレス・アプリケーションにおけるWi-F iトラ 1 4 . 9 3 M b p s（メガビット /秒）です。したがって、ベー ンシーバとR Fアジャイル・トランシーバの長所と短所 スバンド・プロセッサとワイヤレスの物理層で容易に処 について考察します。 理することができます。 表1. 圧縮データレート シグナル・チェーン 図 1は、A D 9 3 6 1 / A D 9 3 6 4とベースバンド I Cを使って構 非圧縮デー 圧縮データレ 成したワイヤレス・ビデオ伝送システムの概略図です。 水平 垂直 ピクセル 方式 タレート ート〔Mbps〕 カメラによって映像を取得し、そのデータをイーサネッ 方向 方向 （画素数） 〔Mbps〕 トやHDMI、USB 圧縮率は200などのインターフェースを介してベー スバンド I Cのプロセッサに送ります。映像のコーディ VGA 640 480 307,200 442 2.2 ング /デコーディングは F P G Aなどのハードウェアで行 720p 1280 720 921,600 1328 6.64 うことができます。R F対応のフロント部には、スイッ 1080p 1920 1080 2,073,600 2986 14.93 チャ、L N A（低ノイズ・アンプ）、PA（パワー・アン 2k 2048 1152 2,359,296 3400 17.0 プ）、そして集積度が高くプログラムが可能なトランシ ーバ ICが含まれています。 4k 4096 2160 8,847,360 12,740 63.7 イーサネット、 信号の帯域幅 、 CMOS/HDMI Rx LNALVDS USB AD9361 /AD9364では、サンプル・レート、デジタル・ カメラ FPGA/ AD9361/ ASIC AD9364 フィルタ、デシメーションの仕様を変更することによ Tx PA り、200kHz以下から56MHzまでのチャンネル帯域幅を サポートします。AD9361 /AD9364は、複素データを送 信するための IチャンネルとQチャンネルを備えるゼロ IF 図1 . ワイヤレス・ビデオ伝送システムの構成図 トランシーバです。複素データには実部と虚部があり、 それぞれが IとQに対応します。これら2つのチャンネル が同じ周波数帯域で扱われるのでスペクトル効率は通常 の2倍になります。 Analog Dialogue 51-01 1

圧縮ビデオ・データを I / Qの各チャンネルにマッピン 二乗余弦スペクトル 1.5 グすると、シンボルとして知られるコンスタレーショ f ン・ポイントが構成されます。図2に示したのは1 6 Q A - O f2 O M（Quadra ture Ampl i tude Modula t ion）の例です。各 α = 0 シンボルは4ビットで表されます。 TO 1.0 Q α = 1/2 1101 1001 0001 01 01 0.5 パルスの α = 1 スペクトル 0 1100 1000 0000 01 00 0 0.5 1.0 1.5 2.0 周波数（シンボル・レートで正規化） 図 4 . パルス整形フィルタの応答 –Amax Amax シングルキャリア（単一搬送波）のシステムの場合、限 られた帯域内に収まるよう送信信号の整形を行うため 1110 1010 00 10 01 10 に、D / Aコンバータ（D A C）の前段で、 I / Qのデジタル 波形をパルス整形フィルタに通す必要があります。パル スの整形にはF I Rフィルタが使用され、その応答は図 4 に示したようなものになります。情報の忠実度（ f i d e l - i t y）を維持するために、シンボル・レートに対応する 1111 1011 00 11 01 11 信号帯域幅の最小値が決められます。シンボル・レート は、以下の式に示すように、ビデオの圧縮を行う場合の 図 2 . 16 Q A Mのコンスタレーション4 データレートに比例します。OFDMに対応するシステム I では、複素データが IFFT（逆高速フーリエ変換）によっ Amax てサブキャリアに変調され、そのサブキャリアによって Amax/3 制限帯域内の信号が送信されます。 0 –Amax/3 ［ビット・レート］ ［シンボル・レート］ = –Amax ［各シンボルで送信されるビット数］ 010 0 0000 1101 0111 0101 1001 0010 1010 シンボルの値 Amax 各シンボルで送信されるビット数は、変調の次数に応じ Amax/3 て異なります。 0 –Amax/3 占有信号帯域幅は次式で与えられます。 –Amax Q ［RF占有信号帯域幅］ =［ シンボル・レート］×（1+α） 図 3 . コンスタレーションに対応する I / Qのデジタル波形 ここで、αはフィルタ帯域幅のパラメータです。 –Amax Amax –Amax Amax –Amax Amax QPSK 16 QAM 64 QAM シンボル当たり2ビット シンボル当たり4ビット シンボル当たり6ビット 図 5 . 変調次数 2 Analog Dialogue 51-01 –Amax Amax –Amax Amax –Amax Amax 振幅 –Amax Amax

上に示した式から次式を導くことができます。 Smin = 10log(kT S 0B) + NF + (N )min = –174 dBm + 10logB + NF + ( S )min［圧縮データレート］ N ［RF占有信号帯域幅］= × (1 + α) ［各シンボルで伝送される ここで、各変数の意味は以下のとおりです。 ビット数］ （S/N）min：信号を処理するために必要な最小のS/N比 この式から、表2にまとめたようにRF占有信号帯域幅を NF：レシーバのノイズ指数 求めることができます。 k：ボルツマン定数（1.38 × 10 –23 jou le /k） 表 2. 異なる変調次数に対するRF占有信号帯域幅 T 0：レシーバの入力部の絶対温度（ケルビン温度） （α=0.25） B：レシーバの帯域幅（単位はHz） 圧縮デー QPSKの 16QAMの 64QAMの 方式 タレート 信号帯域幅 信号帯域幅 信号帯域幅 〔Mbps〕 〔MHz〕 〔MHz〕 〔MHz〕 （S / N） m i nは変復調の次数によって異なります。S / N比 が同じである場合、変調次数の低い方がシンボル・エラ VGA 2.2 1.375 0.6875 0.4583 ーは少なくなります。シンボル・エラーが同等である場 720p 6.6 4.1250 2.0625 1.3750 合、変調次数が高い方が復調するためにより高いS/N比 1080p 14.9 9.3125 4.6563 3.1042 を必要とします。トランスミッタがレシーバからかなり 2k 17.0 10.6250 5.3125 3.5417 離れている場合には信号が弱くなります。したがって、 そのS/N比では高次の復調に対応できないということが 4k 63.7 39.8125 19.9063 13.2708 起こります。トランスミッタを稼働させたまま、あるビ デオ方式で同じデータレートを維持するためには、ベー AD9361/AD9364の最大信号帯域幅は56MHzです。両製 スバンド部において帯域幅の拡張と引き換えに変調の次 品は、表2に示す全てのビデオ伝送方式だけでなく、よ 数を下げるべきです。そうすることで、受信した画像が り高いフレーム・レートにも対応します。変調の次数を 不鮮明にならないようにします。幸い、デジタル変復調 上げると占有帯域幅は狭くなり、シンボルにおけるビッ の機能を備えるSDRでは、変調方式を変更することが可 ト当たりの情報量は増加します。ただし、正しく復調を 能です。先述した分析内容は、トランスミッタのR Fパ 行うためには高いS/N比が必要になります。 ワーが一定であるという仮定に基づいています。アンテ ナのゲインを変えずにR F送信パワーを大きくすると、 通信距離とトランスミッタのパワー レシーバの感度を高めなくても、より遠くで信号を受信 U AVなどのアプリケーションでは、最大通信距離が非 できます。ただし、最大送信パワーについてはFCC/CE 常に重要なパラメータになります。それほど長い通信距 の放射に関する規格に準拠しなければなりません。 離は求められないケースもありますが、そうした場合で また、通信距離はキャリア周波数に依存します。波が空 も、通信が遮断されないことが非常に重要になります。 間を伝搬する際には分散による損失が生じます。自由空 信号は、（自由空間での減衰とは別に）酸素や水などの 間における損失は次式によって求められます。 障害物によって減衰する可能性があります。 4�R 4�Rf 図6に示したのは、ワイヤレス通信チャンネルにおける Afs = 20log( λ ) = 20log ( C ) 損失のモデルです。 通常、レシーバの感度は、トランスミッタからの情報を ここでRは距離、 λは波長、 fは周波数、Cは光速です。 復調またはリカバーするために必要な最小入力信号S この式から、自由空間において通信距離が一定だとするmin として定義されます。レシーバの感度が得られたら、以 と、周波数が高いほど損失が大きくなることがわかりま 下に示すように、いくつかの仮定に基いて最大通信距離 す。例えば、通信距離が同じであるとすると、キャリア を算出することができます。 周波数が5 .8GHzの場合の減衰は、同2 .4GHzの場合と比 べて7.66dB以上大きくなります。 大気中での損失 反射信号 自由空間 水蒸気 雨による 酸素による マルチパスでの減衰 損失 吸収 による損失 トランスミッタ レシーバの のアンテナ Afs Aprop L multi アンテナ トランスミッタ ［全体のチャンネル損失］ = Afs + Lprop + Lmulti レシーバ 図 6 . ワイヤレス通信チャンネルにおける損失のモデル 5 Analog Dialogue 51-01 3

RF周波数とスイッチング A D 9 3 6 1 / A D 9 3 6 4は7 0 M H z～6 G H zの周波数範囲に対応 (a) (b) しています。具体的にどの周波数を使用するかはプロ グラムによって選択可能です。このような周波数範囲 に対応していることから、 1 . 4 G H z、 2 . 4 G H z、 5 . 8 G H z な ど 、 免 許 が 必 要 /不 要 な 周 波 数 を 含 む ほ と ん ど の NLOS（Non Line-of -Sight：見通し外）周波数アプリケ ーションで利用できます。 (c) (d) 2 .4GHzの周波数帯は、Wi-F i、Blue too th、 IoT（ In t e r- ne t of Things）向けの短距離通信に広く使用されてお り、非常に混雑しています。この周波数帯をワイヤレ ス・ビデオ伝送と制御信号の通信に使用すると、信号 が干渉したり、不安定になったりする可能性が高まりま す。言うまでもなく、これはUAVにとって望ましいこと ではなく、危険な状態に陥る可能性があります。そこで 使用されるのが、周波数スイッチングという手法です。 これは、干渉などが生じないクリーンな周波数を使える 図 7. 8 0 4 . 5 M H zから8 0 2 M H zへの 状態を維持することで、データや制御信号の通信を信 周波数ホッピングには 5 0 0 μ sかかる 頼性の高い状態に保つというものです。トランスミッタ は、周波数帯が混雑していることを感知したら、他の周 周 波 数 ホ ッ ピ ン グ を 使 用 す る ア プ リ ケ ー シ ョ ン で 波数帯を使用するように自動的に切り替えを行います。 は 、 5 0 0 μ sと い う の は 非 常 に 長 い 時 間 で す 。 そ こ 例えば、近接する周波数を使用して運用されている2機 で、AD9361 /AD9364には、通常よりも高速な周波数ホ のUAVは、互いの通信に対して干渉を及ぼします。その ッピングを実現するための高速ロック・モードが用意さ 場合、自動的にL O（局部発振）周波数を切り替えて周 れています。このモードでは、シンセサイザに関する一 波数帯を選択し直すことにより、安定したワイヤレス・ 連のプログラミング情報（プロファイルと呼ばれます） リンクを維持することができます。稼働中にキャリア周 を自身のレジスタまたはベースバンド・プロセッサの 波数やチャンネルを柔軟に選択できる機能は、ハイエン メモリ領域に保存することによって高速化が実現されま ドのUAVにふさわしいものだと言えます。 す。図8に示したのは、高速ロック・モードを使用して 8 8 2 M H zから8 0 2 M H zへの周波数ホッピングを実行した 時のテスト結果です。図 8（ d）の位相応答を見ると、 周波数ホッピング 必要な時間が 20μ s以下に抑えられていることがわかり 電子対抗手段（ECM：Elec t ronic Countermeasures）で ます。なお、位相を表す曲線は、802MHzの位相を基準 は、高速周波数ホッピングが広く使用されています。こ にしてプロットした結果です。周波数情報とキャリブ れも干渉を回避する手段として有用です。通常、周波数 レーション結果がプロファイルに保存されていることか ホッピングを行う場合には、一連の処理を実施した後に ら、SPI（Ser ia l Per iphera l In te r face）による書き込み フェーズ・ロック・ループ（PLL）を再ロックする必要 時間とVCOのキャリブレーション時間はこのモードでは があります。その際には、周波数に関するレジスタへの 排除されます。図8（b）はAD9361 /AD9364の高速周波 書き込み時間、VCO（電圧制御発振器）のキャリブレー 数ホッピング機能の様子を表しています。 ション時間、PLLロック時間が必要になります。そのた め、周波数ホッピングには数百μs程度の時間がかかりま す。図7は、トランスミッタのLO周波数を816.69MHzか ら802.03MHzにホッピングする例を示したものです。通 (a) (b) 常、AD9361は周波数を変更可能なモードで使用されま す。トランスミッタのR F出力周波数は、1 0 M H zの周波 数を基準として 8 1 4 . 6 9 M H zから 8 0 0 . 0 3 M H zにジャンプ します。周波数ホッピングにかかる時間は、図7に示す ようにシグナル・ソース・アナライザ（Keysight Tech- n o l o g i e s社の「E 5 0 5 2 B」）を使うことでテストできま す。図 7（ b）の結果から、V C Oのキャリブレーション (c) (d) とP L Lのロックにかかる時間は約500μsです。このよう に、シグナル・ソース・アナライザを使えば、PLLの過 渡応答を捉えることができます。図 7（ a）は広帯域モ ードにおける過渡応答の測定結果です。図7（b）と図7 （d）は、周波数ホッピングによる周波数および位相の 過渡応答をかなり高い解像度で示したものです 6。図 7 （c）は出力パワーの応答を表しています。 図 8 . 高速ロック・モードでは、2 0 μ s以内で 8 8 2 M H zから 8 0 2 M H zまでの周波数ホッピングを実行できる 4 Analog Dialogue 51-01

OFDMに対応する物理層 ドシェイクを実行しなければならないと定められてい O F D Mは変調方式の1つです。この方式では、高いデー ます。各データ・パケットについては、各パケットに タレートで変調されたストリームを低速に変調されたサ 含まれる512バイトの全てを問題なく受信したことを確 ブキャリアに分割します。サブキャリアとしては、近 認する必要があります。もし1バイトでも失われていた 8 接する狭い帯域が使用されます。このような処理を行 ら、512バイトの全てを再び送信しなければなりません うことにより、周波数フェージングに対する感度を下 。確かに、このようなプロトコルであればデータの信頼 げることができます。この方式の短所は、PAPR（Peak 性を高めることができます。しかし、ワイヤレスのデー to Average Power Rat io）が高いことと、キャリアの タ・リンクを再確立するには複雑な処理を行わなければ オフセットとドリフトに対して感度が高くなることで ならず、相応の時間がかかります。例えば、T C P / I Pは す。O F D Mは広帯域ワイヤレス通信の物理層で広く採 遅延が大きく、ビデオの伝送や制御をリアルタイムで行 用されています。OFDMを実現するための主要な技術と うことは困難です。このことが原因で、T C P / I Pを利用 しては、 I F F T / F F T、周波数同期、サンプリング時間同 するUAVは墜落の危険にさらされる可能性があります。 期、シンボル /フレーム同期などが挙げられます。 IFFT/ それに対し、F P G AとA D 9 3 6 1を組み合わせたS D Rソリ F F Tは、F P G Aによってできるだけ高速に実行できるよ ューションは、1ウェイのデータ・ストリームを採用し うにすべきです。また、サブキャリアの間隔を決める ています。つまり、空中に浮かんでいるドローンからビ ことも非常に重要な要素になります。その間隔は、通信 デオ信号をテレビ放送のように送信できるということで 機能を備える移動体が周波数のドップラー・シフトに す。実際、リアルタイムのビデオ伝送を目標とするので 十分に耐えられるように大きく設定したいところです。 あれば、パケットを再送する時間は許容できません。 しかし、スペクトル効率を高めるために限られた周波 また、Wi-F iでは、多くのアプリケーションに対して適 数帯域内でより多くのシンボルを送信できるようにする 切なレベルのセキュリティが提供されるわけではありま ためには、サブキャリアの間隔は小さく設定しなけれ せん。それに対し、F P G AとA D 9 3 6 1 / A D 9 3 6 4を組み合 ばなりません。エンコーディング技術とOFDM変調を組 わせたソリューションでは、暗号化用のアルゴリズム み合わせていることを指してCOFDM（coded OFDM） とユーザーが定義可能なプロトコルを利用することによ という用語が使われることがあります。COFDMは、信 り、セキュリティ面での脅威をかなり抑えることができ 号の減衰に対する高い耐性を備えています。また、前 ます。 方誤り訂正（FEC）を適用することも可能です。そのた め、COFDMを利用すれば、移動体からビデオ信号を適 さらに、1ウェイのデータ・ストリーム配信であれば、- 切に送信できるようになります。エンコーディングを行 Wi - F iの 2～ 3倍の通信距離に対応可能です 8。 S D Rが提 うには信号の帯域幅を広くとる必要がありますが、トレ 供する柔軟性によってデジタル変復調の調整を行うこと ードオフを行う価値があると言えます。 で、距離の要件を満たすことができます。また、複雑な 放射環境に応じてS/N比を変更するように調整を行うこ 集積度の高いアナログ・デバイセズのR Fトランシーバ とも可能です。 ICに、The MathWorks社のモデル・ベース設計ツール / 自動コード生成ツールと、 X i l i n x社の強力な「 Z y n q - 7000 Al l Programmable SoC」を組み合わせれば、従来 まとめ に比べ、SDRシステムの設計、検証、テスト、実装を効 本稿では、F P G AとA D 9 3 6 1 / A D 9 3 6 4を組み合わせたソ 率的に行えるようになります。その結果、無線システム リューションによって高精細のワイヤレス・ビデオ伝送 の高性能化と開発期間の短縮を両立することが可能にな を実現する場合に重要な意味を持つパラメータについて ります 7。 説明しました。このソリューションを利用すれば、俊敏 な周波数スイッチングと高速周波数ホッピングによって Wi-Fiは最善の解なのか？ 安定性と信頼性の高いワイヤレス・リンクを確立できま す。また、複雑化が進む伝送路における放射の影響を抑 Wi-F iを搭載したドローンは、携帯電話やノート型パソ え、墜落の可能性を低減することが可能になります。加 コンといったモバイル機器に対し、無線によって非常 えて、このソリューションでは、通信リンクの確立時間 に簡単に接続することができます。そのため、Wi-F iは を短縮し、遅延を抑えた接続を実現するために、1ウェ ドローンを非常に使いやすくする技術だと言えるでしょ イの通信プロトコルを使用することができます。これに う。しかし、U AVアプリケーションにおけるワイヤレ より、柔軟性が高まります。農業や電力線の検査、サ ス・ビデオ伝送については、F P G AとA D 9 3 6 1を組み合 ーベイランス（調査監視）といった産業用 /民生用アプ わせたソリューションを利用する場合の方が、Wi-F iを リケーションで成功を収めるには、安定性と信頼性が高 使用する場合よりも多くのメリットを得ることができま く、セキュアな通信を実現することが不可欠です。 す。まず、物理層については、AD9361 /AD9364を採用 すれば、迅速な周波数スイッチングと高速周波数ホッピ ングを利用することで干渉を防止することできます。集 参考文献 積度の高いWi-Fiチップのほとんどは、混雑した2 .4GHz 1 アナログ・デバイセズが提供するソフトウェア無線ソリ 帯でも動作します。しかし、それらの製品は、ワイヤレ ューション、Analog Devices ス接続を安定させるために周波数帯を切り替える機能は 2 備えていません。 AD9361 データシート、Analog Devices 3 F P G A A D 9 3 6 1 AD9364 データシート、Analog Devicesと を組み合わせたソリューションにはも う1つのメリットがあります。それは、設計者が通信プ 4 Ken Genti le、アプリケーション・ノート AN-922「Dig- ロトコルを柔軟に定義 /開発できることです。Wi-Fiの場 i ta l Pulse-Shaping Fi l te r Bas ics（デジタル・パルス整形 合、プロトコルは標準規格として定義されています。 フィルタの基本）」Analog Devices その中では、全てのデータ・パケットで2ウェイのハン Analog Dialogue 51-01 5

5 Scot t R . Bul lock「Transce iver and Sys tem Des ign for 7 D i P u / A n d r e i C o z m a / To m H i l l「製造までの 4つのス Digi ta l Communica t ions , 4 th ed i t ion（デジタル通信用の テップ：モデル・ベース設計で実現するソフトウェア無 トランシーバとシステムの設計 第4版）」SciTech Pub- 線、Part 1：ADI/Xil inx社のSDR向けラピッド・プロトタ l i sh ing , Edison , NJ、2014年 イピング用プラットフォーム――その機能、メリット、開 6 E 5 0 5 2 B S i g n a l S o u r c e A n a l y z e r, A d v a n c e d P h a s e 発ツールについて学ぶ」Analog Dia logue 49-09「 Noise and Trans ien t Measurement Techniques（シグナ 8 John Locke「Compar ing the DJI Phantom 4’s Light - ル・ソース・アナライザ「E5052B」、位相ノイズと過渡 br idge vs . Yuneec Typhoon H’s Wi-Fi .（DJI Phantom 4 的事象の高度な計測技術）」Agi len t、2007年 のLigh tb r idgeとYuneec Typhoon HのWi-F iの比較）」 Drone Compares Wei Zhou 著者： Wei Zhou（Wei.Zhou@analog.com）は、アナログ・デバイセズのアプリ ケーション・エンジニアです。主に、ワイヤレス・ビデオ伝送やワイヤレ ス通信向けのRFトランシーバ製品とアプリケーションの設計 /開発をサポ ートしています。中国 北京にあるアナログ・デバイセズの中央アプリケー ション・センターで、5年間にわたって、DDS、PLL、高速DAC/ADC、 クロックなどの製品を担当してきました。2006年に中国 武漢にある武漢 大学で学士号を取得し、2009年に中国 北京にある中国科学院で修士号を 取得しています。2009年から2011年までは、航空宇宙技術に関連する企 業でR F /マイクロ波に対応する回路やシステムの設計技術者として勤務 していました。 6 Analog Dialogue 51-01