Transmisión de vídeo basada en SDR de alta definición y bajo retardo en aplicaciones UAV

Resumen

Los transceptores ágiles de RF integrados no sólo se utilizan ampliamente en la radio definida por software (SDR)1 el AD9361/AD9364 se utiliza para la transmisión inalámbrica de vídeo en estaciones base de telefonía móvil, como el sistema de acceso distribuido multiservicio (MDAS) y las células pequeñas, y también para la transmisión inalámbrica de vídeo HD para aplicaciones industriales, comerciales y militares, como los vehículos aéreos no tripulados (UAV). Este artículo examinará la implementación de una cadena de señal de vídeo inalámbrica de banda ancha utilizando el AD9361/AD93642,3 describiremos el número de transceptores integrados, la cantidad de datos transmitidos, el ancho de banda de la señal de RF ocupada correspondiente, la distancia de transmisión y la potencia del transmisor. También describiremos la implementación de la capa PHY OFDM y presentaremos los resultados de las pruebas de tiempo de salto de frecuencia para evitar las interferencias de RF. Por último, discutiremos las ventajas y desventajas entre el Wi-Fi y el transceptor ágil de RF en aplicaciones inalámbricas de banda ancha.

La cadena de señales

La figura 1 muestra el esquema simplificado de transmisión inalámbrica de vídeo utilizando el AD9361/AD9364 y un BBIC. La cámara captura la imagen y transmite los datos de vídeo a un procesador de banda base a través de Ethernet, HDMI®, USB u otra interfaz. La codificación/decodificación de la imagen puede ser manejada por el hardware o por la FPGA. El front-end de RF incluye el conmutador, el LNA y el PA del transceptor integrado programable.

Figura 1: Esquema de transmisión inalámbrica de vídeo.

Cuántos datos deben transmitirse

La tabla 1 muestra la diferencia de tamaño significativa entre las tasas de datos sin comprimir y comprimidas. Utilizando la Codificación de Vídeo de Alta Eficiencia (HEVC), también conocida como H.265 y MPEG-H Parte 2, podemos reducir la tasa de datos y ahorrar ancho de banda. H.264 es actualmente uno de los formatos más utilizados para grabar, comprimir y distribuir contenidos de vídeo. Representa un gran paso adelante en la tecnología de compresión de vídeo y es uno de los muchos sucesores potenciales del ampliamente utilizado AVC (H.264 o MPEG-4 Parte 10).

Ecuación 1

La tabla 1 resume las velocidades de datos sin comprimir y comprimidas en diferentes formatos de vídeo. Los supuestos incluyen una profundidad de bits de vídeo de 32 bits y una frecuencia de imagen de 60 fps. En el ejemplo de 1080p, la velocidad de datos es de 7,45 Mbps después de la compresión, lo que puede ser manejado fácilmente por el procesador de banda base y la capa PHY inalámbrica

Tabla 1. Velocidad de datos comprimida

FormatoLíneas horizontalesLíneas verticalesPíxelesVelocidad de datos sin comprimir (Mbps)Velocidad de datos comprimida (Mbps)
Relación comprimida = 200
VGA640480307,2004422.2
720p1280720921,60013286.64
1080p192010802,073,600298614.93
2k204811522,359,296340017.0
4k 40962160 8,847,360 12,740 63.7

Ancho de banda de la señal

Los AD9361/AD9364 admiten anchos de banda desde <200 kHz hasta 56 MHz modificando la frecuencia de muestreo, los filtros digitales y la decimación. Los AD9361/AD9364 son transceptores cero-IF con canales I y Q para transmitir datos complejos. Los datos complejos constan de partes reales e imaginarias, correspondientes a I y Q respectivamente, que se encuentran en el mismo ancho de banda de frecuencias para duplicar la eficacia del espectro en comparación con una sola parte. Los datos de vídeo comprimidos se pueden mapear en los canales I y Q para crear puntos de constelación, conocidos como símbolos. La figura 2 muestra un ejemplo de MAQ-16 en el que cada símbolo representa cuatro bits.

Figura 2
Figura 2. Constelación 16 QAM.4
Figura 3
Figura 3: Forma de onda digital I y Q de la constelación.4
Figura 4
Figura 4: Respuesta del filtro formador de impulsos.4

En un sistema de una sola portadora, la forma de onda digital I y Q debe pasar por un filtro de conformación de impulsos antes del DAC para dar forma a la señal transmitida dentro de un ancho de banda limitado. Se puede utilizar un filtro FIR para dar forma al pulso, y la respuesta del filtro se muestra en la figura 4. Para mantener la fidelidad de la información, existe un ancho de banda mínimo de la señal correspondiente a la tasa de símbolos. Y la tasa de símbolos es proporcional a la tasa de datos de vídeo comprimido, como se muestra en la ecuación siguiente. En el caso de la OFDM, los datos complejos deben modularse en las subportadoras mediante la IFFT, que también transmite la señal en un ancho de banda limitado.

Ecuación 2

El número de bits transmitidos con cada símbolo depende del orden de modulación.

Figura 5
Figura 5: Orden de modulación.

El ancho de banda de la señal ocupada viene dado por,

Ecuación 3

Donde α es el parámetro de ancho de banda del filtro.

Lee:  Nuevo enfoque robusto para la protección contra la sobretensión de las entradas de señales electrónicas sensibles

A partir de las fórmulas anteriores podemos derivar esta ecuación,

Ecuación 4

Por tanto, podemos calcular el ancho de banda de la señal que ocupa la RF como se indica en la Tabla 2.

Tabla 2. Ancho de banda de la señal de radiofrecuencia ocupado con tipos de orden de modulación (α = 0,5)

FormatoVelocidad de datos comprimida (Mbps)QPSK (señal BW, MHz)16 QAM (ancho de banda de la señal, MHz)64 QAM (ancho de banda de la señal, MHz)
VGA2.21.3750.68750.4583
720p6.64.12502.06251.3750
1080p14.99.31254.65633.1042
2k17.010.62505.31253.5417
4k 63.739.8125 19.906313.2708

Los AD9361/AD9364, con un ancho de banda de señal de hasta 56 MHz, admiten todas las transmisiones de formato de vídeo de la Tabla 2 e incluso velocidades de fotogramas superiores. La modulación de orden superior ocupa un menor ancho de banda y el símbolo representa más información/bits, pero se requiere una mayor SNR para demodular.

Distancia de transmisión y potencia del transmisor

En aplicaciones como los drones, la distancia máxima de transmisión es un parámetro crítico. Sin embargo, es igualmente importante que la comunicación no se interrumpa incluso a una distancia limitada. El oxígeno, el agua y otros obstáculos (excepto la atenuación del espacio libre) pueden atenuar la señal

La figura 6 muestra el modelo de pérdida del canal de comunicación inalámbrica.

Figura 6
Figura 6. Modelo de pérdida del canal de comunicación inalámbrica.5

La sensibilidad del receptor se toma normalmente como la señal de entrada mínima (Smin) necesarios para demodular o recuperar la información del transmisor. Una vez obtenida la sensibilidad del receptor, se puede calcular la distancia máxima de transmisión con algunas suposiciones, como se muestra aquí:

Ecuación 5

(S/N)min es la relación señal/ruido mínima necesaria para procesar una señal

NF es el factor de ruido del receptor

k es la constante de Boltzmann = 1,38 × 10-23 joule/k

T es la temperatura absoluta de la entrada del receptor (Kelvin) = 290 K

B es el ancho de banda del receptor (Hz)

El parámetro (S/N)min depende del orden de modulación/demodulación. Con la misma SNR, una modulación de orden inferior obtiene un error de símbolo menor, y con el mismo error de símbolo, una modulación de orden superior necesita una SNR mayor para ser demodulada. Así, cuando el transmisor está lejos del receptor, la señal es más débil y la SNR no puede soportar la demodulación de orden superior. Para mantener el transmisor en línea y mantener un formato de vídeo con la misma velocidad de datos de vídeo, la banda base debe utilizar una modulación de orden inferior a costa de un mayor ancho de banda. Esto garantiza que las imágenes recibidas no estén borrosas. Afortunadamente, la radio definida por software con modulación y demodulación digital ofrece la posibilidad de cambiar la modulación. El análisis anterior se basa en el supuesto de que la potencia de RF del transmisor es constante. Aunque una mayor potencia de transmisión de RF con la misma ganancia de antena llegará a un receptor más lejano con la misma sensibilidad del receptor, la potencia máxima de transmisión debe cumplir las normas de radiación de la FCC/CE.

Además, la frecuencia de la portadora influye en la distancia de transmisión. Cuando una onda se propaga por el espacio, hay una pérdida debida a la dispersión. La pérdida en el espacio libre está determinada por

Ecuación 6

En la que R es la distancia, λ es la longitud de onda, f es la frecuencia y C es la velocidad de la luz. Por tanto, la frecuencia más alta tendrá más pérdidas en la misma distancia en el espacio libre. Por ejemplo, la frecuencia de la portadora a 5,8 GHz se atenuará más de 7,66 dB en comparación con la de 2,4 GHz en la misma distancia de transmisión.

Frecuencia de radiofrecuencia y conmutación

Los AD9361/AD9364 tienen un rango de frecuencia programable de 70 MHz a 6 GHz. Esto satisfará la mayoría de las aplicaciones de frecuencia NLOS, incluyendo varios tipos de frecuencias con y sin licencia, como 1,4 GHz, 2,4 GHz y 5,8 GHz.

La frecuencia de 2,4 GHz se utiliza ampliamente para Wi-Fi, Bluetooth®y la comunicación de corto alcance de la IO, lo que la hace cada vez más congestionada. Su uso para la transmisión inalámbrica de vídeo y señales de control aumenta las posibilidades de interferencias e inestabilidad de la señal. Esto crea situaciones indeseables y a menudo peligrosas para los drones. Al utilizar la conmutación de frecuencia para mantener una frecuencia limpia, la conexión de datos y de control será más fiable. Cuando el transmisor detecta una frecuencia congestionada, cambia automáticamente a otra banda. Por ejemplo, dos drones que utilicen la misma frecuencia y operen muy cerca el uno del otro interferirán en las comunicaciones del otro. Cambiar automáticamente la frecuencia LO y volver a seleccionar la banda ayudará a mantener un enlace inalámbrico estable. La selección adaptativa de la frecuencia portadora o del canal durante el periodo de encendido es una de las grandes características de los drones de gama alta.

Lee:  Funcionamiento y aplicaciones del sensor acelerómetro

Salto de frecuencia

El salto rápido de frecuencia, muy utilizado en las contramedidas electrónicas (ECM), también ayuda a evitar las interferencias. Normalmente, si queremos saltar la frecuencia, el PLL tiene que volver a bloquearse después del procedimiento. Esto incluye escribir los registros de frecuencia y pasar por el tiempo de calibración del VCO y el tiempo de bloqueo del PLL para que el intervalo de salto de frecuencia sea de unos cientos de microsegundos. La figura 7 muestra un ejemplo de salto de frecuencia del LO del transmisor de 816,69 MHz a 802,03 MHz. El AD9361 funciona en modo de cambio de frecuencia normal y la frecuencia de salida de RF del transmisor salta de 814,69 MHz a 800,03 MHz con una frecuencia de referencia de 10 MHz. El tiempo de salto de frecuencia se comprueba con el E5052B, como se muestra en la figura 7. El tiempo para calibrar el VCO y bloquear el PLL es de aproximadamente 500 µs, como se muestra en la Figura 7b. El analizador de fuentes de señal E5052B puede utilizarse para capturar la respuesta transitoria del PLL. La figura 7a muestra el modo de banda ancha de la medición transitoria, mientras que las figuras 7b y 7d proporcionan una resolución mucho más fina de la medición transitoria de frecuencia y fase con salto de frecuencia.6 La figura 7c muestra la respuesta de la potencia de salida.

Figura 7
Figura 7. Salta la frecuencia de 804,5 MHz a 802 MHz con 500 µs.

500 µs es un intervalo muy largo para la aplicación del salto. Sin embargo, los AD9361/AD9364 incluyen un modo de bloqueo rápido que permite conseguir cambios de frecuencia más rápidos de lo normal almacenando conjuntos de información de programación del sintetizador (llamados perfiles) en los registros del dispositivo o en el espacio de memoria del procesador de banda base. La figura 8 muestra el resultado de la prueba utilizando el modo de bloqueo rápido para realizar el salto de frecuencia de 882 MHz a 802 MHz. El tiempo se reduce a menos de 20 µs, según la respuesta de fase de la figura 8d. La curva de fase se dibuja con referencia a la fase de 802 MHz. Tanto el tiempo de escritura SPI como el tiempo de calibración del VCO se eliminan en este modo, ya que la información de frecuencia y los resultados de la calibración se almacenan en los perfiles. Como podemos ver, la figura 8b muestra la capacidad de salto de frecuencia rápido del AD9361/AD9364.

Figura 8
Figura 8. Salta la frecuencia de 882 MHz a 802 MHz en 20 µs en modo de bloqueo rápido.

Implementación de la capa PHY-OFDM

La Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) es una forma de modulación de la señal que divide un flujo de modulación de alta velocidad de datos en muchas subportadoras de banda estrecha moduladas lentamente y muy próximas entre sí. Esto hace que sea menos susceptible al desvanecimiento selectivo de la frecuencia. Las desventajas son una elevada relación pico-potencia media y la sensibilidad al desplazamiento y la deriva de la portadora. La OFDM se aplica ampliamente en la capa PHY de las comunicaciones inalámbricas de banda ancha. La tecnología crítica de la OFDM incluye la IFFT/FFT, la sincronización de la frecuencia, la sincronización del tiempo de muestreo y la sincronización del símbolo/trama. La IFFT/FFT debe implementarse mediante FPGA de la forma más rápida posible. También es muy importante elegir el intervalo de las subportadoras. La brecha debe ser lo suficientemente grande como para soportar la comunicación móvil con desplazamiento de frecuencia Doppler y lo suficientemente pequeña como para transportar más símbolos en el limitado ancho de banda de frecuencia para aumentar la eficiencia del espectro. COFDM es una combinación de tecnología de codificación y modulación OFDM. La tecnología COFDM, con su gran resistencia a la atenuación de la señal y las ventajas de la corrección de errores hacia adelante (FEC), puede enviar señales de vídeo de cualquier objeto en movimiento. La codificación aumentará el ancho de banda de la señal, pero suele merecer la pena.

Lee:  ¿Qué es un condensador de acoplamiento: construcción y funcionamiento?

Al combinar las herramientas de diseño basado en modelos y de generación automática de código de MathWorks con las potentes herramientas de codificación de Xilinx® Con los SoCs Zynq y los transceptores de RF integrados de Analog Devices, el diseño, la verificación, las pruebas y la implementación de los sistemas SDR pueden ser más eficientes que nunca, lo que da lugar a sistemas de radio de mejor rendimiento y a una reducción del tiempo de comercialización.7

¿Cuáles son las ventajas del Wi-Fi?

Los drones con Wi-Fi son muy fáciles de conectar a teléfonos móviles, ordenadores portátiles y otros dispositivos móviles, lo que hace que su uso sea muy cómodo. Pero para la transmisión inalámbrica de vídeo en aplicaciones de drones, la solución AD9361 FPGA plus ofrece muchas ventajas sobre el Wi-Fi. En primer lugar, en la capa PHY, la ágil conmutación de frecuencias y el rápido salto del AD9361/AD9364 ayudan a evitar las interferencias. La mayoría de los chips Wi-Fi integrados también operan en la concurrida banda de frecuencia de 2,4 GHz sin un mecanismo de reselección de banda de frecuencia para hacer más estable la conexión inalámbrica

En segundo lugar, con la solución AD9361 FPGA plus, los diseñadores pueden definir y desarrollar el protocolo de transmisión de forma flexible. El protocolo Wi-Fi es estándar y se basa en un apretón de manos bidireccional con cada paquete de datos. Con el Wi-Fi, cada paquete de datos debe confirmar que se ha recibido un paquete y que los 512 bytes del paquete se han recibido intactos. Si se pierde un byte, hay que retransmitir todo el paquete de 512 bytes.8 Aunque este protocolo garantiza la fiabilidad de los datos, es complejo y requiere mucho tiempo para restablecer el enlace de datos inalámbrico. El protocolo TCP/IP da lugar a una alta latencia que hace que el vídeo y el control no se realicen en tiempo real, lo que puede hacer que el UAV se estrelle. La solución SDR (FPGA más AD9361) utiliza un flujo de datos unidireccional, lo que significa que el dron en el cielo transmite la señal de vídeo como una emisión de televisión. No hay tiempo que perder en reenviar paquetes cuando el objetivo es el vídeo en tiempo real.

Además, el Wi-Fi no ofrece el nivel de seguridad adecuado para muchas aplicaciones. Al utilizar el algoritmo de encriptación y el protocolo definido por el usuario, la solución AD9361/AD9364 FPGA plus es mucho menos susceptible a las amenazas de seguridad.

Además, el flujo de datos de difusión unidireccional ofrece una capacidad de transmisión a una distancia dos o tres veces mayor que los enfoques Wi-Fi.8 La flexibilidad de la capacidad de radio definida por software permite ajustar la modulación/demodulación digital para cumplir los requisitos de distancia o y adaptarse a los cambios de SNR en entornos de radiación espacial complejos

Conclusiones

Este artículo ha ilustrado los parámetros críticos del uso de una solución FPGA más AD9361/AD9364 para implementar la transmisión de vídeo inalámbrica de alta definición. Mediante la conmutación ágil de la banda de frecuencias y el salto rápido de frecuencias, se puede establecer un enlace inalámbrico más estable y fiable para soportar la radiación cada vez más compleja del espacio y disminuir la probabilidad de un accidente. En la capa de protocolo, la solución es más flexible y utiliza la transmisión unidireccional para reducir el tiempo de configuración inalámbrica y crear una conexión de menor latencia. En aplicaciones industriales y comerciales, como la agricultura, la inspección de líneas eléctricas y la vigilancia, las transmisiones estables, seguras y fiables son esenciales para el éxito.

Referencias

1Soluciones de radio definida por software de Analog Devices. Analog Devices, Inc.

2Hoja de datos del AD9361. Analog Devices, Inc.

3Hoja de datos del AD9364. Analog Devices, Inc.

4 Ken Gentile. Nota de aplicación AN-922, Principios básicos de los filtros digitales de formación de impulsos. Analog Devices, Inc.

5 Scott R. Bullock Diseño de transceptores y sistemas para comunicaciones digitales, 4th edición. SciTech Publishing, Edison, NJ, 2022.

6E5052B Analizador de Fuentes de Señal, Técnicas Avanzadas de Medición de Ruido de Fase y Transitorios. Agilent, 2007.

7 Di Pu, Andrei Cozma y Tom Hill. «Cuatro pasos rápidos hacia la producción: uso del diseño basado en modelos para la radio definida por software» Diálogo Analógico, Volumen 49, 2022.

8 John Locke. «Comparación entre el DJI Phantom 4 Lightbridge y el Yuneec Typhoon H Wi-Fi.» Comparación de drones.

Javired
Javired

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.