sdrを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発 · arduino ® beagleboard®...
Post on 09-Aug-2020
5 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1© 2016 The MathWorks, Inc.
SDRを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発
株式会社光電製作所
開発グループ開発部部長
荒田慎太郎様
MathWorks
田中明美
2
アジェンダ
MathWorksが提案するSDRソリューションのご紹介
– MathWorks/田中明美
事例発表
– 株式会社光電製作所/荒田慎太郎様
セッションのまとめ
– MathWorks/田中明美
3
ソフトウェア無線とは?
無線通信システムの機能をハードウェアは変更せずに、ソフトウェアあるいは、プログラマブルなハードウェアを使用して、様々な方式に対応できる無線通信システムやその通信技術
書き換える事で様々な方式に対応
(DSP/FPGA/CPUなど)
変更せずに使用
変更せずに使用
5
ソフトウェア無線の研究の始まり1970年代 米軍による軍事利用目的
6
ソフトウェア無線の研究の始まり1970年代 米軍による軍事利用目的
ソフトウェア無線機
ソフトウェア
7
ソフトウェア無線の現在様々な用途
衛星通信/防災無線
セキュリティ
ワンセグ 航空無線
簡易計測器
8
ソフトウェア無線の現在限られたコストでも始められるレベルに
RTL-SDR
ZedBoard + FMCOMMS
PicoZed™
USRP®
ARM®/FPGA
ARM®/FPGA FPGA
ハードウェアの動かし方は？ARM®の設計は？FPGAの設計は？
9
統合試験(Over the air)
実装
VHDL/VerilogC / C++
ARM FPGA
従来の手法
ハード/ソフトの切り分け
Cコードコーディング、ソフトウェア開発環境での検証
HDLコードコーディング、ハードウェア開発環境での検証
固定小数点精度検討
量産ボードの設計、検証
統合環境でのシミュレーション
専用ボードのESができるまで実機を使用した検証が難しい
固定小数点化
ソフトウェアロジック
ハードウェアロジック
設計
アルゴリズム
BB RF
リサーチ 要求手戻り
専用ボード
10
アルゴリズム開発から実機検証までの幅広いツールチェーン
ソフト/ハード、ベースバンド/RFなどヘテロジニアスな系の統合検証
ブロック、ステートマシン、MATLABコードによるモデリング
固定小数点シミュレーションと最適化機能
C/HDLコード生成,検証
サポートパッケージを利用しARM®/FPGAなどでの実機検証
評価ボードを利用する事でボードのデバッグなしに無線機の構築
統合試験(Over the air)
実装
VHDL/VerilogC / C++
ARM FPGA
固定小数点化
ソフトウェアロジック
ハードウェアロジック
設計
アルゴリズム
BB RF
リサーチ 要求手戻り
評価ボード
11
FPGAもZynq®も怖くないハンドコーディングせずにソフトウェア無線を実現
Simulink®モデルからFPGA設計言語
HDLコードを生成
Simulink®モデルからプロセッサ/DSP設計言語
Cコードを生成
サポートパッケージよりSimulink®とハードウェアのインタフェースを提供
12
サポートパッケージでハードウェアとの連携MathWorks製品で、特定のサードバーティ製のハードウェアやソフトウェアをMATLAB®/Simulink®環境で使用するための、アドオン
Arduino® BeagleBoard®LEGO®
MINDSTORMS® NXTRaspberry Pi
RTL-SDRPicoZed™ USRP®
Web Cam
R2016bでは、236種類のハードウェアサポートパッケージを提供MATLAB®/Simulink®だけで、組み込みを行えるパッケージも存在
13
Embedded Coder®でCコードを自動生成
MATLABプログラム/Simulink・Stateflowモデルから組込み実装に適した効率的なC/C++コードを自動生成
– 関数・引数・生成ファイル設定
– 識別子、修飾子、記憶クラス等の変数・定数設定
プロセッサに合わせたコード最適化・サポートパッケージ
モデル＆生成コード間トレーサビリティ
モデル・生成コード間等価性検証（B2Bテスト）
– SIL/PIL
各種規格に準拠・対応
– MISRA-C
– AUTOSAR
– ISO26262/IEC61508
ISO26262IEC61508
if (reset) {
y = 0;} else {
y += k * u;}
14
HDL Coder™でHDLコードを自動生成
MATLAB®/Simulink®/Stateflow®モデルからVHDL/Verilog生成– FPGA/ASIC用のターゲット依存しないコード生成
– テストベンチ生成
– 高機能ライブラリを使用した設計が可能
– Xilinx® ISE ®,vivado® , Altera ® Quartus ® IIと連携
してコンパイルおよびクリティカルパスの表示
回路パフォーマンスの最適化– パイプライン自動挿入
– リソースシェアリング
コード生成レポートの生成– モデル-コード間のトレーサビリティ
– 回路リソース情報
アルゴリズム検討
システム設計
実装
コード生成 検証
SoCVirtual Platform
Processor
C, C++ SystemCVHDL,Verilog
FPGA/ASIC
15
Zynq®ボードを使用したSDR構成例
RFフロントエンドだけを使用 FPGAに信号処理の一部を実装
ARM®/FPGAに全てのユーザロジックを実装ARM®/FPGAに一部のユーザロジックを実装
16
使用例1 : Zynq®ボードのRFフロントエンドだけを使用
AD9361RF Card
Zynq bord
ARM FPGASimulink
Zynq bord
ARM FPGASimulinkAD9361RF Card
*イメージ図
ユーザーロジックをARM/FPGAいずれにも実装しないのでより簡単に利用
信号処理をMATLAB/Simulinkで行う
少ないオプション構成で使用できる
処理速度がボトルネック
17
使用例2 : Zynq®ボードのFPGAに一部のユーザロジック実装
AD9361RF Card
Zynq bord
ARM FPGA
ユーザーロジック
Simulink
Zynq bord
ARM FPGA
ユーザーロジック
SimulinkAD9361RF Card
ユーザーロジックの一部をFPGAに実装信号処理をMATLAB/SimulinkとFPGAで行う
ハードに実装する部分は詳細設計が必要
*イメージ図
18
使用例3.1 :Zynq®ボードのARM®/FPGAに一部のユーザロジックを実装
AD9361RF Card
Simulink
SimulinkAD9361RF Card
ユーザーロジックをARM®/FPGAに実装信号処理をARM®/FPGAで行う
AXI経由でSimulink®からパラメータの変更ハードに実装する部分は詳細設計が必要
*イメージ図
Zynq bord
ARM FPGA
ユーザーロジック
ユーザープログラム
ユーザーロジック
ユーザープログラム
19
使用例3.2 : Zynq®ボードのARM®/FPGAに全てのユーザロジックを実装
AD9361RF Card
Zynq bord
ARM FPGA
ユーザーロジック
ユーザープログラム
ユーザーロジック
ユーザープログラム
AD9361RF Card
ユーザーロジックをARM®/FPGAに実装MATLAB®/Simulink®がない環境で動作(スタンドアロン)
外部機器からUDPでパラメータの変更信号処理が高速に行える
ハードに実装する部分は詳細設計が必要
*イメージ図
外部機器
20
用途に合わせて選択
RFフロントエンドだけを使用 FPGAに信号処理の一部を実装
ARM®/FPGAに全てのユーザロジックを実装ARM®/FPGAに一部のユーザロジックを実装
21
ビデオ:使用例1
送信側:ハードウェア上のメモリに送信データを書込みギャップレスで、繰り返し送信
受信側:バーストでデータを取得し、オフラインで解析
22
ビデオ:使用例3-2
Simulink
RTL-SDR
展示ブースでご覧いただけます
23
MathWorks SDRソリューションを利用した事例
SDRを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発株式会社光電製作所
荒田慎太郎様
量産のボードが出来上がる前に、量産で使用するFMCOMMS(AD9361)を早い段階から使用し
評価を実施された事例
ITU-R SG1会合やJAXA様、産業技術総合研究所様との
共同研究などでご活躍
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 Koden Electronics Co., Ltd.
SDRを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発
２０１６年１０月１９日
株式会社光電製作所
開発部
荒田慎太郎 山口敏浩
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 25 Koden Electronics Co., Ltd.
目次
1. 開発概要
2. 開発環境
3. 評価環境
4. ＲＦ部の評価
5. システム評価
6. まとめ
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 26 Koden Electronics Co., Ltd.
１．開発概要
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 27 Koden Electronics Co., Ltd.
光電製作所のマリンエレクトロニクス製品
• レーダー
• GPSプロッター
• 魚群探知機
• ソナー
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 28 Koden Electronics Co., Ltd.
光電製作所のネットワーク関連製品
無線方位測定装置 D-8180
（Direction Finder）
VHF/UHF DF
移動体通信関連製品
– MIMO チャネルサウンダ E-1130
– 5G向けアンテナ測定装置
マルチ気象ステーション E-2000
温度、湿度、風向、風速、降雨量、大気圧のリアルタイム測定
アンテナ測定装置
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 29 Koden Electronics Co., Ltd.
背景 5G実現に向けた新しい無線周波数の開拓
電波伝搬路の特性把握が必要
伝搬モデルが確立していない
実際の伝搬路特性を測定
伝搬路の測定
チャネルサウンダにより測定
新しい周波数に対応したチャネルサウンダの開発
SDRを用いたトランシーバの効率的開発
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 30 Koden Electronics Co., Ltd.
チャネルサウンダ― 高分解能伝搬路測定装置 ―
目的 利用する無線周波数の放射方向、到来方向、遅延時間、信号強度を
同時に測定して伝搬特性を解析する
StorageUser interface User interface
H ?
周波数
空間
Power amplifier
Digital Signal
Processing Unit
Up converter
Reference signalDigital Signal
Processing Unit
Down converter
Reference signal
Contr
ol
Contr
ol
ANT (Tx) ANT (Rx)
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 31 Koden Electronics Co., Ltd.
チャネルサウンダの特徴
大別 特徴
アンテナ 送信アンテナと受信アンテナにアレーアンテナを利用 電波の放射方向および到来方向を測定
時刻同期 ルビジウム等を使用した基準信号により同期
制御同期 測定前に同期信号を送受することにより同期 送信アンテナは時分割切り替え 測定中は送受信間の制御信号が不要
送信信号 信号の広帯域化によって遅延分解能が向上
リアルタイム測定 遅延プロファイル等をリアルタイムに表示
位置情報 GPSとジャイロにより、位置と方向を計測 搭載する車輌の車速パルスを取り込み正確な距離を計測
データ記録 高速大容量のストレージに連続記録
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 32 Koden Electronics Co., Ltd.
チャネルサウンダ― RF回路の要件 ―
構成品 特徴 効果
送信アンテナ アレーアンテナ垂直偏波、水平偏波の送信
放射方向測定が可能偏波毎の伝搬測定が可能
送信機 広い占有周波数帯幅 遅延分解能の向上
回路構成の簡素化 保守の効率化
受信アンテナ アレーアンテナ垂直偏波、水平偏波の受信
到来方向測定が可能偏波毎の伝搬測定が可能
受信機 受信チャネルの並列化 短時間測定の実現
広帯域受信 遅延分解能の向上
広いダイナミックレンジ 微弱遅延波測定性能の向上
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 33 Koden Electronics Co., Ltd.
広範囲の周波数に対応できるアナログフロントエンド
広い受信帯域幅
多チャンネルの同期受信
周波数毎のハードウェアの変更を回避
周波数に依存しないベースバンド処理部の共通化
構成品の小型化
AD-FMCOMMS3-EBZTMとZedBoardTM を併用
ソフトウェア無線（SDR）技術の活用
チャネルサウンダのハードウェア開発要件
MATLAB EXPO 2016
２．開発環境
2016/10/19 34 Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 35 Koden Electronics Co., Ltd.
AD-FMCOMMS3-EBZ（RF処理）周波数 70 MHz ～ 6000 MHz
RFポート数 送信：２（TX1A，TX2A） 受信：２（RX1A，RX2A）
チャネル帯域幅 200 kHz ～ 56 MHz
送受信方式 ダイレクト・コンバージョン
デバイス・ドライバ LinuxまたはOS無し
AD9361
TX1A
TX2A
RX1A
RX2A
Transformer
StorageUI UI
PA
DSP
Up
CLK(REF) DSP
Down
ANT (Tx) ANT (Rx)
Bottom view
Top view
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 36 Koden Electronics Co., Ltd.
ZedBoard™（ベースバンド処理）
ZC7Z020-CLG484C-1
（ ZynqⓇ-7000 All Programmable SoC ）
FMCコネクタ
SD Card
Ethernet ( 10 / 100 / 1000 )
ジャンパピン
Xilinx SDKVivado® Zynq
PS部
( C
ort
ex-A
9 )
×2
PL部
( F
PG
A )
転送データの帯域に影響
DDR3－SDRAM 512 MB
Flash 256 Mb
SD Card 4 GB
StorageUI UI
PA
DSP
Up
CLK(REF) DSP
Down
ANT (Tx) ANT (Rx)
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 37 Koden Electronics Co., Ltd.
SDR Platform― AD-FMCOMMS3-EBZ ＋ ZedBoad ―
PC( Win )
システム
OS WindowsⓇ 7 Professional 64bit
CPU IntelⓇ CoreTM i7-4770
RAM 32 GB
開発環境 UI MATLAB R2016a
PL開発 Vivado 2015.2
PS開発 Xilinx SDK 2015.2
SD
カード
ブートイメージ( Linux )
BOOT.bin ，devicetree.dtb，uImage, uramdisk.image.gz,
etc.
LANケーブル
StorageUI UI
PA
DSP
Up
CLK(REF) DSP
Down
ANT (Tx) ANT (Rx)
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 38 Koden Electronics Co., Ltd.
開発環境の構築過程 （１／２）－基本開発環境－
PC( Win )
関連資料の入手
Linuxカーネルの（再）構築内部設計
解析アプリの製作
単体動作確認
連接動作確認
デバイスツリーのカスタマイズ
アプリ開発シミュレーション
合成・配置配線 統合( BOOT.bin ）
ドライバの解析PS I/Fの設計
（治具の製作）
RF部の評価
ドライバ開発
関連資料の入手またはセミナーの活用関連資料の入手
アプリ開発環境のインストール
Linux開発環境のインストール Zynq開発環境のインストール
外部設計 U-Bootの作成（ SSBL※2 ） FSBL※1の作成
ロジック設計 シーケンスの定義
単体動作確認
※1. FSBL
First Stage Boot Loader※2. SSBL
Second Stage Boot Loader
ドライバの入手
MATLAB EXPO 2016
PC( Win )
2016/10/19 39 Koden Electronics Co., Ltd.
開発環境の構築過程 （２／２）－ MATLABⓇ & SimulinkⓇの導入効果－
RF部の評価
Zynq開発環境のインストール
BPSのウィザードに沿ったセットアップ
mファイルの設計 Simulinkモデルの設計
各ベンダー毎の情報取集 どうしても必要な場合 SDRプラットフォームの熟知 不要 大量のマニュアルの読破 不要 HDLやC言語等の文法知識 MATLABとSimulinkのみ必要 サポート窓口 明確
ボードサポートパッケージ（BSP）の追加
MATLAB & Simulinkのインストール
MATLAB EXPO 2016
３．評価環境
2016/10/19 40 Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 41 Koden Electronics Co., Ltd.
測定系
Signal Analyzer (SA)
[ MS2692A ]
Standard
Signal Generator (SSG)
[ N5172B ]
Ethernet Switch (ES)
[ SW05GTXB ]
SA
(送信特性評価用)
SSG
(受信特性評価用)
ES
PC
PC
MATLAB&
Simulink
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19
送信制御 送信周波数 送信電力
任意波形制御 波形ファイルの選択 クロックの指定
42 Koden Electronics Co., Ltd.
SSGの遠隔制御－ 任意波形生成用の治具 ー
インタフェース プロトコル TCP / IP
コマンドセット SCPI
MATLAB 開発環境 GUIDE
ツールボックス Instrument Control ToolboxTM
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 43 Koden Electronics Co., Ltd.
Simulinkを活用した測定環境－ Spectrum Analyzerライブラリの例 ー
スペクトログラム表示機能
歪み測定機能
スペクトル表示機能（パワー / パワー密度）
ピーク検出機能
チャネル測定機能
MATLAB EXPO 2016
４．ＲＦ部の評価（１／２）（送信特性）
2016/10/19 44 Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 45 Koden Electronics Co., Ltd.
出力レベル特性
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Tx
Ou
tpu
t le
vel
[d
Bm
]
Gain [dBFS]
Tx Output level
6000
5000
2400
400
70
Transmit
frequency
[MHz]
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 46 Koden Electronics Co., Ltd.
comm.SDRTxZedBoardFMC234 System object
のメソッドを活用
送信信号の周波数特性
55 MHz
40 MHz
20 MHz
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 47 Koden Electronics Co., Ltd.
Δ ≒ 0.5 dB
マルチキャリア信号の送信スペクトラム
MATLAB EXPO 2016
４．ＲＦ部の評価（２／２）（受信特性）
2016/10/19 48 Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 49 Koden Electronics Co., Ltd.
IQインバランス
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Am
pli
tud
e er
ror
[dB
]
Ph
ase
err
or
[°]
Received frequency [MHz]
Phase error & Amplitude errorPhase error
Amplitude error
振幅誤差（最大） 0.1 [dB] @ 1 GHz 位相誤差（最大） 1.3 [°] @ 5 GHz
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 50 Koden Electronics Co., Ltd.
Gain
Table1
Gain
Table2
Gain
Table3
Δ 4.6 dB
Δ 6.8 dB
Δ 7.1 dB
スペクトル表示（パワー）
利得の周波数特性－ MGC 1 dB ー
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 51 Koden Electronics Co., Ltd.
スペクトル表示（パワー）
利得の周波数特性－ AGC ー
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 52 Koden Electronics Co., Ltd.
雑音指数
スペクトル表示（パワー密度）
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 53 Koden Electronics Co., Ltd.
５．システム評価
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 54 Koden Electronics Co., Ltd.
遅延波の分離－チャネルサウンダのモデリング－
サウンディング信号MATLABでマルチトーン信号を生成・合成し、SSGから連続出力
チャネルサウンダ受信モデルブロック結線でモデルを作成して遅延波形を確認
中心周波数 2250 MHz
出力電力 －10 dBm
ベースバンドクロック 61.44 MHz
帯域幅 20 MHz
送信系列 Zadoff-Chu※
𝑑=1
2
ℎ𝑑直接波 ℎ1
t
遅延波 ℎ220 samples
( 0 dBFS )
( －10 dBFS )
※. LTEのSounding Reference Signal（ 3GPP, TS 36.211 ）
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 55 Koden Electronics Co., Ltd.
Simulinkを利用した評価系の記述－チャネルサウンダの受信モデル －
状態表示ブロック• data length
• over / under run
可視化ブロック• Spectrum Analyzer
• Array plot
• Correlation (DSP)
受信ブロック• SDR Receiver
• format conversion
諸元制御ブロック• center frequency
• gain
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 56 Koden Electronics Co., Ltd.
直接波
Simulinkを利用した評価結果－ 遅延波の分離結果 －
直接波・振幅：－1.6 dBFS
遅延波・振幅：－10.4dBFS
・遅延： 325.5 ns
直接波＋遅延波
時間波形
遅延波形
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 57 Koden Electronics Co., Ltd.
チャネルサウンダの開発概要を紹介
開発に使用したハードウェアプラットフォームとRF部の評価結果
MATLABとSimulinkの優位性― Board Support Package とCommunications System ToolboxTM
の利用により、HDL、Linux、C、C++等の詳細知識不要― HDL CoderTMとEmbedded CoderⓇの導入計画（高速化 ）
SDRの利用によって開発効率が向上― ５Gの標準化動向を見据えた要素技術の先行開発
AD9361によってチャネルサウンダの小型化が期待できる
まとめと今後の展開
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 58 Koden Electronics Co., Ltd.
参考文献
Zynq SDR Support from Communications System Toolboxhttp://jp.mathworks.com/hardware-support/zynq-sdr.html
AD-FMCOMMS3-EBZ User Guidehttps://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/ad-fmcomms3-ebz
http://www.analog.com/jp/design-center/evaluation-hardware-and-
software/evaluation-boards-kits/eval-ad-fmcomms3-ebz.html
Sample code ( Public git repositories for Analog Devices Inc. )https://github.com/analogdevicesinc
Engineer ZoneTM
https://ez.analog.com/
ZedBoardhttp://zedboard.org/product/zedboard
MATLAB EXPO 2016
2016/10/19 59 Koden Electronics Co., Ltd.
ご清聴ありがとうございました
60
ハードウェアへ実装の前に精度の高いシミュレーション
Antenna Toolbox™
パラメタライズ可能な25種類のアン
テナライブラリ
リニア、平面およびコンフォーマルの
アンテナアレイ設計の機能
容易な解析設定
SimRF™ RFシステム設計 RFシステムモデル自動生成 RFコンポーネントモデル
ミキサ・アンプ等 効率的なRF解析
サーキットエンベロープ
Phased Array System Toolbox™
フェーズドアレイシステム
設計・シミュレーション
アンテナエレメント
アンテナ配置/解析
アレイ信号処理
検出
AD9361の振る舞いを模擬したモデル
61
規格に準拠した信号の生成/解析もより簡単に
LTE System Toolbox™ LTE and LTE-Advanced モデル End-to-Endリンクレベルシミュレー
ション LTE 信号生成および解析 作成アルゴリズムの
検証用リファレンス
WLAN System Toolbox™
無線LAN規格準拠のコンポーネント
IEEE®802.11ac™, 802.11a/b/g/n/p/j/ah
信号生成/解析/検出
End-to-End
シミュレーション
測定
Signal Generation
62
ソフトウェア無線
http://jp.mathworks.com/discovery/sdr.html
63
まとめ
MathWorksが提供するサポートパッケージを利用する事で、簡単にハードを利用した試験環境を構築
ハンドコーディングなしにソフトウェア無線を構築
(Cコード : Embedded Coder / HDLコード HDL Coder)
量産向けのRFカードを使用して、早い段階からプロトタイプで評価が可能
専用のボードを起こすことなく、評価ボードを利用する事で短期間でソフトウェア無線機を構築
MathWorksが提供するソフトウェア無線環境と安価なハードウェアでどなたでも今日から始められます!
64
デモ展示アナログ・デバイセズ社様のブースでもSDRのデモをご覧頂けます
top related