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こうしょえいさか
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1 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 2016 The MathWorks, Inc. 1

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 2

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変更せずに使用書き換える事で様々な方式に対応 (DSP/FPGA/CPU など ) 3

4 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 5

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ソフトウェア無線機ソフトウェア 6

6 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簡易計測器ワンセグ航空無線 7

7 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 ARM /FPGA RTL-SDR ARM /FPGA PicoZed FPGA ハードウェアの動かし方は? ARM の設計は? FPGA の設計は? ZedBoard + FMCOMMS USRP 8

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

8 従来の手法リサーチ要求手戻り BB 固定小数点化ソフトウェアロジック C / C++ ARM 設計アルゴリズム実装 RF ハードウェアロジック VHDL/Verilog FPGA 統合試験 (Over the air) 専用ボードハード / 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 9

9 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リサーチ BB 設計アルゴリズム要求 RF 手戻りソフト / 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化ソフトウェアロジック C / C++ ARM 実装ハードウェアロジック VHDL/Verilog FPGA 統合試験 (Over the air) 評価ボード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 10

10 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 モデルからプロセッサ /DSP 設計言語 C コードを生成 Simulink モデルから FPGA 設計言語 HDL 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 11

11 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 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 PicoZed USRP RTL-SDR Raspberry Pi Arduino BeagleBoard LEGO MINDSTORMS NXT Web Cam 12

12 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 if (reset) { y = 0; } else { y += k * u; } MISRA-C AUTOSAR ISO26262/IEC61508 ISO26262 IEC

13 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コード生成アルゴリズム検討システム設計実装検証 VHDL, C, C++ SystemC Verilog Processor FPGA/ASIC SoC Virtual Platform 14

14 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 ARM /FPGAに一部のユーザロジックを実装 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 15

15 使用例 1 : Zynq ボードの RF フロントエンドだけを使用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 Zynq bord Simulink ARM FPGA AD9361 RF Card Zynq bord Simulink ARM FPGA AD9361 RF Card * イメージ図 16

16 使用例 2 : Zynq ボードの FPGA に一部のユーザロジック実装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 Zynq bord Simulink ARM FPGA ユーザーロジック AD9361 RF Card Zynq bord Simulink ARM FPGA ユーザーロジック AD9361 RF Card * イメージ図 17

17 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 Zynq bord Simulink ARM ユーザープログラム FPGA ユーザーロジック AD9361 RF Card Simulink ユーザープログラムユーザーロジック AD9361 RF Card * イメージ図 18

18 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 Zynq bord ARM ユーザープログラム FPGA ユーザーロジック AD9361 RF Card 外部機器ユーザープログラムユーザーロジック AD9361 RF Card * イメージ図 19

19 用途に合わせて選択 RFフロントエンドだけを使用 ARM /FPGAに一部のユーザロジックを実装 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 20

20 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 21

21 ビデオ : 使用例 3-2 展示ブースでご覧いただけます Simulink RTL- SDR 22

22 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 23

23 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 2016/10/19 Koden Electronics Co., Ltd.

24 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

25 2016/10/19 26 Koden Electronics Co., Ltd. 1. 開発概要

26 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 2016/10/19 27 Koden Electronics Co., Ltd.

27 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) 移動体通信関連製品 MIMO チャネルサウンダ E G 向けアンテナ測定装置 VHF/UHF DF 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 2016/10/19 28 Koden Electronics Co., Ltd.

28 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 2016/10/19 29 Koden Electronics Co., Ltd.

Control 空間 Control チャネルサウンダ高分解能伝搬路測定装置目的

ANT (Tx) ANT (Rx) Power amplifier Up converter 周波数 Down

signal Reference signal Digital Signal Processing Unit

29 Control 空間 Control 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 H? ANT (Tx) ANT (Rx) Power amplifier Up converter 周波数 Down converter Digital Signal Processing Unit Reference signal Reference signal Digital Signal Processing Unit User interface User interface Storage 2016/10/19 30 Koden Electronics Co., Ltd.

30 2016/10/19 31 Koden Electronics Co., Ltd. チャネルサウンダの特徴大別アンテナ時刻同期制御同期送信信号リアルタイム測定位置情報データ記録特徴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ルビジウム等を使用した基準信号により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信号の広帯域化によって遅延分解能が向上遅延プロファイル等をリアルタイムに表示 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高速大容量のストレージに連続記録

31 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受信アンテナ回路構成の簡素化アレーアンテナ垂直偏波水平偏波の受信保守の効率化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広いダイナミックレンジ遅延分解能の向上微弱遅延波測定性能の向上

32 チャネルサウンダのハードウェア開発要件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-EBZ TM と ZedBoard TM を併用ソフトウェア無線 (SDR) 技術の活用 2016/10/19 33 Koden Electronics Co., Ltd.

33 2016/10/19 34 Koden Electronics Co., Ltd. 2. 開発環境

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 送受信方式デバイス

34 2016/10/19 35 Koden Electronics Co., Ltd. AD-FMCOMMS3-EBZ(RF 処理 ) AD9361 Transformer TX1A Top view 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 送受信方式デバイスドライバダイレクトコンバージョン Linux または OS 無し RX1A RX2A ANT (Tx) PA Up Down ANT (Rx) TX2A Bottom view DSP UI CLK(REF) UI DSP Storage

35 PL 部 ( FPGA ) PS 部 ( Cortex-A9 ) /10/19 36 Koden Electronics Co., Ltd. ZedBoard ( ベースバンド処理 ) Ethernet ( 10 / 100 / 1000 ) ジャンパピン転送データの帯域に影響 FMC コネクタ SD Card DDR3-SDRAM Flash SD Card 512 MB 256 Mb 4 GB ZC7Z020-CLG484C-1 ( Zynq R All Programmable SoC ) ANT (Tx) PA ANT (Rx) Up Down DSP CLK(REF) DSP Vivado Zynq Xilinx SDK UI UI Storage

36 システム開発環境 2016/10/19 37 Koden Electronics Co., Ltd. SDR Platform AD-FMCOMMS3-EBZ + ZedBoad LAN ケーブル PC ( Win ) OS Windows R 7 Professional 64bit CPU Intel R Core TM i RAM UI 32 GB MATLAB R2016a PL 開発 Vivado PS 開発 Xilinx SDK ANT (Tx) ANT (Rx) PA ブートイメージ ( Linux ) BOOT.bin,devicetree.dtb, uimage, uramdisk.image.gz, etc. SD カード Up DSP UI CLK(REF) Down DSP UI Storage

37 2016/10/19 38 Koden Electronics Co., Ltd. PC ( Win ) 開発環境の構築過程 (1/2) - 基本開発環境 - 関連資料の入手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ドライバの入手外部設計 U-Bootの作成 ( SSBL 2 ) PS I/Fの設計 FSBL 1 の作成ドライバの解析内部設計 Linux カーネルの ( 再 ) 構築ロジック設計ドライバ開発シーケンスの定義解析アプリの製作シミュレーションアプリ開発 ( 治具の製作 ) 単体動作確認合成配置配線統合 ( BOOT.bin ) デバイスツリーのカスタマイズ単体動作確認 1. FSBL First Stage Boot Loader 2. SSBL Second Stage Boot Loader 連接動作確認 RF 部の評価

MATLAB & Simulinkのインストールボードサポートパッケージ (BSP) の追加 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

38 2016/10/19 39 Koden Electronics Co., Ltd. PC ( Win ) 開発環境の構築過程 (2/2) - MATLAB R & Simulink R の導入効果 - Zynq 開発環境のインストール MATLAB & Simulinkのインストールボードサポートパッケージ (BSP) の追加 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 RF 部の評価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

39 2016/10/19 40 Koden Electronics Co., Ltd. 3. 評価環境

40 2016/10/19 41 Koden Electronics Co., Ltd. 測定系 PC MATLAB & Simulink Ethernet Switch (ES) [ SW05GTXB ] Signal Analyzer (SA) [ MS2692A ] Standard Signal Generator (SSG) [ N5172B ] PC ES SSG ( 受信特性評価用 ) SA ( 送信特性評価用 )

41 2016/10/19 42 Koden Electronics Co., Ltd. SSG の遠隔制御 - 任意波形生成用の治具ー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 Toolbox TM

42 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ル表示機能 ( パワー / パワー密度 ) ピーク検出機能歪み測定機能チャネル測定機能スペクトログラム表示機能

43 2016/10/19 44 Koden Electronics Co., Ltd. 4.RF 部の評価 (1/2) ( 送信特性 )

44 Tx Output level [dbm] 2016/10/19 45 Koden Electronics Co., Ltd. 出力レベル特性 Tx Output level Transmit frequency [MHz] Gain [dbfs]

45 2016/10/19 46 Koden Electronics Co., Ltd. 送信信号の周波数特性 comm.sdrtxzedboardfmc234 System object のメソッドを活用 20 MHz 40 MHz 55 MHz

46 2016/10/19 47 Koden Electronics Co., Ltd. マルチキャリア信号の送信スペクトラム Δ 0.5 db

47 2016/10/19 48 Koden Electronics Co., Ltd. 4.RF 部の評価 (2/2) ( 受信特性 )

48 Phase error [ ] 2016/10/19 49 Koden Electronics Co., Ltd. Amplitude error [db] 1.5 IQ インバランス Phase error & Amplitude error Phase error Amplitude error Received frequency [MHz] 振幅誤差 ( 最大 ) GHz 位相誤差 ( 最大 ) 1.3 [ 5 GHz

49 2016/10/19 50 Koden Electronics Co., Ltd. 利得の周波数特性 - MGC 1 db ー Gain Table1 Δ 4.6 db Gain Table2 Gain Table3 スペクトル表示 ( パワー ) Δ 6.8 db Δ 7.1 db

50 2016/10/19 51 Koden Electronics Co., Ltd. 利得の周波数特性 - AGC ースペクトル表示 ( パワー )

51 2016/10/19 52 Koden Electronics Co., Ltd. 雑音指数スペクトル表示 ( パワー密度 )

52 2016/10/19 53 Koden Electronics Co., Ltd. 5. システム評価

53 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 直接波 h 1 20 samples ( 0 dbfs ) 遅延波 h 2 ( -10 dbfs ) 2 d=1 t h d 出力電力 -10 dbm ベースバンドクロック MHz 帯域幅 20 MHz 送信系列 Zadoff-Chu. LTE の Sounding Reference Signal( 3GPP, TS )

frequency gain 可視化ブロック Spectrum Analyzer Array plot

54 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 - 諸元制御ブロック center frequency gain 可視化ブロック Spectrum Analyzer Array plot Correlation (DSP) 受信ブロック SDR Receiver format conversion 状態表示ブロック data length over / under run

55 2016/10/19 56 Koden Electronics Co., Ltd. Simulink を利用した評価結果 - 遅延波の分離結果 - 時間波形直接波振幅 :-1.6 dbfs 遅延波形遅延波振幅 : -10.4dBFS 遅延 : ns 直接波直接波 + 遅延波

56 2016/10/19 57 Koden Electronics Co., Ltd. まとめと今後の展開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 Toolbox TM の利用により HDL Linux C C++ 等の詳細知識不要 HDL Coder TM と Embedded Coder R 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

57 2016/10/19 58 Koden Electronics Co., Ltd. 参考文献 Zynq SDR Support from Communications System Toolbox AD-FMCOMMS3-EBZ User Guide Sample code ( Public git repositories for Analog Devices Inc. ) Engineer Zone TM ZedBoard

58 2016/10/19 59 Koden Electronics Co., Ltd. ご清聴ありがとうございました

59 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 AD9361 の振る舞いを模擬したモデル 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 60

WLAN System Toolbox 無線 LAN 規格準拠のコンポーネント IEEE 802.11ac, 802.

60 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 ac, a/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 61

61 ソフトウェア無線 62

62 まとめ 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! 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 63

63 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 64

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Presentation Title コード生成製品の普及と最新の技術動向 MathWorks Japan パイロットエンジニアリング部東達也 2014 The MathWorks, Inc. 1 MBD 概要 MATLABおよびSimulinkを使用したモデルベースデザイン ( モデルベース開発 ) 紹介ビデオ 2 MBD による制御開発フローとコード生成製品の活用制御設計の最適化で性能改善設計図ですぐに挙動確認 MILS: