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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 IEC61508 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
2016/10/19 26 Koden Electronics Co., Ltd. 1. 開発概要
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.
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-1130 5G 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.
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 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.
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
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
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.
2016/10/19 34 Koden Electronics Co., Ltd. 2. 開発環境
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
PL 部 ( FPGA ) PS 部 ( Cortex-A9 ) 2 2016/10/19 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 -7000 All Programmable SoC ) ANT (Tx) PA ANT (Rx) Up Down DSP CLK(REF) DSP Vivado Zynq Xilinx SDK UI UI Storage
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 i7-4770 RAM UI 32 GB MATLAB R2016a PL 開発 Vivado 2015.2 PS 開発 Xilinx SDK 2015.2 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
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
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
2016/10/19 40 Koden Electronics Co., Ltd. 3. 評価環境
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 )
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
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
2016/10/19 44 Koden Electronics Co., Ltd. 4.RF 部の評価 (1/2) ( 送信特性 )
Tx Output level [dbm] 2016/10/19 45 Koden Electronics Co., Ltd. 出力レベル特性 10 5 0-5 -10-15 -20-25 Tx Output level Transmit frequency [MHz] 6000 5000 2400 400 70-30 -30-25 -20-15 -10-5 0 Gain [dbfs]
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
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
2016/10/19 48 Koden Electronics Co., Ltd. 4.RF 部の評価 (2/2) ( 受信特性 )
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 0.15 1.0 0.10 0.5 0.05 0.0 0.00-0.5-0.05-1.0-0.10-1.5-0.15 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Received frequency [MHz] 振幅誤差 ( 最大 ) 0.1 [db] @ 1 GHz 位相誤差 ( 最大 ) 1.3 [ ] @ 5 GHz
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
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 )
2016/10/19 52 Koden Electronics Co., Ltd. 雑音指数 スペクトル表示 ( パワー密度 )
2016/10/19 53 Koden Electronics Co., Ltd. 5. システム評価
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 61.44 MHz 帯域幅 20 MHz 送信系列 Zadoff-Chu. LTE の Sounding Reference Signal( 3GPP, TS 36.211 )
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
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 : 325.5 ns 直接波 直接波 + 遅延波
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
2016/10/19 58 Koden Electronics Co., Ltd. 参考文献 Zynq SDR Support from Communications System Toolbox http://jp.mathworks.com/hardware-support/zynq-sdr.html AD-FMCOMMS3-EBZ User Guide https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/ad-fmcomms3-ebz http://www.analog.com/jp/design-center/evaluation-hardware-andsoftware/evaluation-boards-kits/eval-ad-fmcomms3-ebz.html Sample code ( Public git repositories for Analog Devices Inc. ) https://github.com/analogdevicesinc Engineer Zone TM https://ez.analog.com/ ZedBoard http://zedboard.org/product/zedboard
2016/10/19 59 Koden Electronics Co., Ltd. ご清聴ありがとうございました
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
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 61
ソフトウェア無線 http://jp.mathworks.com/discovery/sdr.html 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
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