SDRを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発...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

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

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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


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





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


１．開発概要

MATLAB EXPO 2016


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


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


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


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


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


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


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


MATLAB EXPO 2016


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


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


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


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 )


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


MATLAB EXPO 2016


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


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）


MATLAB EXPO 2016


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


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


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）


MATLAB EXPO 2016


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


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


スペクトル表示（パワー）

利得の周波数特性－ AGC ー

MATLAB EXPO 2016


雑音指数

スペクトル表示（パワー密度）

MATLAB EXPO 2016


５．システム評価

MATLAB EXPO 2016


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


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


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


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


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


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

Documents

SDRを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発...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

SDRを用いたチャネルサウンダ用トランシーバの開発...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