RadioVerse SDRソリューション基礎編sun.gmobb.jp/nebiya/seminar/20200602_mel.pdfRadioVerse開発事例③：AD9371 + Intel Arria10 SoC コグニティブ無線機送信アンテナ

RadioVerseTMセミナー

RadioVerse SDRソリューション基礎編

第二部：RadioVerseを使用したシステム開発の実例紹介

2019/10/10

マリモ電子工業株式会社

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アジェンダ

• 会社紹介

• RadioVerse以前の話

• RadioVerse開発事例• AD9361 AD-FMCOMMS3：スペクトラム・アナライザ

• AD9361 System on Module（SOM）： QPSKソフトウェア無線機

• AD9371 + Intel Arria10 SoC： IEEE802.11aベース・コグニティブ無線機

• AD9375 DPD：性能評価

• ADRV9009 SOM: コグニティブ無線機の広帯域化

• ADALM PLUTO：大学との無線アルゴリズム共同研究

• まとめ

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会社紹介：マリモ電子工業株式会社

• 所在地長野県上田市諏訪形1071

• 社員数 80名• ９割がエンジニア

• 業務内容: エンジニアリングサービス• ハードウェア／ソフトウェア受託開発

• 電子回路設計

• FPGA設計

• 組み込みソフトウェア設計

• アプリケーションソフトウェア設計

• 製造部門はなく、設計開発専門

• 得意分野• H/W、S/W技術を生かしたシステム開発

• 高度なデジタル信号処理

社名の由来：マリモのように厳しい社会情勢・経済情勢の中でも着実に成長する会社を目指す

上田

長野

北陸新幹線

東京から北陸新幹線で１時間半でアクセス可能

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会社紹介：アナログ・デバイセズアライアンス・メンバー

アナログ・デバイセズアライアンスページ

アライアンスロゴを使用できる

https://www.analog.com/jp/about-adi/alliances/search.html?q=*

4

会社紹介：マイクロウェーブ展の出展

• マイクロウェーブ展２０１７、２０１８のアナログ・デバイセズ社ブースに、アライアンスメンバーとして出展

デモ無線機本セミナー会場でデモ実施中

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会社紹介：デモ・デザイン例

• ベクトル・ネットワーク・アナライザ

・ZynqにWebサーバー搭載

・HTML5でブラウザに波形表示

測定周波数100MHz～3GHz

内部写真

マリモ製RFボード

Xilinx SoCZynq

・ MATLAB／Simulinkモデルベースデザイン・信号処理⇒ PL部： HDL Coder

・補正処理⇒ PS部： Embedded Coder

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RadioVerse以前の話：教育機関向けSDR実験装置

• 弊社で開発した某大学の無線実験教材

• SDR無線モジュールAD-FMCOMMS1

を使用

• FPGAと組合せて無線機が構成できる

アナログ・デバイセズAD-FMCOMMS1

ZedBoardAM,DSB,QPSK変復調による

無線通信実験電波暗室での通信実験

Dual　ARM Cortex-A９ Core

USB

Ethernet

Processing System

AXI Interconnect

DSB/AMBase Band

DACInterface

ADCInterface

USB Hub

Linux PC

Linux

IIO oscilloscope

VDMA

VDMA

QPSKDemodulation

DMA

Programmable Logic

HDMI

QPSKModulation

Xilinx Zynq-7000 AP SoC

IQDe-mod

IQMod

DAC

DAC

ADC

ADC

AD-FMCOMMS1-EBZAnalog Front End

Digital Back End

470MHz～2.6GHz

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RadioVerse以前の話：教育機関向けSDR実験装置

• AD-FMCOMMS1は、ダイレクトコンバージョン方式

• 無線機と原理的に同じスペクトラム・アナライザ、ネットワークアナライザの実験もできる

• 当時から既にあったADI IIOオシロスコープで波形、スペクトル、コンスタレーションが観測できた

• 弊社がRadioVerseに取り組むきっかけとなった

スペアナ実験スカラ・ネットアナ実験

IIOオシロスコープ

ローパスフィルタの特性観測

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RadioVerse以前の話： RFアナログ・フロント・エンド

DAC IQ変調器 RFアンプ

ADC

クロックシンセサイザジェネレータ

VGアンプ IQ復調器

クロックバッファ

VCO

従来の無線RF回路をワンチップに集積

AD-FMCOMMS1

9

RadioVerse以前の話： RadioVerse AD9361の登場

DAC IQ変調器 RFアンプ

ADC

クロックシンセサイザジェネレータ

VGアンプ IQ復調器

クロックバッファ

VCO

従来の無線RF回路をワンチップに集積

AD-FMCOMMS1 AD-FMCOMMS3

RadioVerse

AD9361

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RadioVerse開発事例①： AD9361 AD-FMCOMMS3 スペクトラム・アナライザ

* typical performance at 2.6 GHz

** typical performance at 2.6 GHz, AD9361 assumes internal LNA; AD937x and ADRV9009 no internal LNA.

Analog Devices Confidential Information.

©2018 Analog Devices, Inc. All rights reserved.

※アナログ・デバイセズ社 RadioVerse資料より掲載

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• RadioVerse製品を使った当社初のデモ機

• 2015年のMATLAB EXPOにデモ出展

• アナログ・デバイセズ社のアライアンス

パートナーとなる契機になったデモ機

マリモ製汎用Zynqボード

Radio Verse AD9361の受信パスを使って50MHz帯域

スペアナに

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/ad-fmcomms3-ebz

AD-FMCOMM3-EBZ サポートサイト



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スペアナのMATLAB/Simulinkモデル

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RadioVerse開発事例②： AD9361 SOM QPSKソフトウェア無線機






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• AD9361 System On Module （SOM）

• 各種キャリアカードに実装し早期プロトタイプ化

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/adrv936x_rfsom

AD9361 SOM SDR サポートサイト

Breakout Carrier PCIe Carrier

PackRF Carrier FMC Carrier

Zynq Z7035

AD9361

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/adrv936x_rfsom






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• 先の大学向けQPSKアルゴリズムをAD9361 SOM

に実装してみた

QPSK無線アルゴリズム

QPSK無線機

FMCキャリアカード上にSOMを実装

AD9361System On Module

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QPSK無線機のMATLAB/Simulinkモデル

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RadioVerse開発事例③： AD9371 + Intel Arria10 SoC コグニティブ無線機






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• 総務省のSCOPE研究： AI鳥害防止システムの広帯域無線通信システム

信州大学

マリモ電子工業富山県立大学

岐阜大学

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• AIによるムクドリ認識・追跡

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送信アンテナ

全天球カメラ

画像エンコーダ

送信機受信機

受信アンテナ

受信画像再生PC

りんご農家の農場での通信実験

・5GHz帯 W56

・WiFi（IEEE802.11a）準拠・伝送レート20Mbps

・FHDのH.264圧縮画像で20fps

・受信帯域100MHzの広帯域AD9371評価

ボードADRV9371

Intel社Arria10 SoC基板

無線機内部

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画像伝送部　概略構成

全天球カメラPIXPRO 4KVR360

USB GStreamerH.264

Encoder

ラズパイ３

Arria10 SoC 評価ボード

AD9371　評価ボード

無線受信信号処理

Ethernet

受信部

受信確認用PC

GStreamerH.264

Decoder

Intel社Arria10 SoC 評価ボード

アナログ・デバイセズ広帯域無線デバイスAD9371　評価ボード

無線送信信号処理

Ethernet

送信部

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• コグニティブ無線機の設計要素


アナログ・デバイセズ広帯域RFトランシーバ

AD9371

AD9371～SoC間高速シリアルインタフェース

JESD204B

インテルSoCデバイスへの実装

ARMデュアルコア＋FPGA

OSは組み込みLinux

独自開発コグニティブ無線アルゴリズム

MATLAB/Simulink

HDL Coder

モデルベースデザインによるアルゴリズムの実装

技術基準適合証明の取得IEEE802.11a

5GHz帯 W56

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• RadioVerse AD9371内部構成

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• 高速シリアルインタフェース JESD204B

• 広帯域RFトランシーバでは、広帯域ゆえ

ADC/DACのサンプリングレートが上がる

• ADC（153.6Msps）/DAC（307.2Msps）

のものを内蔵

• デジタルインタフェースの高速化

⇒ JESD204B（規格上MAX 12.5Gbps）

• FPGAとインタフェースするため、

JESD204B IPコアを使用する

・Intel社, Xilinx社からIPコアが供給される

も割と高価

・アナログ・デバイセズのIPコアがお勧め

JESD204B

IP Core

RX信号処理

TX信号処理

JESD204B2Lane

JESD204B4Lane

Arria10 SoC

6Gbps

Wideband RF Trasceiver AD9731

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• アナログ・デバイセズ提供のJESD204Bソリューション

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• アナログ・デバイセズ提供のJESD204Bソリューション

https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/jesd204-interface-framework.html

https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/jesd204-interface-framework.html

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• 独自コグニティブ無線アルゴリズムをIEEE802.11aに準拠させRadioVerse+SoCに実装した

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• 広帯域RFトランシーバの性能を生かしたアルゴリズム

• 送信側はフレーム送信後の未送信区間を使って、妨害波を

監視して、妨害波のないチャネルを使って送信を行う

• 受信側は広帯域100MHz、（20MHｚ帯域 5ch）で

受信を待ち、フレームを受信したチャネルのデータ

を繋げて行くことで、途切れ難くなる

• 妨害波の監視と送信チャネル切替は高速リアル

タイム（500μsec）に行われる

• 独自でありつつも、物理レイヤはWiFi

（IEEE802.11a）に準拠

-40MHz

100MHz

-20MHz 0MHz +20MHz +40MHz 周波数

電力

妨害波検出

CH1

CH2妨害波検出

未送信区間で妨害波を監視する次スロットは

妨害波を検出していない帯域を使用して送信する

CH3

CH3

妨害波未検出の場合は前スロットと同じ帯域を使用する

妨害波検出

送信フレーム

送信区間272us

未送信区間228us

500us 未送信区間で妨害波を監視する送信フレーム

妨害波検出

時間軸波形

時間軸で見ると

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• モデルベースデザインによるアルゴリズムの実装

MATLAB上でのモデルシミュレーションによる無線性能検証

無線アルゴリズムのSimulinkモデル

検証済みモデルからHDL CoderTMによる自動

HDLコード生成

Arria 10 SoCへの実装

Intel

Quartus Primeで論理合成・実装

モデルで性能検証した通りに論理合成されて

実装可能

IEEE802.11a の物理層と、コグニティブ無線アルゴリズムを、MATLAB/Simulinkモデルベースデザインにより、Intel SoCに実装

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• MATLAB/SimulinkモデルTOP階層

送信PHYモデル

受信PHYモデル

エア（伝送路）モデル

BER計算

妨害波のパラメータ設定

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• モデルの作成段階は2段階。①リファレンスモデル⇒②HDL化可能なモデルに最適化

• リファレンスモデルは、抽象度の高いSimulinkブロックを使う

• AWGN, フェージング環境下でシミュレーションして機能検証、無線性能を達成する

Scrambler内部モデル

スクランブラコンボリューション

エンコードデータ

インタリーブサブキャリア変調

IQマッピング

SCOPE無線機送信PHYのリファレンスモデル

抽象度の高いSimulinkブロックで構成

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• リファレンスモデルを、HDL化可能なモデルに最適化する

スクランブルコンボリューション

エンコードデータ

インタリーブ

サブキャリア変調IQマッピング

パンクチャ

Scrambler内部モデル

・HDLコード自動生成が可能なプリミティブなブロックに置き換える・固定小数点化する・遅延量も念頭にFFを配置する

無線性能は、リファレンスモデルと比較し、達成していく

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• コグニティブ無線機のMATLAB/Simulinモデルと、HDLコード生成のデモ

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• モデルベースデザインの効果

• 従来のRTLによる設計フローと、モデルベースデザインの開発工数比較の一例

0.0h

100.0h

200.0h

300.0h

400.0h

500.0h

600.0h

700.0h

800.0h

従来設計フローモデルベース開発

リリース

実機検査

インプリメント

マクロ結合検証

テスト設計・製造

マクロ設計・製造

モデリング

プロジェクト計画

要求分析

780h

477h

-39%

弊社で実際に行ったモデルベースデザインのプロジェクトの工数を、従来のRTL設計フローで見積もった場合の工数と比較した

40%近い設計工数削減効果を確認

※従来設計フローは見積り工数、モデルベースデザインは実績工数

・モデルが動く仕様となるので、従来FPGA設計に必要だった中間ドキュメントが不要となる・モデルで客先とのやり取りができるので、客先の工数も大幅に削減できる

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• SoCデバイスへの実装• アナログデバイセズのリファレンスデザイン

を参考とするのが近道

• Xilinx社、Intel社のFPGA、SoC評価ボード

のリファレンスデザインがUpされている

• Linuxやソフトウェアドライバ、ツール類なども

アップされている

• 例えば、直接AD9371のレジスタにアクセス

できない（レジスタマップ自体が公開されて

いない）ので、SoCのARMプロセッサ上で動く

Linuxドライバ（API）を使いAD9371を制御する

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/mykonos

https://wiki.analog.com/resources/eval/user-guides/mykonos

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• 技術基準適合認証の取得： ①隣接チャネル漏洩の問題解決

• 占有帯域以外への漏洩電力の規定

• 一般的にSDRでは難しいと言われているがAD9371の性能が良く、無事クリア

• 今回の装置では起動時にTxQEC Tracking CalibrationとTxLOL Calibrationを実行している

送信波形をフィードバックしてキャリブレーション

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• 技術基準適合認証の取得： ①隣接チャネル漏洩の問題解決（つづき）

• キャリブレーション後は不要なスプリアスが軽減

補正前補正後

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• 技術基準適合認証の取得： ② DFS（Dynamic Frequency Selection）の問題解決

• 気象・航空レーダーに影響を与えないためにレーダを回避する機能でW56帯では必須

• レーダーを受信したら速やかに送信を停止し、他のチャネルに移動する

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• 技術基準適合認証の取得： ② DFS（Dynamic Frequency Selection）の問題解決（つづき）

• レーダー信号のパターンが多く、ノイズとの区別が困難

チャープ

固定パルス

可変パルス

ホッピング

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• 技術基準適合認証の取得： ② DFS（Dynamic Frequency Selection）の問題解決（つづき）

• 今回は広帯域デバイスAD9371と大規模FPGAの性能を活用し、全てのCHを独立に常に監視

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• 技術基準適合認証の申請書類

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• 技術基準適合認証の申請書類（つづき）

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• 技術基準適合認証の申請書類（つづき）

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• 技術基準適合認証試験は一回でパス

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RadioVerse開発事例④： AD9375 DPD 性能評価






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• AD9375のDPD（Digital Predistotion）性能について、評価中

• PAのノンリニアをデジタル的に補正して、隣接チャネル漏洩電力を改善する機能

PA Splitter

ORx1Attenuator

TX1

ADRV9375-PCBZ

送信波形をオブザベーションパスに折り返す

評価時の構成

DPDのON/OFFで効果を確認する

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• DPD Memory モデル

• 振幅二乗和とコンパンダでLUT DPD係数を引く

• 出力形態の異なる4つのLUTからなるModel0 ～ Model3を選択できる

• Model0，Model1は狭帯域向け、Model2，Model3は広帯域向けのモデル

Model0

Model1

Model3

Model2

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• 隣接チャンネル漏洩電力の改善

サイドローブの20dB以上改善

DPD OFF：ピンク色DPD ON：黄色

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RadioVerse開発事例⑤： ADRV9009 SOM コグニティブ無線機の広帯域化






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• 100MHz帯域を、更に200MHzに広帯域化 ⇒ RadioVerse ADRV9009採用• デュアル・トランスミッタ

• デュアル・レシーバー

• デュアル・オブザベーション・レシーバー

• 最大 Rx帯域幅:200 MHz

• 最大 Tx 帯域幅:450 MHz

• 最大オブザベーション Rx 帯域幅:450 MHz

• 12Gbps JESD204B データ・パス・インターフェース

• RF周波数:75 MHz ～ 6000 MHz

• ADRV9009 SOM 10月サンプル入手予定• デュアル ADRV9009実装

• Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC

ADRV9009-ZU11EG

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• 独自コグニティブ無線アルゴリズム踏襲

• 物理層をIEEE802.11nに対応し、40MHz帯域 5chをカバー

• ２×２ MIMOを実装して、伝送レート100Mbps実現

受信機送信機

h11

h12

h21

h22

T2

T1 R1

R2

R1 = h11・T1 + h21・T2R2 = h12・T1 + h22・T2

IEEE802.11a 20MHz帯域　　IEEE802.11n 40MHz帯域＋

MIMO化

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• 信州大学工学部電子情報システム工学科、笹森先生が研究する無線アルゴリズム（エルミート対称符号化ＯＦＤＭ）の共同研究

RadioVerse開発事例⑥：大学との無線アルゴリズム共同研究

IFFT

P/S

D/A

D/A

π/２

０null

D1 D2 D3 D4 D5 ・・・D5 D4 D3 D2 D1・・・* ** **

エルミート対称

複素共役

f同じデータを複素共役を取って異なるサブキャリアに多重化

時間軸波形の虚数部がゼロになる

虚数部側に別なデータを乗せることで、伝送レートは1にできる

繰り返し符号化により、伝送レートは1/2になるが、信頼性向上

虚数部側に別なデータを乗せるときは、Ｉｃｈ、Ｑｃｈの電力を1/2にする必要がある

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• 同じく、笹森研究室とフェージングシミュレータについても研究計画中

• Box-Muller法による正規分布列乱数生成−𝑙𝑜𝑔𝑥1 cos 2𝜋𝑥2−𝑙𝑜𝑔𝑥1 s𝑖𝑛 2𝜋𝑥2

• −𝑙𝑜𝑔𝑥 と cos 𝑥 をROMテーブルで実装


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• エルミート対称符号化ＯＦＤＭや、フェージングシミュレータの理論を、ソフトウェア無線アクティブ・ラーニング・モジュールADALM-PLUTOに実装し、実証する

• 無線理論を直ぐにプロトタイプ化して、実証ができるのがメリット

ADALM-PLUTO

Mouserで¥16,000台

エルミート対称符号化OFDM

IFFT

P/S

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まとめ： RadioVerseを使用したシステム開発の実例紹介

• 高度に集積化した無線システムが実現可能

• FPGA、SoCと組み合わせてフレキシブルな無線システムを構築可能

• 無線の物理層アルゴリズムの最適化に向く

• 評価ボード、SOM、PLUTOを使い、早期にプロトタイプ化が可能

• モデルベースデザインとの融和性が非常に良い

• 技術基準適合証明取得に最適な調整機能（キャリブレーション/DPD）がある

• アナログ・デバイセズ社のRadioVerseサポート情報を十分に活用できる

• アナログ・デバイセズ社のJESD204B IPが利用可能

• 広帯域無線システムを短期間、低リスクで開発可能

御清聴ありがとうございました

御問合せ0268-27-9644

[email protected]

mailto:[email protected]

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RadioVerse SDRソリューション基礎編sun.gmobb.jp/nebiya/seminar/20200602_mel.pdfRadioVerse開発事例③：AD9371 + Intel Arria10 SoC コグニティブ無線機送信アンテナ