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
PicoZed™
RTL-SDR
ARM®/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
FPGA
USRP®
8
従来の手法
リサーチ
手戻り
要求
設計
BB
RF
アルゴリズム
固定小数点化
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
ソフトウェア ハードウェア
ロジック
ロジック
固定小数点精度検討
実装
量産ボードの設計、検証
統合環境でのシミュレーション
C / C++
VHDL/Verilog
ARM
FPGA
専用ボード
統合試験(Over the air)
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
手戻り
要求
設計
BB
RF
アルゴリズム
固定小数点化
ソフトウェア ハードウェア
ロジック
ロジック
実装
C / C++
VHDL/Verilog
ARM
FPGA
評価ボード
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)
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™
Raspberry Pi
Arduino®
USRP®
RTL-SDR
LEGO®
BeagleBoard® 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
– MISRA-C
– AUTOSAR
– ISO26262/IEC61508
if (reset)
{
y = 0;
} else {
y += k
* u;
}
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
アルゴリズム検討
– 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
システム設計
コード
生成
検証
実装
C, C++
VHDL,
Verilog
Processor
FPGA/ASIC
SystemC
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
Simulink
ユーザー
プログラム
FPGA
ユーザー
ロジック
ユーザー
ロジック
AD9361
RF Card
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
RTLSDR
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
MATLAB EXPO 2016
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.
MATLAB EXPO 2016
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
25
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
１．開発概要
2016/10/19
26
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
光電製作所のマリンエレクトロニクス製品
•
•
•
•
2016/10/19
レーダー
GPSプロッター
魚群探知機
ソナー
27
Koden Electronics Co., Ltd.
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）
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.
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
2016/10/19
29
Koden Electronics Co., Ltd.
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
H?
Control
ANT (Rx)
Power amplifier
空間
Control
ANT (Tx)
Up converter
Digital Signal
Processing Unit
周波数
Reference signal
Reference signal
User interface
2016/10/19
Down converter
Digital Signal
Processing Unit
User interface
30
Storage
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
チャネルサウンダの特徴
大別
2016/10/19
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
31
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
チャネルサウンダ
― RF回路の要件 ―
構成品
2016/10/19
特徴
効果
送信アンテナ
アレーアンテナ
放射方向測定が可能
垂直偏波、水平偏波の送信 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
到来方向測定が可能
垂直偏波、水平偏波の受信 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
32
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
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-EBZTMとZedBoardTM 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.
MATLAB EXPO 2016
２．開発環境
2016/10/19
34
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
AD-FMCOMMS3-EBZ（RF処理）
AD9361
Transformer
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
Top view
TX1A
ANT (Tx)
RX1A
ANT (Rx)
PA
DSP
TX2A
2016/10/19
Down
Up
RX2A
Bottom view
UI
35
CLK(REF)
DSP
UI
Storage
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MATLAB EXPO 2016
ZedBoard™（ベースバンド処理）
Ethernet ( 10 / 100 / 1000 )
転送データの
帯域に影響
ジャンパピン
FMCコネクタ
SD Card
Vivado®
2016/10/19
PS部
Zynq
512 MB
Flash
256 Mb
SD Card
4 GB
ANT (Tx)
ANT (Rx)
PA
Down
Up
( Cortex-A9 )
×2
PL部
( FPGA )
ZC7Z020-CLG484C-1
（ ZynqⓇ-7000 All Programmable SoC ）
DDR3－SDRAM
DSP
Xilinx SDK
UI
36
CLK(REF)
DSP
UI
Storage
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
SDR Platform
PC
( Win )
システム
LANケーブル
OS
WindowsⓇ 7 Professional 64bit
CPU
IntelⓇ CoreTM i7-4770
RAM
32 GB
開発環境
― AD-FMCOMMS3-EBZ ＋ ZedBoad ―
UI
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.
2016/10/19
Down
Up
DSP
SD
カード
UI
37
CLK(REF)
DSP
UI
Storage
Koden Electronics Co., Ltd.
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
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
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）
合成・配置配線
統合( BOOT.bin ）
単体動作確認
デバイスツリーのカスタマイズ
ドライバの入手
Zynq開発環境のインストール
連接動作確認
2016/10/19
関連資料の入手
関連資料の入手またはセミナーの活用
38
単体動作確認
※1.
FSBL
First Stage Boot Loader
※2. SSBL
Second Stage Boot Loader
RF部の評価
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
開発環境の構築過程 （２／２）
－ MATLABⓇ & SimulinkⓇの導入効果－
PC
( Win )
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
2016/10/19
各ベンダー毎の情報取集
SDRプラットフォームの熟知
大量のマニュアルの読破
HDLやC言語等の文法知識
サポート窓口
どうしても必要な場合
不要
不要
MATLABとSimulinkのみ必要
明確
39
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MATLAB EXPO 2016
３．評価環境
2016/10/19
40
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
測定系
PC
Ethernet Switch (ES)
[ SW05GTXB ]
MATLAB
&
Simulink
Signal Analyzer (SA)
[ MS2692A ]
Standard
Signal Generator (SSG)
[ N5172B ]
ES
PC
SA
(送信特性評価用)
SSG
(受信特性評価用)
2016/10/19
41
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
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
MATLAB
2016/10/19
TCP / IP
コマンドセット
SCPI
開発環境
GUIDE
ツールボックス
Instrument Control ToolboxTM
42
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MATLAB EXPO 2016
Simulinkを活用した測定環境
－ Spectrum Analyzerライブラリの例 ー
スペクトル表示機能
（パワー / パワー密度）
歪み測定機能
ピーク検出機能
スペクトログラム表示機能
チャネル測定機能
2016/10/19
43
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MATLAB EXPO 2016
４．ＲＦ部の評価（１／２）
（送信特性）
2016/10/19
44
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MATLAB EXPO 2016
出力レベル特性
Tx Output level
Transmit
frequency
[MHz]
10
5
Tx Output level [dBm]
6000
0
5000
2400
-5
400
-10
70
-15
-20
-25
-30
-30
2016/10/19
-25
-20
-15
Gain [dBFS]
45
-10
-5
0
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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
46
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MATLAB EXPO 2016
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
47
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MATLAB EXPO 2016
４．ＲＦ部の評価（２／２）
（受信特性）
2016/10/19
48
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MATLAB EXPO 2016
IQインバランス
Phase error [°]
1.5
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
6000
0
1000
2000
3000
4000
Received frequency [MHz]
振幅誤差（最大） 0.1 [dB] @ 1 GHz
2016/10/19
5000
Amplitude error [dB]
Phase error
Amplitude error
Phase error & Amplitude error
位相誤差（最大） 1.3 [°] @ 5 GHz
49
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利得の周波数特性
－ MGC 1 dB ー
Gain
Table1
Gain
Table2
Gain
Table3
スペクトル表示
（パワー）
Δ 4.6 dB
Δ 6.8 dB
Δ 7.1 dB
2016/10/19
50
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MATLAB EXPO 2016
利得の周波数特性
－ AGC ー
スペクトル表示
（パワー）
2016/10/19
51
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MATLAB EXPO 2016
雑音指数
スペクトル表示
（パワー密度）
2016/10/19
52
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MATLAB EXPO 2016
５．システム評価
2016/10/19
53
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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
直接波 ℎ1 ( 0 dBFS )
20 samples
遅延波 ℎ2
中心周波数
2250 MHz
出力電力
－10 dBm
2
( －10 dBFS )
ℎ𝑑
ベースバンドクロック
𝑑=1
帯域幅
t
送信系列
61.44 MHz
20 MHz
Zadoff-Chu※
※. LTEのSounding Reference Signal（ 3GPP, TS 36.211 ）
2016/10/19
54
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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 －
諸元制御ブロック
可視化ブロック
• center frequency
• gain
• Spectrum Analyzer
• Array plot
• Correlation (DSP)
受信ブロック
状態表示ブロック
• SDR Receiver
• format conversion
2016/10/19
• data length
• over / under run
55
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
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
・振幅： －10.4dBFS
・遅延： 325.5 ns
遅延波形
直接波＋遅延波
直接波
2016/10/19
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Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
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 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
2016/10/19
57
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
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 ZoneTM
https://ez.analog.com/
ZedBoard
http://zedboard.org/product/zedboard
2016/10/19
58
Koden Electronics Co., Ltd.
MATLAB EXPO 2016
ご清聴ありがとうございました
2016/10/19
59
Koden Electronics Co., Ltd.
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™
SimRF™
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
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
Signal Generation
End-to-End
シミュレーション
測定
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
© Copyright 2026 Paperzz
