グラフィカルシステム開発とVSS の融合で、RF システムの短期開発を実現

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"従来の開発手法で進めた場合と比べると、NI のソリューションを採用したことによって、おそらく 40%以上は開発期間を短縮できているはずだ。"

- Takuo Kashiwa, Ph. D, Furuno Electric Co., Ltd.

The Challenge:
これまでに開発実績のない気象レーダーを、手戻りの発生を抑えて短期間で実現するためには、従来の設計手法とは異なる新たなアプローチが必要だった。特に、デジタル部(信号処理装置)については、発生が予想されるさまざまな変更に柔軟に対応できるようにしておく必要があった。また、デジタル部とアナログ部をまとめてシミュレーションすることで、試作の前にシステムレベルの性能を検証できるようにする手段が必要だった。

The Solution:
デジタル部のハードウェアとしてはNI FlexRIOを採用し、NIのグラフィカルシステム開発手法によって開発を進めることで、ソフトウェアベースであらゆる変更に対応できるようにする。また、デジタル部とアナログ部が混在するシステムレベルのシミュレーションを実行するために、AWR社のVisual System Simulator(VSS)とNI LabVIEW の連携機能を活用する。

Author(s):
Takuo Kashiwa, Ph. D - Furuno Electric Co., Ltd.
Yasunobu Asada - Furuno Electric Co., Ltd.
Tomonao Kobayashi - Furuno Electric Co., Ltd.

1. 背景

古野電気は、1948 年に世界で初めて実用化した魚群探知機をきっかけとして成長を遂げてきた企業である。以降、レーダーやGPS の技術を核とし、船舶向けの電子機器を主力製品として事業を展開してきたが、現在では新たな事業領域として気象レーダーにも注力している。その背景には、ここ数年、いわゆるゲリラ豪雨や竜巻が頻発し、家屋の浸水/ 倒壊、河川の氾濫、山間部における土石災害などが大きな問題になっていることがある。これまでに舶用レーダーの分野で蓄積してきた技術やノウハウを活用することにより、災害の予防の分野でも力を発揮できるのではないかと考えた。

既存の気象レーダーは、天気予報や、台風、梅雨前線の観測を目的とした大型のものであった。それに対し、古野電気では、ゲリラ豪雨の予測など、都市型災害の予防を目的とした小型で低コストの気象レーダーを開発することを目標とした(図1)。その基本構成は、図2 に示すようにレーダーとしては非常に典型的なものである。電波を空間に送出し、ターゲットで反射した電波が返ってくるまでの時間やレベルなどを観測することによって、ターゲットの状態を把握することが主機能だ。舶用レーダーでは主に船舶がターゲットとなり、気象レーダーでは雨や雪がターゲットとなる。各ブロックは、それぞれ以下のような役割を果たす。

  • 操作/ 表示装置:オペレータによる気象レーダーの操作や、観測された情報の表示に使用する
  • 信号処理装置:送信信号の波形の生成や、送受信にかかわる制御信号の生成、受信信号のサンプリング(A/D 変換)などを
    行う
  •  RF コンバータ:送信系では信号処理装置から出力されるIF 信号をRF 信号(9.4GHz のX バンド)にアップコンバートす
    る。受信系ではアンテナによって受信したRF 信号をIF 信号にダウンコンバートする
  • パワーアンプ:RF コンバータから受け取ったRF 信号の振幅を増幅する
  • サーキュレータ:送信側と受信側を分離する。送信系では、パワーアンプからの出力信号をアンテナへ送信する。受信系
    では、アンテナで受信した信号をRF コンバータへ送信する
  • アンテナ:送信系では、サーキュレータから受け取った信号を空間に放射する。受信系では、ターゲットからの反射エコー
    を受信する

図1.従来の気象レーダーとの違い

図2.気象レーダーの基本構成

2. 課題

気象レーダーの開発にあたっては、2 つの大きな課題が存在した。

(1)設計変更に柔軟に対応できる開発手法が必要
われわれにとって、気象レーダーの開発は初めてのことであり、未知の部分が多く存在した。そのため、試作/ 評価の段階でさまざまな修正/ 変更を加えなければならなくなることが予想された。特に問題となるのは、信号処理装置の部分である。従来、このブロックは、基板設計、HDL(ハードウェア記述言語)によるFPGA向けのコーディング、C 言語などによるCPU用ソフトウェアのコーディングといった作業を含むカスタム設計手法で対応していた。このような手法では、変更に伴う手戻りが大きなコストになるため、変更に柔軟に対応できるような仕組みが必要だった。

(2)システムレベルのシミュレーションを実施できる環境が必要
もう1 つの課題は、デジタル回路(信号処理装置)とアナログ回路をシミュレーションできる実用的かつ単一の環境が存在しないというものである。一般に、この種のRF システムでは、デジタル回路とアナログ回路の設計は独立して進められ、それぞれに異なる環境で検証が行われる。デジタル回路とアナログ回路に対して個別にシミュレーションを実施し、それらが完了すれば、デジタル部、アナログ部それぞれの設計が完了し、それをもってシステム設計が完了したものと見なすということである。そして、両者をつなぎ合わせてのシステムレベルの検証は、実際の試作機で初めて行われることになる。アナログ回路用のシミュレータの中には、C 言語で記述した信号処理用コードを取り込めるようになっており、そのコードとアナログ回路をまとめてシミュレーションできるようなものも存在する。しかし、信号処理の専門家ではないアナログ技術者がそのようなコードを記述するのは困難だし、工数などの面からも現実的な解だとは言えない。

各社のレーダー製品の特徴は、信号処理部に盛り込まれた各社のノウハウによって決まる。そして、システムとしての性能を高めるには、アナログ回路単体の性能を高めることを目指すのではなく、各社固有の信号処理とマッチするアナログ回路を設計してシステム性能を指標として検証を行わなければならない。そのためには、信号処理部とアナログ部をまとめてシミュレーションできるようにする必要がある。

3. ソリューション/ 効果

上記2 つの課題を解決するために、われわれは、ナショナルインスツルメンツ(NI)のソリューションを選択した。それぞれの課題に対し、具体的には以下のような対応を図った。

(1)グラフィカルシステム開発の採用
1 つ目の課題に対しては、信号処理装置の部分をNI FlexRIO で構成することにした。FlexRIO は、再構成が可能(リコンフィギュラブル) なFPGA を搭載したFlexRIOFPGA モジュール、高性能のI/O を提供するNI FlexRIO アダプタモジュール、PXI システムの3 つの部分から成る。ソフトウェアはすべてグラフィカルシステム開発ツールであるLabVIEW によってプログラミングすることができる。FPGA についても、LabVIEW FPGAモジュールを使用することで、LabVIEW 上でグラフィカルにプログラミングすることが可能である。つまり、このグラフィカルシステム開発手法によれば、ハードウェア構成は固定したまま、LabVIEW でグラフィカルにコードを記述するだけで必要な変更に対応できる。

なお、NI FlexRIO を採用したことによるもう1 つのメリットとして、データ集録の仕組みを極めて容易に実現できることが挙げられる。気象レーダーというアプリケーションに携わるのは初めてだったので、そもそも、雨や雪が降った場合にどのようなデータが得られるのかがわからなかった。そのため、試作段階では、大量のデータをHDD に保存できる仕組みを盛り込みたかった。しかし、従来の設計手法でそのような仕組みを一から盛り込むのでは非常に手間がかかる。PXI ベースのNI FlexRIO であれば、特に設計作業を経ることなく、パソコン経由で簡単にHDD にデータを保存することができる。

(2)VSS とLabVIEWの連携機能の活用
2 つ目の課題については、従来からアナログ部の設計に使用していたAWR 社の無線通信システム設計ソフトウェアであるVisual System Simulator(VSS)とLabVIEW の連携機能を活用することで対処した。この連携機能を使用すれば、LabVIEW で記述したコードをVSS上で呼び出して実行することができる。デジタル部の担当技術者が信号処理装置向けに記述したLabVIEW のコードをVSS にそのままインポートし、VSS 上のアナログ回路とLabVIEWのコードの間で相互に信号をやりとりしながらシミュレーションを実行した。これにより、アナログ部単体の特性を検証するだけでなく、信号処理部も含めたシステムの特性を検証することが可能になった。この作業を行ううえで、アナログ設計者にとって技術的にハードルになるところは存在しなかった。NI FlexRIOに実装するためにデジタル技術者が開発したLabVIEW のコードをそのまま使用することで、アナログ部単体ではなく、システムとしての性能を事前に検証できた。

■ 40%以上の期間短縮を実現
ここまでに述べたような手法によって設計、試作、評価、修正/ 変更を進め、気象レーダーの機能/ 特性をひととおり実現することができた(図3、図4)。注目すべきはそれにかかった期間である。この気象レーダーのような新規の案件を従来の手法で進めた場合と比べると、NI のソリューションを採用したことによって、おそらく40%以上の期間短縮を実現できていると考えられる。また、デジタル部については、従来の手法の場合、基板設計のレベルで問題があったら一からやり直しになるが、NI FlexRIOを採用したことからハードウェアの変更は発生しない。加えて、LabVIEW によるグラフィカル開発だけで作業を進めることができ、基板設計、HDL によるFPGA 向けのコーディング、C 言語によるCPU 用ソフトウェアのコーディングについて専門家を必要としないため、人的リソースの面でも非常に大きな効果が得られる。しかも、従来は現実的には不可能であった、アナログ部とデジタル部を統合したシステムレベルでのシミュレーションも実現できるようになった。

図3. 開発した気象レーダーの外観

4. 今後の展開

気象レーダーについては、現在、事業化に向けての取り組みを行っている段階である。また、現時点では単体の気象レーダーで観測が行えるようになったところだが、今後は複数台による同時観測が行える、より高度なシステムへと展開していく予定だ。さらに、得られた観測結果を基にして降水予測を行うシステムを開発し、減災につながるソリューションの実現を目指す。

気象レーダーに限らず、今後の設計業務においてNI のソリューションには大いに期待している。「LabVIEW は計測器の制御に使われるもの」というのが一般的な認識だと思われるが、最近では信号処理向けのツールとして、製品の設計にも活用されるようになってきた。テキストベースの言語で信号処理を実現するのは非常に煩雑な作業だが、LabVIEW によるグラフィカル開発であればその煩雑さを大きく軽減できる。特に、AWR 社のVSS との連携機能が利用できることから、LabVIEW を使う意味がより大きくなったと言える。実際、社内でもLabVIEW の利便性に対する認識が広まっており、研究部門を中心としてユーザーが増えている。さらにアナログ設計については、気象レーダーとはまったく異なるアプリケーションでも、VSS とLabVIEW を併用する手法を活用していきたいと考えている。同じような手法を取り入れて、同じような成果を得られるように社内で展開していきたい。

図4. 気象レーダーで取得したイメージ
このイメージは、気象レーダーで3次元観測を行い、映像処理を施すことによって得たものである。
大阪湾や大阪南部の上空に滞留する雨の様子が見て取れる。

 

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