基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孔 明

（浙江省電子技術(shù)研究所有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著無線圖像傳輸系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)高速寬帶無線傳輸多媒體的設(shè)備需求不斷增加。國(guó)外的無線視頻技術(shù)研究已有所成就，所形成的產(chǎn)品無線部分大多采用頻率為2.4 GHz的IEEE 802.11 a/b/g/無線傳輸技術(shù)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸帶寬小，傳輸距離近，抗干擾性低（與大部分無線通信產(chǎn)品的頻段重疊），尤其是不能支持高清晰多媒體信號(hào)的傳輸，這些缺點(diǎn)都影響著2.4 GHz無線多媒體產(chǎn)品的應(yīng)用及市場(chǎng)推廣。目前，國(guó)內(nèi)高速寬帶無線多媒體產(chǎn)品的研制尚屬初級(jí)階段，存在繞射能力弱，其他無線移動(dòng)通信的干擾嚴(yán)重，糾錯(cuò)和抗干擾的技術(shù)比發(fā)達(dá)國(guó)家落后，這些原因致使國(guó)產(chǎn)的高速寬帶無線多媒體產(chǎn)品不能進(jìn)入實(shí)用階段。本文提出了采用Amedia公司的WVA5000無線多媒體芯片組和富士通的MB86H51編解碼芯片來設(shè)計(jì)基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理描述及設(shè)計(jì)

WVA5000芯片組由基帶芯片AM5201和射頻芯片AM5101組成，其主要特點(diǎn)為：無線傳輸頻道范圍為4.900～5.825 GHz，支持的數(shù)據(jù)等級(jí)為6～60 Mbit/s，支持的視頻有效負(fù)荷為3～50 Mbit/s，支持的數(shù)字視頻格式為MPEG-2，MPEG-4，H.264和WM9。

本文采用WVA5000芯片組實(shí)現(xiàn)基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng)，視頻編碼方式采用H.264。整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)由多媒體信號(hào)源、AP（Access Point）、MT（Mobile Ter?minal）和視頻顯示單元四部分組成，設(shè)計(jì)上采用三路天線，實(shí)現(xiàn)多入多出（MIMO）技術(shù)進(jìn)行無線傳輸，在實(shí)際無線傳輸中，最大速度可達(dá)50 Mbit/s。

1）AP終端設(shè)計(jì)

AP終端需要完成對(duì)視頻、音頻進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼，將壓縮好的多媒體流進(jìn)行無線高速發(fā)送，同時(shí)接收MT端發(fā)送的控制信息，并按指令進(jìn)行處理，AP終端原理如圖1所示。

AP端采用富士通公司的MB86H51硬件H.264編碼方案，設(shè)備的Flash選用容量大小為16 Mbit/s的S29AL016D，SDRAM選用容量大小為16 Mbit/s的HY57V161610ET，無線采用MIMO技術(shù)傳輸，該設(shè)備兩根接收天線，一根發(fā)送天線，無線傳輸部分由WVA5000芯片組（BBIC：AM5201，RFIC：AM5101）及功放AWL6951組成，發(fā)射功率控制在（20±3）dBm，接收靈敏度可達(dá)-82 dBm。

2）MT終端設(shè)計(jì)

MT終端需要完成對(duì)多媒體流進(jìn)行無線高速接收，并進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)多媒體播放，同時(shí)回傳一些控制指令給AP，例如播放節(jié)目切換、快進(jìn)、停止等一些操作，MT終端原理如圖2所示。

MT端壓縮解碼采用富士通公司的MB86H51硬件H.264解碼方案，將高速解碼出來的視頻信號(hào)輸出到顯示器，設(shè)備的Flash選用容量大小為16 Mbit的S29AL016D，SDRAM選用容量大小為16 Mbit的HY57V161610ET，無線采用MIMO技術(shù)傳輸，該設(shè)備兩根接收天線，一根發(fā)送天線，無線傳輸部分由WVA5000芯片組（BBIC：AM5201，RFIC：AM5101）及功放AWL6951組成，發(fā)射功率控制在（20±3）dBm，接收靈敏度可達(dá)-82 dBm。

3）系統(tǒng)工作流程

本文采用WVA5000無線多媒體芯片組，將同步時(shí)分多址技術(shù)、多入多出技術(shù)、跳頻擴(kuò)頻技術(shù)、動(dòng)態(tài)頻道選擇技術(shù)應(yīng)

用到5 GHz頻段多媒體無線收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多媒體信號(hào)源（數(shù)字機(jī)頂盒，DVD，PVR，STB，Camera和PC等）與顯示設(shè)備之間的高質(zhì)量、實(shí)時(shí)的無線高清晰視頻傳輸，視頻有效負(fù)荷最大可達(dá)50 Mbit/s，雙向延時(shí)小于2 s，配備高增益天線，傳輸距離可達(dá)數(shù)公里。本文具有傳輸速率高、延遲低、傳輸距離遠(yuǎn)、高保真、抗干擾性和移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)主要工作流程為：

（1）對(duì)碼。將AP與MT組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)需要對(duì)AP與MT進(jìn)行對(duì)碼操作，對(duì)碼指示燈在對(duì)碼過程中閃爍，對(duì)碼成功后常亮，只有對(duì)碼成功的MT才能接收到AP發(fā)送的TS流。

（2）發(fā)送單元（AP）。AP自動(dòng)偵測(cè)多媒體信號(hào)源的輸入，將輸入的視頻信號(hào)傳輸?shù)紸P的模擬視頻解碼器進(jìn)行視頻信號(hào)的解碼，將輸入的音頻信號(hào)傳輸?shù)紸P的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，最終將處理好的多媒體信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼成H.264 TS流。TS流傳輸?shù)交鶐Ш蜕漕l芯片組單元，經(jīng)過芯片組單元處理后把TS流調(diào)制到5 GHz頻段進(jìn)行傳輸。

（3）接收單元（MT）。從5 GHz頻段中接收經(jīng)調(diào)制的H.264 TS流，基帶和射頻芯片組單元對(duì)接收到的H.264 TS流進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)MB86H51進(jìn)行H.264解碼，經(jīng)過視頻信號(hào)的編碼和音頻信號(hào)的解碼，最終將多媒體信號(hào)輸出給顯示器和音響。

2 嵌入式軟件的實(shí)現(xiàn)

AP，MT的嵌入式軟件是基于Amedia公司的底層軟件開發(fā)包，在運(yùn)用射頻技術(shù)原理基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)。嵌入式軟件主要完成音視頻的編解碼控制、數(shù)據(jù)流的傳輸，無線模塊的控制，系統(tǒng)升級(jí)與無線傳輸性能的測(cè)試等功能，圖3為系統(tǒng)的嵌入式軟件流程。為了兼顧調(diào)試與軟件升級(jí)，在系統(tǒng)軟件層規(guī)劃了3種軟件流工作模式：1）固件下載模式，用于軟件的升級(jí)使用；2）測(cè)試模式，用于測(cè)試性能參數(shù)使用；3）正常模式，設(shè)備正常工作模式。

嵌入式軟件在數(shù)據(jù)無線收發(fā)過程中，采用工作狀態(tài)模式化設(shè)計(jì)，具有抗干擾能力，能最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量并保證可靠傳輸。發(fā)送工作有4種操作模式：空閑模式、動(dòng)態(tài)頻率選擇模式、跟蹤模式和捕捉模式。接收工作有5種操作模式：空閑模式、捕捉模式、瞬態(tài)模式、跟蹤模式和快速捕捉模式。圖4為發(fā)送工作模式轉(zhuǎn)換，圖5為接收工作模式轉(zhuǎn)換。

圖5 接收工作模式轉(zhuǎn)換

3 Amedia與802.11 a/b/g傳輸?shù)姆桨副容^

現(xiàn)在高質(zhì)量的多媒體無線傳輸方案主要有兩種，一種是基于5 GHz傳輸?shù)姆桨?，如Amedia方案；一種是基于2.4 GHz傳輸?shù)姆桨?，?02.11 a/b/g方案。超過2.4 GHz頻譜具有更清潔、更多頻道選擇、更易開發(fā)時(shí)空多樣性技術(shù)等優(yōu)勢(shì)。在多媒體應(yīng)用方面，這兩種傳輸方式各有特點(diǎn)。802.11 a/b/g的特點(diǎn)為：具有低效負(fù)載，異步傳輸，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，勉強(qiáng)支持SDTV（3～15 Mbit/s），只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。Amedia的特點(diǎn)為：高效負(fù)載，同步傳輸，數(shù)字多媒體應(yīng)用，長(zhǎng)距離覆蓋SDTV（3～15 Mbit/s），HDTV（20-50 Mbit/s），能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。圖6為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多媒體無線傳輸802.11 a/b/g方案，圖7為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多媒體無線傳輸Amedia方案，圖8為對(duì)多點(diǎn)多媒體無線傳輸Amedia方案。

通過圖6～圖8比較可以看出，Amedia方案比2.4 GHz方案少用一組濾波、緩沖器、服務(wù)質(zhì)量回路模塊，成本較低。Amedia方案支持HDTV視頻等級(jí)，視頻質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比2.4 GHz方案高，視頻傳輸延時(shí)保證小于2 s，其實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于2.4 GHz方案。能支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，而2.4 GHz方案不支持。在發(fā)送功率為23 dBm和空間有阻擋情況下，多媒體發(fā)送源固定在一定地方，接收端不斷移動(dòng)，經(jīng)過功能性驗(yàn)證測(cè)試，在保證接收端視頻流程情況下，發(fā)現(xiàn)基于SDTV視頻等級(jí)傳輸?shù)?02.11 a/b/g方案的實(shí)際有效射程只有10 m左右，基于HDTV視頻等級(jí)傳輸?shù)腁media的WVA5000方案的實(shí)際有效射程可達(dá)75 m左右，傳輸時(shí)延在2 s以內(nèi)，達(dá)到基本實(shí)時(shí)視頻播放的效果?？梢缘贸?，在多媒體傳輸方面，基于5 GHz頻段的Ameida公司的WVA5000方案與基于2.4 GHz傳輸?shù)?02.11 a/b/g方案相比，而802.11 a/b/g方案更加適合數(shù)據(jù)傳輸。表1為Amedia與802.11 a/b/g/多媒體傳輸方案比較。

表1 Amedia與802.11a/b/g/多媒體傳輸方案比較

4 小結(jié)

通過與基于2.4 GHz的IEEE 802.11 a/b/g/無線傳輸方案比較，采用WVA5000芯片組設(shè)計(jì)的基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng)在傳輸?shù)挠行ж?fù)荷、傳輸速率、延時(shí)等方面具有優(yōu)勢(shì)，更符合企業(yè)、家庭、公安、消防、醫(yī)療衛(wèi)生等專用領(lǐng)域高清晰多媒體信號(hào)無線傳輸?shù)膽?yīng)用需求，而IEEE 802.11 a/b/g/無線傳輸產(chǎn)品更加適合數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。采用富士通的MB86H51硬件H.264編解碼方案，編解碼器上的成本占整個(gè)系統(tǒng)的比重比較大，下階段將設(shè)計(jì)軟件H.264編解碼方案來進(jìn)一步降低整個(gè)傳輸系統(tǒng)的成本。

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