基于FPGA的無線圖像傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

喬 顥，齊建中，宋 鵬

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

基于FPGA的無線圖像傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

喬 顥，齊建中，宋 鵬

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

針對圖像傳輸過程中的多路徑、非通視和高速移動等特點，提出了一種FPGA+W5300架構(gòu)的COFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像的無線發(fā)射和接收。該架構(gòu)中采用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX150 FPGA作為主控芯片，用于實現(xiàn)COFDM數(shù)字調(diào)制、射頻芯片的配置，同時為A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器提供工作時鐘。采用W5300硬件TCP/IP協(xié)議棧通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)字信號的傳輸，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，外加ADL5385、LT5506等上下變頻芯片及其相關(guān)外設(shè)電路，最終實現(xiàn)一個收發(fā)一體、發(fā)射頻率可設(shè)、高靈敏度的無線圖像傳輸系統(tǒng)硬件平臺。測試結(jié)果表明，該硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的無線傳輸，具有良好的抗多徑和高動態(tài)性能。

FPGA；W5300；COFDM；硬件平臺

Abstract Due to the characteristics such as multipath,non visibility and high-speed motions in image transmission,a novel structure for COFDM wireless image transmission system based on FPGA+W5300 is proposed,to achieve the wireless transmitting and receiving of image.The XC6SLX150 FPGA of Xilinx Spartan-6 family is used as the main control chip in the architecture,to implement COFDM digital modulation and RF chip configuration,as while as providing a working clock for the A/D converter and D/A converter.W5300 hardware TCP/IP protocol stack is used for digital signal transmission through the network to improve the data transmission rate.Other components includes up and down conversion chip such as ADL5385 and LT5506,and a peripheral circuit.The system realizes a wireless image transmission system hardware platform with the function of transceiver,configurable transmitting frequency and high sensitivity.Test results show that the hardware platform can realize wireless transmission of the image,and has superior performance of anti-multipath and high dynamic.

Key words FPGA;W5300;COFDM;hardware platform

0 引言

無線圖像傳輸在民用和軍事應(yīng)用范圍都發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用，從一般的無線視頻監(jiān)控到智能機器人和空中無人機等，無線圖像傳輸都是其中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著分辨率日益提高，視頻和圖像的數(shù)據(jù)量與日俱增，在有限的頻譜資源中是很難進行直接傳輸?shù)?。一般在進入無線信道之前都需要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行視頻和圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼。然而，這些視頻和圖像數(shù)據(jù)在壓縮編碼之后對于無線信道中所引入的誤碼十分敏感，很難在時變的無線衰落信道中進行高速率高可靠性傳輸[2]。而正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)，具有頻譜利用率高、抗干擾能力強、對抗多徑及均衡器簡單等優(yōu)點，非常適合上述高速率數(shù)據(jù)的傳輸[3]。基于以上優(yōu)點，提出了一種基于FPGA+W5300的COFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計方案[4]。

1 整體架構(gòu)設(shè)計

COFDM無線圖像傳輸系統(tǒng)，主要包括發(fā)射、接收和數(shù)據(jù)傳輸三大部分，其中發(fā)射和接收部分又可分為射頻前端模擬信號的處理，以及FPGA實現(xiàn)基帶部分對數(shù)字信號的COFDM的調(diào)制解調(diào)，而銜接這2部分的橋梁通過ADC和DAC來實現(xiàn)。FPGA調(diào)制和解調(diào)的數(shù)據(jù)傳輸通過硬件TCP/IP協(xié)議棧W5300來實現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省Ｓ纱嗽O(shè)計的系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 基帶單元的設(shè)計

在無線圖像傳輸系統(tǒng)中，由于FPGA的極強并行處理能力[5]，因而可以對數(shù)字信號進行實時處理，同時，由于它可以通過面向芯片結(jié)構(gòu)的軟件編程來實現(xiàn)其相對應(yīng)的功能，具有很強的靈活性，并且開發(fā)成本相對較低，所以選用FPGA實現(xiàn)基帶數(shù)字信號處理是完全可行的。本設(shè)計中選擇Xilinx公司的spartan6系列FPGA作為基帶處理單元[6]，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基帶信號處理單元組成

基帶處理單元的系統(tǒng)框圖包括FPGA工作模式配置、參考時鐘、電源、Jtag接口電路和SPI flash接口電路等。FPGA提供射頻載波發(fā)生器寫配置字，并且完成COFDM的數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)[7]，提供A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的工作時鐘以及數(shù)據(jù)接口，同時控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5300[8]進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其中SPI flash選擇Winbond公司的W25Q64FV，用于verilog邏輯代碼的固化以及控制指令的存儲。參考時鐘選擇20 MHz的有源溫補晶振E3113-20 MHz為FPGA提供穩(wěn)定的參考時鐘，同時此晶振也為本振提供參考時鐘輸入。

3 發(fā)射部分設(shè)計

發(fā)射機的系統(tǒng)框圖如圖3所示，通過網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)，傳入FPGA，F(xiàn)PGA進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，重新分段打包，然后做COFDM數(shù)字調(diào)制，分I、Q兩路，輸入到雙路D/A，由于D/A轉(zhuǎn)換之后會帶來鏡像雜波，所以D/A轉(zhuǎn)換之后進行低通濾波，集成壓控震蕩器[9]提供載波頻率，并且可以通過FPGA配置，IQ上變頻器調(diào)制到射頻，再經(jīng)功放進行功率放大，之后通過天線進行發(fā)射。

圖3 發(fā)射機系統(tǒng)組成

在FPGA中進行COFDM調(diào)制之后為I、Q兩路輸出，所以選擇了雙路十位的D/A轉(zhuǎn)換芯片AD9763將并行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為I、Q兩路模擬信號。FPGA提供D/A轉(zhuǎn)換器的工作時鐘，易于控制時鐘與輸出數(shù)據(jù)的同步。由于A/D轉(zhuǎn)換芯片的模擬輸出端為差分輸出，所以對低通濾波器的設(shè)計需要進行4路信號的濾波，并且把4路信號的功率差控制在1.5 dB范圍內(nèi)。為了后期易于調(diào)整通頻帶帶寬，這里選擇LC濾波器，LC的級數(shù)以及每級電感電容值的大小通過ADS仿真得到。為了保證載波頻率為130 MHz、350 MHz以及550 MHz，綜合考慮載波頻率和D/A的輸出信號格式，這里選擇IQ上變頻芯片為ADL5385進行IQ上變頻，選用ADF4351可配置的差分輸出集成壓控振蕩器為ADL5385提供載波。ADL5385正常的輸出功率為4.7 dBm,而發(fā)射機的發(fā)射功率要求為30 dBm，所以需要選擇的功率放大器芯片增益至少為25.3 dBm，并且1 dB壓縮點不能低于30 dBm，綜合以上考慮選擇功放芯片型號為RF6886。功率放大口經(jīng)射頻開關(guān)進入天線進行發(fā)射，此處射頻開關(guān)需滿足發(fā)射信號的特性，保證信號的完整性，射頻開關(guān)芯片的型號為HMC544A。

4 接收部分設(shè)計

接收機的系統(tǒng)框圖如圖4所示，天線接收信號，經(jīng)低噪聲放大器進行放大，之后進行下變頻到基帶，由低通濾波器進行濾波之后，進行A/D轉(zhuǎn)換，將基帶模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由FPGA實現(xiàn)COFDM的解調(diào)。

圖4 接收機系統(tǒng)組成

為了能使接收機的靈敏度達(dá)到-100 dBm，并且動態(tài)范圍能達(dá)到60 dB。綜合考慮硬件電路板的體積等原因，選用了集成VGA 、IQ下變頻和低通濾波器的下變頻芯片LT5506，并且輸入信號范圍為-79～-22 dBm，滿足設(shè)計要求。由于接收機天線接收信號的動態(tài)范圍是-100～-40 dBm，考慮到信號傳輸?shù)膿p耗，所以選用23 dB放大倍數(shù)的低噪聲放大器RF3376對接收信號進行初始放大，之后進行IQ下變頻。由于IQ下變頻芯片為差分輸入，并且阻抗為200 Ω，為了減小信號的損耗，在低噪放之后選用1∶4的射頻變壓器，將單端信號轉(zhuǎn)成差分信號，同時完成阻抗的轉(zhuǎn)換。下變頻芯片LT5506的驅(qū)動能力弱，為了達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入精度，在IQ下變頻輸出之后接入ADC驅(qū)動器ADA4940-2提高驅(qū)動能力，此驅(qū)動器為差分輸入差分輸出，下一級連接到A/D轉(zhuǎn)換芯片，并且把其中一路引入到功率檢波器AD8361，用于檢測信號的功率，之后連接比較器LT1783，將輸出信號的功率與設(shè)定信號做差，比較器的輸出連接到VGA的電壓控制引腳，組成反饋環(huán)路，調(diào)整信號的功率，使A/D輸入信號穩(wěn)定。由于發(fā)射部分用的是雙路十位D/A轉(zhuǎn)換芯片，所以接收與之對應(yīng)選擇雙路十位A/D轉(zhuǎn)化芯片AD9218進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號輸入FPGA進行COFDM解調(diào)，得到原始數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)傳輸

通常發(fā)射機需發(fā)射的原始圖像數(shù)據(jù)，以及接收機經(jīng)FPGA解調(diào)之后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，有時需要遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)以其成本低、易于集成和傳輸距離較遠(yuǎn)的優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用，而利用硬件協(xié)議棧芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，具有開發(fā)難度小、集成度高且運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，成為本設(shè)計中的首選方案，由此設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成

FPGA與PC數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計了FPGA控制W5300以TCP/IP為協(xié)議進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，其中硬件協(xié)議棧芯片W5300完成TCP/IP協(xié)議棧的處理[10]。W5300是WIZnet公司的一款單芯片器件，采用0.18 μm 的CMOS工藝，內(nèi)部集成10/100 M以太網(wǎng)控制器，MAC層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧。因此本設(shè)計中只需FPGA控制W5300即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA的網(wǎng)絡(luò)通信。為了濾除電磁干擾，以及隔離網(wǎng)絡(luò)上不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平，保護設(shè)備，經(jīng)W5300硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換之后，需經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器才能連接網(wǎng)絡(luò)接口進行傳輸。為了節(jié)省空間，簡化硬件電路的復(fù)雜度，選用了UDE公司集成網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45接口RB1-125BAG1A。

6 測試結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計方案，實現(xiàn)了工程樣機的研制，該硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)COFDM無線圖像的發(fā)送和接收，其中發(fā)射機的發(fā)射功率為1 W，發(fā)射頻率可通過PC端設(shè)置；接收機的靈敏度為-100 dBm，并且動態(tài)范圍為60 dB，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字信號速率不低于10 Mbps，樣機實物如圖6所示。

圖6 樣機實物

為了測試發(fā)射和接收部分的工作性能，將板卡發(fā)射部分最終輸出的模擬信號，連接可控衰減器之后，與接收部分的模擬信號輸入端相連，PC端通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手設(shè)置需要發(fā)射的數(shù)據(jù)，查看接收到的數(shù)據(jù)是否與發(fā)射的數(shù)據(jù)相同。本文中設(shè)置發(fā)射內(nèi)容“北方工業(yè)大學(xué)”，通過網(wǎng)口發(fā)送10次，測試結(jié)果如圖7所示，接收到的內(nèi)容與發(fā)送的內(nèi)容相同。

圖7 收發(fā)聯(lián)合測試結(jié)果

7 結(jié)束語

根據(jù)目前高質(zhì)量圖像傳輸信息無線傳輸?shù)男枨骩11]，提出的FPGA+W5300的方案實現(xiàn)COFDM調(diào)制解調(diào)，結(jié)合FPGA實現(xiàn)數(shù)字信號處理的優(yōu)勢，以及W5300硬件協(xié)議棧實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換優(yōu)點，有效地解決了圖像數(shù)據(jù)傳輸過程中實時性、大數(shù)據(jù)量的要求。測試結(jié)果表明，該平臺具有優(yōu)越的性能，高功率發(fā)射機與高靈敏度的接收機相結(jié)合，提高了傳輸距離，可以用于飛機、坦克等移動載體進行圖像的實時傳輸[12-13]。

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Hardware Design and Implementation of Wireless Image Transmission System Based on FPGA

QIAO Hao，QI Jian-zhong，SONG Peng

(NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.07

喬顥，齊建中，宋鵬.基于FPGA的無線圖像傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2017,47(8):27-30.[QIAO Hao，QI Jianzhong，SONG Peng.Hardware Design and Implementation of Wireless Image Transmission System Based on FPGA[J].Radio Engineering,2017,47(8):27-30.]

2016-12-20

北京市教委科技發(fā)展計劃重點資助項目

TN914

A

1003-3106(2017)08-0027-04

喬 顥 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信。

齊建中 男，(1975—)，講師。主要研究方向：無線通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位。

(KZ2010100009009)。