視頻信號無線傳輸系統(tǒng)實驗設計

魏建軍，劉乃安，黑永強，幸新鵬，唐 軍，李曉輝

（西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071）

無線通信采用電磁波作為載體，幾乎不受地理環(huán)境的限制，可以靈活實現(xiàn)相互通信，有廣泛的適應性[1-2]。但無線傳輸過程中，信號頻率高，器件的非線性效應顯著增強。器件之間互連線的寄生效應明顯，已經(jīng)無法用集總參數(shù)描述，必須使用分布參數(shù)描述連線的特征。信號在無線信道中傳輸時，隨著距離的增加急劇衰減，當信道中存在障礙物時，信號傳播過程中出現(xiàn)多徑效應[3-5]。

視頻信號的信息量大，傳輸時所需的傳輸帶寬大，對實時性要求高[6-7]。視頻信號經(jīng)過無線傳輸后到達接收端，接收機接收到的視頻信號能讓學生直觀體會無線傳輸系統(tǒng)的性能，對基帶信道編碼譯碼、調(diào)制解調(diào)、天線、無線信道等的特性都將有深入認識[8-9]。

1 視頻信號無線傳輸系統(tǒng)

實時視頻信號一般通過攝像頭獲取，攝像頭的類型不同，其獲取的信息可能為模擬信號，也可能為數(shù)字信號，本實驗中的攝像頭采用CMOS圖像傳感器，直接獲得數(shù)字信號[10]。信號在信道上傳輸時容易受到噪聲和干擾的影響，對無線信道更是如此，所以在傳輸前需要進行信道編碼。視頻為連續(xù)的數(shù)據(jù)流，其偶然錯誤對信號質(zhì)量影響不大。調(diào)制方式影響數(shù)據(jù)速率和實現(xiàn)的復雜度等。載波頻率較低時容易受到 1/f噪聲的影響，而載波頻率較高時實現(xiàn)難度較大，需要折中考慮[11]。

射頻前端的體系結(jié)構(gòu)影響信號無線傳輸?shù)馁|(zhì)量，本實驗采用超外差式結(jié)構(gòu)，實驗中既可以選擇高本振發(fā)射，也可以選擇低本振發(fā)射，天線采用微帶天線[12]。實驗中發(fā)射端和接收端本振的頻率幅度可調(diào)，發(fā)射端VGA和接收端VGA的增益可調(diào)，在線性度、增益、信號幅度之間進行優(yōu)化，提供靈活性，獲得最佳的信號質(zhì)量。整個視頻信號無線傳輸系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 視頻信號無線傳輸系統(tǒng)

2 視頻信號的無線傳輸

視頻信號采用無線方式傳輸時，使用電磁波作為載體，從信源經(jīng)過無線信道，最終到達信宿。為了在無線信道上有效傳輸信息，視頻信號必須經(jīng)過處理，包括基帶和射頻兩部分。攝像頭采用CMOS圖像傳感器，將視頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，速率為 500 kb/s。為了便于數(shù)字信號在無線信道中進行傳輸，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在FPGA中進行編碼，因為視頻信號是連續(xù)的，偶然的錯誤對信號質(zhì)量的影響不大，所以采用了 RS編碼方式?；鶐盘柌贿m合在無線信道上傳輸，必須進行調(diào)制，調(diào)制在FPGA中實現(xiàn)。由于視頻無線傳輸實驗是在學校的實驗室進行，通信距離近，噪聲的影響不大，同時由于數(shù)據(jù)速率低，為了便于學生理解，選取了簡單易行的DPSK調(diào)制方式，載波頻率選為24 MHz。

為了通過天線將調(diào)制器輸出已調(diào)信號發(fā)射出去，需要將已調(diào)信號上變頻到射頻頻段。發(fā)射機射頻前端包括PLL、上變頻器、VGA和PA，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)射機射頻前端

上變頻器將已調(diào)信號與 PLL輸出的本振信號進行相乘，可將已調(diào)信號的頻譜搬移到射頻段，發(fā)射機VGA和PA采用寬帶放大器，對兩個邊帶的信號同時進行放大，其頻譜如圖3所示。

圖3 上變頻器、VGA和PA輸出頻譜

實驗中的天線采用微帶天線，微帶天線是窄帶天線，通帶為860～880 MHz。PA是寬帶放大器，對上變頻器輸出的上下邊帶信號同時放大。經(jīng)過上變頻后，在本振信號頻率的兩邊會出現(xiàn)兩個邊帶，兩個邊帶之間相距48 MHz。射頻前端中PLL輸出信號的頻率可調(diào)，輸出信號的幅度可調(diào)，VGA的增益可調(diào)。通過調(diào)節(jié)PLL的輸出頻率，既可以選擇上邊帶也可以選擇下邊帶的信號，使得其中一個邊帶的信號位于微帶天線的通帶內(nèi)，并且濾除另一個邊帶信號。調(diào)節(jié)PLL輸出信號的幅度，VGA的增益，在發(fā)射機天線端獲得足夠功率的信號，通過天線發(fā)射出去，經(jīng)過無線信道后到達接收端。

接收端的天線接收到射頻信號后，輸出給LNA、VGA和下變頻器，接收端射頻前端如圖4所示。

圖4 接收機射頻前端

在接收機射頻前端，PLL輸出信號頻率可調(diào)，幅度也可調(diào)，VGA的增益可調(diào)。由于發(fā)射端調(diào)制時的載波頻率為24 MHz，調(diào)節(jié)接收端PLL輸出信號的頻率，使得下變頻后下邊帶的中心頻率為 24 MHz。發(fā)射機發(fā)射的信號經(jīng)過無線信道后非常微弱，調(diào)節(jié) VGA的增益和PLL輸出信號的幅度，獲得足夠電平的低頻信號，便于解調(diào)。

下變頻器輸出的下邊帶信號輸出給解調(diào)器，上邊帶信號由于頻率過高，被解調(diào)器自然濾除。基帶解調(diào)器解調(diào)并恢復出數(shù)字信號，然后由譯碼器譯碼，得到數(shù)字信號，解調(diào)和譯碼都在FPGA中完成。譯碼器的輸出連接到液晶顯示器，播放視頻信號。

3 視頻信號無線傳輸實驗實施方法

視頻信號無線傳輸實驗內(nèi)容分為3個層次：基礎性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。實驗教學實施方法如圖5所示。

圖5 視頻信號無線傳輸實驗實施方法

基礎性實驗涉及調(diào)制解調(diào)、頻譜變換、頻率規(guī)劃?；A性實驗內(nèi)容為：正確進行系統(tǒng)電路連接；明確視頻信號流向；明確信號頻譜變換過程。進行頻率規(guī)劃，選擇合適的頻段進行視頻傳輸，避免同頻段干擾。對視頻信號進行調(diào)試、試看，并且評價視頻信號傳輸質(zhì)量。開始實驗前，學生應預習實驗內(nèi)容，了解視頻信號的傳輸過程、射頻收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無線信號傳輸特征等，掌握頻率規(guī)劃，并撰寫實驗預習報告，通過教師檢查后方可進入實驗室。實驗時兩人一組，協(xié)作完成視頻信號無線傳輸。對視頻信號進行調(diào)試，觀察圖像，進行實驗驗收，現(xiàn)場回答教師問題。實驗完成后按時提交實驗報告。

設計性實驗除涉及基礎性實驗的內(nèi)容外，還涉及信道編碼和解碼、EDA軟件的使用、FPGA開發(fā)、射頻電路設計。實驗內(nèi)容包括：根據(jù)視頻信號的特點，選擇合適的編碼方式和對視頻信號進行編碼和解碼，綜合后加載到實驗平臺的FPGA里進行驗證，觀察對視頻信號傳輸質(zhì)量的影響。選擇合適的調(diào)制方式和載波頻率，使用硬件描述語言編寫代碼，綜合后加載到實驗平臺的FPGA進行驗證。按照射頻部分電路板尺寸規(guī)格和電氣特性規(guī)格，設計并制作上混頻器，發(fā)射機本振，發(fā)射機 VGA、PA、LNA，下混頻器，接收機本振，接收機 VGA電路模塊，替換原射頻電路模塊，觀察視頻信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。選擇設計性實驗的學生，除需要完成基本實驗內(nèi)容外，根據(jù)所選擇的設計性實驗項目，進行硬件開發(fā)、仿真、綜合和下載，或者進行電路設計、選擇器件、加工電路板并完成測試。

綜合性實驗除涉及基礎性實驗和開發(fā)性實驗兩方面的內(nèi)容外，還涉及無線通信系統(tǒng)射頻前端發(fā)射機和接收機結(jié)構(gòu)、設計和實現(xiàn)。綜合性實驗包括硬件實驗和射頻電路實驗，實驗內(nèi)容為：根據(jù)實驗平臺基帶部分的連接方式，設計并實現(xiàn)視頻信號的基帶處理。按照射頻部分電路板尺寸規(guī)格和電氣特性規(guī)格，設計發(fā)射機和接收機結(jié)構(gòu)，制作電路板，觀察視頻信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。選擇綜合性實驗的學生，需要設計射頻收發(fā)系統(tǒng)，以構(gòu)建完整的視頻信號無線傳輸系統(tǒng)。

視頻信號無線傳輸實驗的操作界面如圖6所示。發(fā)射機和接收機射頻前端中都有本振、混頻器和VGA，通過本振左邊的旋鈕調(diào)節(jié)本振的頻率，本振右邊的旋鈕調(diào)節(jié)本振輸出的幅度，VGA旁邊的旋鈕用來調(diào)節(jié)增益。

圖6 視頻信號無線傳輸實驗操作界面

通過調(diào)節(jié)發(fā)射機本振頻率，選擇無線信號的發(fā)射頻率，通過調(diào)節(jié)發(fā)射機本振和發(fā)射機 VGA的增益，獲得所需的發(fā)射信號。調(diào)節(jié)接收機本振頻率，將接收到的射頻信號下變頻到 24 MHz。通過調(diào)節(jié)接收機本振和接收機VGA的增益以獲得清晰的視頻信號。

4 結(jié)語

視頻信號無線傳輸系統(tǒng)實驗來源于實際的視頻傳輸。使用數(shù)字攝像頭采集視頻信號，發(fā)射機基帶完成編碼和調(diào)制，發(fā)射機射頻前端完成信號上變頻和放大，然后通過天線發(fā)射出去。接收機射頻前端接收到無線信號后進行放大和下變頻，由接收機基帶進行解調(diào)和譯碼，最后由液晶顯示器顯示視頻信號，完成整個視頻信號無線傳輸。通過這一完整的信號傳輸過程，學生可以切身感受信號傳輸質(zhì)量。實驗涵蓋了基帶信道編碼譯碼、調(diào)制解調(diào)、射頻收發(fā)、天線、無線信道等無線通信系統(tǒng)的所有內(nèi)容。支持基礎性、設計性和綜合性實驗，可進行基帶硬件開發(fā)、射頻電路設計、射頻系統(tǒng)設計。