多天線數(shù)字高清圖傳電路設(shè)計與實現(xiàn)*

張照鋒，李 璟，孫 靜

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，江蘇 南京 210023)

我國幅員遼闊，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，對廣大人民生產(chǎn)生活造成危害的同時也往往損壞當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)電力與通信設(shè)施，導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝ㄐ胖袛?，使得外界難以獲得當(dāng)?shù)氐臑?zāi)害等級而進行裝備和物資的合理調(diào)度，從而大大影響救援工作的部署效率。因此，利用便攜的應(yīng)急通信裝備獲取事故現(xiàn)場的實時圖像，將有利于應(yīng)急指揮及救援工作的開展。

然而，應(yīng)急通信的圖像傳輸往往涉及到多個場景的同步采集、并行傳輸和顯示，這對收發(fā)系統(tǒng)的信道容量有較高要求。而在多天線系統(tǒng)下信道容量將與天線數(shù)量呈一定程度的增長關(guān)系，與此同時，采用多天線的系統(tǒng)設(shè)計可以獲得復(fù)用增益、分集增益從而提升系統(tǒng)的信噪比[1-2]。因此本文采用了ADI 公司的AD9361 射頻收發(fā)器芯片構(gòu)成系統(tǒng)的收發(fā)鏈路，該芯片為直接變頻結(jié)構(gòu)收發(fā)器，可以提供2 路發(fā)送和2 路接收通道，可以將基帶已調(diào)信號直接上變頻至45 MHz～6 GHz 之間的射頻信號。然而，較寬的頻帶導(dǎo)致了該芯片的射頻接收端口阻抗的變化范圍較大，而接收前端級聯(lián)鏈路的阻抗匹配又直接影響著接收機的靈敏度以及噪聲系數(shù)[3]，因而需要針對特定的頻點設(shè)計接收前端匹配電路。在基帶方面，采用XC7Z020 FPGA 來作為數(shù)據(jù)處理平臺，通過在FPGA 中設(shè)計64QAM 調(diào)制解調(diào)器電路負責(zé)對多路圖像數(shù)據(jù)的并行調(diào)制解調(diào)處理。該系統(tǒng)基于軟件無線電的架構(gòu)，采用了射頻收發(fā)器完成射頻信號的收發(fā)，在FPGA 的軟件端對采集的數(shù)據(jù)進行了處理，整個系統(tǒng)具有通用性強等特點，能夠滿足多種場景下的應(yīng)急通信需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由攝像頭、FPGA、DDR3、AD9361、射頻前端電路和電源等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)采用攝像頭進行現(xiàn)場的圖像采集，在FPGA端完成對圖像數(shù)據(jù)的讀寫以及調(diào)制等操作，其中攝像頭模組的型號為OV5640，F(xiàn)PGA 使用的是XC7Z020。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理采用FPGA 協(xié)同ARM 處理的方式。首先，由ARM 處理器驅(qū)動攝像頭模塊，并且通過VDMA IP 核將攝像頭輸出的數(shù)據(jù)送入ARM端的DDR3 存儲器中進行緩存；接著，在FPGA 端設(shè)計DDR3 的讀寫電路以及數(shù)字調(diào)制電路對讀取的數(shù)據(jù)進行基帶調(diào)制，再將已調(diào)信號寫回DDR3 中；最后，ARM 處理器通過DMA 的方式將DDR3 中的已調(diào)基帶數(shù)據(jù)傳給AD9361，將基帶信號變頻至發(fā)送頻段進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。通過ARM 處理器進行圖像數(shù)據(jù)流的采集與緩存控制、FPGA 進行圖像數(shù)據(jù)流的并行調(diào)制處理[8-9]，減少了ARM 處理器的數(shù)據(jù)處理工作的同時也大大提高了系統(tǒng)的實時性。

2 射頻前端電路設(shè)計

本文設(shè)計的圖像傳輸系統(tǒng)的中心頻點為5.8 GHz。信號經(jīng)過天線接收后通過阻抗為50 Ω 的共面波導(dǎo)送入帶通濾波器BPJC-542R+，濾除帶外信號后經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)傳給寬帶巴倫BLJC1-542R+轉(zhuǎn)為差分信號，最后經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)送入AD9361 內(nèi)部LNA 的輸入端口。接收前端電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 接收前端電路結(jié)構(gòu)圖

在5.8 GHz 頻點時，由于圖2 中所用的巴倫以及AD9361 內(nèi)部LNA 元件的端口阻抗均不為50 Ω，因此需要在濾波器和巴倫之間、巴倫和LNA 輸入端口之間設(shè)計阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路，以保證接收信號的完整性[9]。本系統(tǒng)接收端阻抗匹配電路的設(shè)計在ADS 軟件中進行。通過在ADS 中建立濾波器、巴倫、LNA 的S參數(shù)模型，采用微帶單支短截線匹配的方法分別進行了濾波器與巴倫、巴倫與LNA 之間的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，匹配后的級聯(lián)鏈路相較未匹配電路的傳輸性能有較大提升，S11降低了約27 dB，匹配前后級聯(lián)鏈路的S11參數(shù)對比如圖3 所示。

圖3 匹配前后級聯(lián)鏈路的S11參數(shù)

3 數(shù)字調(diào)制解調(diào)器電路設(shè)計

由于高清圖像的傳輸對通信系統(tǒng)的寬帶有較高的要求，在系統(tǒng)帶寬固定的情況下，采用高階的正交調(diào)制可以有效地提升系統(tǒng)的頻帶利用率[4-5]，因此，本系統(tǒng)采用64QAM 的調(diào)制方式對圖像數(shù)據(jù)進行調(diào)制解調(diào)。64QAM 采用兩個獨立的基帶波形對兩個正交的同頻載波進行調(diào)制，利用同一帶寬內(nèi)頻譜的正交性來實現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)的并行傳輸[9-10]。調(diào)制解調(diào)電路首先讀取PS 端DDR3 中的數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換得到I、Q兩路數(shù)據(jù)，接著分別對I 路和Q 路數(shù)據(jù)進行64QAM的星座映射與成型濾波，最后將濾波得到的兩路數(shù)據(jù)分別進行數(shù)字上變頻處理后送入AD9361 的數(shù)據(jù)輸入端口。數(shù)字調(diào)制解調(diào)電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 中所示的調(diào)制解調(diào)電路采用AXI 接口進行數(shù)據(jù)交互，調(diào)制解調(diào)器首先從PS 端的DDR3 中讀取數(shù)據(jù)，將讀出的數(shù)據(jù)存在FIFO 中，數(shù)據(jù)的長度為64，數(shù)據(jù)位寬為32 bit，其中低24 bit 為3 個YUV4:2:2 格式的像素點，高8 bit 為0。將24 bit 數(shù)據(jù)分為4 組6 bit 數(shù)據(jù)。利用FPGA 的并行運算特點，在本設(shè)計中采用了3級流水線實現(xiàn)256 組數(shù)據(jù)的同時并行64QAM 映射，第1 級流水線將FIFO 中的數(shù)據(jù)賦值給64 個24 位寄存器，第2 級流水線將每個寄存器中的值分為4 組分別進行64QAM 映射，在第3 級流水線完成I 路和Q 路數(shù)據(jù)的合并輸出，所設(shè)計的3 級流水線結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 數(shù)字調(diào)制解調(diào)器電路

圖5 數(shù)據(jù)并行映射的流水線實現(xiàn)

調(diào)制解調(diào)器電路的Modelsim 仿真如圖6 所示。

圖6 數(shù)字調(diào)制電路的Modelsim 仿真

4 電路測試與分析

在SDK 中進行攝像頭驅(qū)動程序、DDR3 的讀寫程序以及AD9361 的驅(qū)動程序設(shè)計，在VIVADO 中進行64QAM 調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計。將SDK 編譯得到的ELF 文件連同VIVADO 編譯生成的Bit 文件生成bin 文件，連接下載器燒錄到FPGA 的外置FLASH中，電路通過USB 線連接到PC，電路實物的正面和背面如圖7 所示。

圖7 電路實物

將攝像頭采集到的圖像與電路解調(diào)出的圖像通過USB 上傳到MATLAB 進行顯示對比測試，同時在MATLAB 中繪制接收端基帶信號的64QAM 星座圖。圖像對比與接收端星座圖如圖8 所示，圖8(b)中上半部分為攝像頭采集到的圖像，下半部分為接收到的圖像。

圖8 電路實物與測試

5 結(jié)束語

本文基于軟件無線電的架構(gòu)，設(shè)計了多天線高清圖傳電路，通過在ADS 軟件中采用微帶線匹配的方法對射頻接收前端級聯(lián)鏈路的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真與設(shè)計，匹配后的級聯(lián)鏈路在5 760 MHz～5 820 MHz的60 MHz 頻帶內(nèi)的S11低于-40.52 dB，匹配帶寬覆蓋了AD9361 所支持的56 MHz 最大帶寬。同時，在VIVADO 軟件中進行基帶調(diào)制解調(diào)器電路的設(shè)計，并且將調(diào)制好的圖像數(shù)據(jù)通過AD9361 進行了收發(fā)。經(jīng)測試，該電路可以進行圖像的采集、發(fā)送和接收，能夠滿足于應(yīng)急場景中的寬帶數(shù)據(jù)收發(fā)需求。