01摘 要

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 的C0FDM 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 中采 用 Xilinx 公 司 Spartan-6 系 列 XC6SLX150 FPGA 作 為 主 控 芯 片 ，用于 實 現(xiàn) C0FDM 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 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 外 設 電 路 ，最終 實 現(xiàn) 一 個 收 發(fā) 一 體 、發(fā) 射 頻 率 可設 、高 靈 敏 度 的 無 線 圖 像 傳 輸 系 統(tǒng) 硬 件 平 臺 。測 試 結 果 表 明 ，該 硬 件 平 臺 能 夠 實現(xiàn)圖像的無線傳輸 ，具 有 良 好 的 抗 多 徑 和 高 動 態(tài) 性 能 。

02引言

無線圖像傳輸在民用和軍事應用范圍都發(fā)揮著十分關鍵的作用，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鍵技術[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 般在進人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人的誤碼十分敏感，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]。而正交頻分復用(O FDM) 多 載 波 調(diào) 制技 術 ，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]?；谝陨蟽?yōu) 點 ，提 出 了 一 種 基 于 F P G A + W5 3 0 0 的 C O FD M 無線圖像傳輸系統(tǒng)硬件平臺的設計方案[4]

03整體架構設計

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?0 由此設計的系統(tǒng)整體框圖如圖 1所 示 。

基帶單元的設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構的軟件編程來實現(xiàn)其相對應的功能，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 。

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) @，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人。

04發(fā)射部分設計

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 人 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 ，輸人 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 e

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 ADL5 3 8 5 進 行 IQ 上 變 頻 ，選用ADF4 3 5 1 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)射頻開關進人天線進行發(fā)射，此處射頻開關需滿足發(fā)射信號的特性，保證信號的完整性，射頻開關芯片的型號為HMC544A。

05接收部分設計

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)

為了能使接收機的靈敏度達到-100 dBm,并且動態(tài)范圍能達到 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 人 信 號 范 圍 為-79?-22 dBm,滿足設計要求。

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 人 ，并且阻抗為 200 H ，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 到 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 的 輸 人 精 度 ，在 IQ 下 變 頻 輸 出 之 后 接 人 ADC驅(qū)動器ADA4940-2 提高驅(qū)動能力，此驅(qū)動器為差分輸人差分輸出，下一級 連 接 到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，并且把其中一路引人到功率 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 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 輸人信號穩(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 選 擇雙 路 十 位 A/D 轉(zhuǎn)化芯片 AD9 2 1 8 進 行 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 ，A / D 轉(zhuǎn) 換 之 后 的數(shù)字信號輸 人 F P G A 進 行COFDM 解 調(diào) ，得到原始數(shù)據(jù)。

06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) F P G A 解調(diào)之后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量巨大，有時需要遠程控制和數(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的優(yōu)勢得到廣泛的應用，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，成為本設計中的首選方案，由此設計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖如圖5所示 。

F P G A 與 P C 數(shù) 據(jù) 傳 輸 ，設 計 了 F P G A 控制 W5 3 0 0 以 T C P / 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 W5 3 0 0 完 成 T C P / IP 協(xié)議棧的處理[1°]。W5 3 0 0 是 W IZnet 公司的一款單芯片器 件 ，采 用0.18 pm 的 C M O S 工 藝 ，內(nèi) 部 集 成 10/100 M 以 太 網(wǎng)控制器，M A C 層 協(xié) 議和 T C P / I P 協(xié)議棧 。

因 此 本 設 計 中 只 需 F P G A 控 制 W5 3 0 0 即可實現(xiàn) 網(wǎng) 絡 協(xié) 議 轉(zhuǎn) 換 ，F(xiàn) PG A 的網(wǎng)絡通信。為了濾除電磁 干 擾 ，以及隔離網(wǎng)絡上不同網(wǎng)絡設備間的不同電平 ，保護設備，經(jīng) W5 3 0 0硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換之后，需經(jīng)網(wǎng)絡隔離變壓器才能連接網(wǎng)絡接口進行傳輸。為了節(jié)省 空 間 ，簡化硬件電路的復雜度，選用了 U D E 公司集成網(wǎng)絡隔離變壓器的 RJ4 5 接口 R B 1-125B A G 1A 。

07測試結果與分析

根據(jù)設計方案，實現(xiàn)了工程樣機的研制，該硬件平 臺 能 夠 實 現(xiàn) C O FD M 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 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 傳 輸 數(shù) 字 信 號 速 率 不 低 于 10 Mbps,樣 機 實物如圖 6 所示 。

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7 / 37模擬信號輸人端相連，PC 端通過網(wǎng)絡調(diào)試助手設置需要發(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。本文中設置發(fā)射內(nèi)容“數(shù)據(jù)測試”，通 過 網(wǎng) 口 發(fā) 送 1 0 次 ，測試結果如圖 7 所 示 ，接收到的內(nèi)容與發(fā)送的內(nèi)容相同。

08結 束 語

根據(jù)目 前 高 質(zhì) 量 圖 像 傳 輸 信 息 無 線 傳 輸 的 需求 [11]，提 出 的 FPGA+W5300 的 方 案 實 現(xiàn)COFDM 調(diào)制 解調(diào)，結 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。

審核編輯：湯梓紅