2024年5月4日发(作者：microsoft+visual+c+++2017)
传播创新研究
OU
高清晰无线视频传输系统的设计与实现
肖文定
，谭红芳
摘要
在城市环境下的高速无线传输具有广泛餉应用前景.由于正交频分复用技术能较好地抑制城市环境下无线信
道中餉多径效应
，
文章利用
OFDM
技术设计出高效无线点对点无线传输系统
，
并对系统进行
FPGA
实现
，
测试结果表明
，
该设计系统是有效的.
关键词
OFDM
技术
；
高清晰
；
视频传输
；
智慧城市
中图分类号
TN919.
8
文献标识码
A
随着现代数字化技术的发展在智慧城市中的应
用
，
城市高效交通
、
关键节点的监控
、
反恐
、
城市
消防
、
打击犯罪等都需要各类传感器对城市进行布
网监控
，
最适合的处理这些问题的是无线传感器网
络
，
这些传感器网络采集的数据往往需要高速传输
，
如支持高清晰度无线视频传输等
。
本文利用
OFDM
技术设计了一个无线高速传输
系统
，
并在FPGA
平台上完成无线传输系统发送端
和接收端的硬件设计
，
发送端包括对
OFDM
基带发
送算法的
FPGA
实现
，
上变频芯片的配置
；
接收端
包括对
OFDM
基带接收算法的
FPGA
实现
，
数字下变
频的
FPGA
实现
、
AD
采样板的配置
。
搭建一套完整
的无线高速传输系统，
最后进行了系统测试验证
。
1
系统设计
1.1
原理
众所周知
，
如果以
T/N
的速率对信号s(/)
进
行采样
，
令
t
=
伙
=
0,1,
…
,
N
—
1)
,
OFDM
信号的信号离散采样可表示为
：
%=$
脩卜事
exp
｝
攀
］
(
0 ⑴ 其中 ， Sk 是采样点的值 ， di 是调制的数据 ， 来自信号星座中的值 。 显然 ， 公式 (1) 与离散傅 里叶逆变换 (IDFT) 的运算表达式形式一致 。 在接 收端 ， 对*进行离散傅里叶变换 (DFT) 就可以恢 复出原始信号 ， 即有 ： 攀) (0GMN-1) ⑵ 由此可见 ， 在 OFDM 系统中 ， 通过 IDFT/DFT 即 可以实现调制和解调 。 1.2 无线高速传输系统总体架构 无线高速传输系统的总体架构如图 1 所示 ， 图 作者简介:肖文定 ， 谭红芳 ， 成都天奥测控有限公司 . 1674-6708 ( 2019 ) 248-0083-03 1 (a) 和图 1 (b) 分别表示系统的发送端和接收端 。 发送端包含 PC 、 FPGA 开发板 、 上变频子板 ， PC 通 过以太网口与 FPGA 开发板相连接 ， FPGA 开发板和 上变频子板通过 FMC 接口连接 。 接收链路包含 A/D 采样板 、 FPGA 开发板以及 PC, 其中每个模块之间的 连接与发送链路一致 。 FPGA 开发板内部包含底层基 带程序 ， 主要完成数据的基带处理 ， 上变频子板完 成基带与中频转换以及D/A 采样 。 PC 机采集数据并 对数据进行处理 。 (a) 发送端系统架构 (b) 接收端系统架构 图 1 系统架构-发送和接收 在发射端 ， 摄像头或者其他形式的数据通过 PC 机上的视频处理软件处理 ， 生成的 TS 流数据使用 UDP 协议通过网口送入 FPGA 开发板做基带数据处理, 处理完成的数据通过上变频子板转换成模拟信号发 射出去 。 在接收端 ， 信号由天线接收 ， 通过 A/D 采 样板把模拟信号转换成数字信号 ， 送入到 FPGA 开 发板下变频之后做基带数据逆处理 ， 然后通过网口 输出到 PC 机 ， PC 机通过软件接收并播放实时的视 频流数据 。 本文目的是设计一套能够实时 、 稳定地传输无 线高速数据的收发系统 ， 它可以搭载在车辆 、 无人 83 ^2019 "42 （ 上门 《 科技传播 》 文章编号 QU 传播创新研究 机等移动平台上 ， 信息速率要求大于 lOMps , 系统 带宽小于 lOMZfe , 误码率在 SNR 为 12dB 的情况下 不超过 IO -6 O 根据上述参数分析以及实际需求 ， 表 1 为本文 设计的帧结构主要参数 。 表 1 OFDM 系统的主要参数设计 数值 图 2 OFDM 帧头结构示意图 数据速率 11. 1215Mbps 调制方式 编码效率 BPSK/16QAM 1/2 256 网状插入 子载波数量 导频插入方式 帧头部分的信令符号位于两个同步符号之间 ， 具体结构如图 3, 主要字段有调制类型 、 传输长度 、 帧的总数 、 帧的序号 、 传输方式 ， 这些字段提供数 据符号相关信息 。 该符号一共包含 24 个比特 ， 为 了保证信令符号的正确传输与接收 ， 采用 BPSK 调 制和码率为 1/2 的卷积编码 。 OFDM 符号长度 保护间隔长度 子载波间隔 信号带宽 32 调制类型 传输长度 总帧数 帧序 传输方式 6. 4 “ s 39. Q6kHz 10MHz 图 3 信令符号结构示意图 表 2 中的一个重要参数为保护间隔 7 ； , 该参 数是由信道最大的时延扩展决定的 。 信号在无线环 境下一般为非视距传播 (NLOS) 。 目前已经提出很 多信道模型用来研究信号的这种传播特点 。 其中 ， C0ST207 信道模型是一种典型的非视距信道模型 ， 已经通过大量实验测试得到评估和验证。 表 2 为 C0ST207 模型两种环境下的信道特性 。 一般来说 ， 保护间隔是时延拓展的 2 到 4 倍 ， 如果想在城市环境下内设计通用的传输系统 ， 保 护间隔的取值范围可以在 5. 06 ns 和 10. 12 两 之间 。 在本系统中 ， 我们设计的保护间隔长度 为 6.4 〃$ 。 根据上文的分析 ， 其他参数以保护 数据部分位于第 2 个同步符号之后 ， 由 20 个 OFDM 符号组成 ， 用于传输数据信息 。 每个 OFDM 符 号包含 256 个子载波 ， 其中数据子载波为 228, 零 频子载波数为 1, 其余子载波作为保护带宽 。 为了 提高频谱利用率 ， 与信令符号不同的是在数据部分 采用的是 16QAM 调制和码率为 1/2 的卷积编码 。为 了在接收端进行信道估计均衡 ， 需要在设计时对数 据部分信号插入导频 。 考虑到既要保持较高频谱利 用率 ， 又要准确估计信道响应 ， 本文釆取的是网状 导频插入 。 网状导频在时域和频域必须满足时频二 维采样定理 ， 即满足如下条件: N.< — ^ — N f < — - — 2 屮 g (3) 间隔长度为基础定义 。 OFDM 符号长度 £ 则为 5£=5x6.4 “ s = 32 “ s , 进而可以得到系统的子载波 间隔/■为 1 /(£ - 7； ) = 1 /(32 “ $ - 6.4 “ $) = 39.06 磁 。 为了满足上述要求 ， 图 2 给出了设计的帧结构 。 可以看出帧头由两个同步符号和一个信令符号组 成 。 两个同步符号由两个特殊长度的训练序列组成 ， 主要用于接收机的定时同步 、 载波频偏估计以及信 道估计 。 其中 ， 第一个训练序列前后两半部分相同 ， 用于帧定时同步以及小数倍频偏估计 ， 第二个训练 序列在偶数子载波与第一个训练序列呈频域差分关 系 ， 利用这个特性进行整数倍频偏估计和信道均衡 估计 。 ⑷ 其中"表示时域间隔 ， T 表示包含循环前缀的 OFDM 符号周期 ， £表示最大多普勒频移 ； — 表示 频域间隔 ， "表示子载波间隔 ， 忌 表示信道的最 大时延 。 网状导频的参数确定实际上是对于传输效 率和传输可靠性的权衡 。 理想情况下 ， 应该在满足 时频二维采样定理的前提下使得 M 和耳尽可能大 。 本文所设计的 OFDM 系统结合实际项目需求以及应 用背景 ， 在时域方向的间隔为 3, 频域方向间隔为 3 = 图 4 为导频插入方式示意图 。 表 2 C0ST207 模型不同环境下信道特性 传播环境 延迟功率谱密度 时延拓展 典型城区 (TU) 恶劣城区 (BU) ^ru e ~ TlfiS ， … , “ V C BU e~ TlfiS ， … , < t <5{ j . s C BU 1 / 0.98^ 2. 53 〃 S ） ， … , 5 “ s S V 1 0 “ s 《 科技传播 》 2019 ■ 12 （上 84 • 频率(子载波数 ) I o・ooo・ooo・ooo・ 00 J t 00 ■ OOOCOOOOOOOOOO o・ooo・ooo・ooo・ 00 00 00 o»ooo«ooo«ooo> 图 4 导频插入方式示意图 2 系统搭建与测试 在进行无线通信系统整体测试之间首先对无线 传输系统误码率进行软 、 硬件测试分析 。 首先让发 射机连续发送相同的一组数据 ， 把经过发射机处理 后的组帧信号写入txt 文件中 。 然后使用 Mat lab 仿真软件对 txt 文件中保存的数据通过加噪声 、 幅 度衰减 、 加频偏的方式模拟无线信道对发射数据的 影响 。 信道模型采用的是 COST-207 TU 信道模型 ， 相关参数如表 3 所示 ， 多普勒频偏为 500Hz □ 最后 将 Matlab 处理完后的数据读出至发射机输入接口 ， 依次通过发射机各个模块恢复出新的数据 ， 将两组 数据进行比对 。 表 3 COST-207TU 信道模型典型参数 路径 时延 ( JLIS ) 信道增益 ( dB ) 多普勒衰落类型 1 0 -3 “ Rice" 20.20 “ Jakes" 3 0. 5 -2 “ Jakes ” 4 1.6 -6 “ Jakes ” 5 2. 6 -8 “ Jakes ” 6 5. 0-10 “ Jakes ” ( c ) (d) 图 5 理想情况下和模拟信道条件下的信号均衡前后频域 为了验证 Matlab 模拟的信道环境有效 ， 将理 传播创新研究 想情况下的信号与模拟信道条件下的信号在接收端 进行对比 。 图 5 (a) 和图 5 (b) 分别为均衡前后 理想情况的信号频域 。 图 5 (c) 和图 5 (d) 分别 为均衡前后模拟信道条件下的信号频域 。 相对于理 想情况下 ， 模拟信道条件下均衡前的信号发生了相 位偏转 ， 验证了 Matlab 搭建的信道环境有效 。 不同信道环境下无线传输系统基带 Matlab 仿 真以及 FPGA 测试的误码率仿真结果如图 6 所示 。 图 6 不同环境下基带误码率 Matlab 仿真和 FPGA 测试结果图 模拟信道条件下通过 FPGA 实现的无线视频传 输系统误码率在信噪比大约为 12dB 的情况下就满 足了设计要求 。 但是 ， 无论是理想情况还是在模拟 信道条件下 ， 硬件平台上搭建的无线传输系统在相 同的信噪比的时候误码率都要略高于 Matlab 仿真 结果 ， 这可能是硬件平台对于浮点数的计算不够精 确导致的 。 3 结论 本文利用 0FDM 技术 ， 设计并在FPGA 平台上实 现了高速传输系统 ， 测试结果表明系统设计的有效 的 ， 可以进行系统的实现 。 參考文献 [1] 秦连铭 ， 王香丽 .OFDM 技术应用现状与前景展望 [J]. 中国科 技信息 ， 2009 ( 21 ) : 26-27. [2] 江滔.一种 COFDM 无线视频传输系统的设计与实现 [D] . 华中科 技大学 ， 2013. [3] 付欢.基于无人机下行链路通信系统的 FPGA 实现 [D], 成都 ： 电子科技大学 ， 2017. ⑷车慧 ， 白勇 ， 陈曦.基于滤波法的 C0ST207 宽带信道模型及其 仿真 [J]. 无线互联科技 ， 2011 (7) : 18-19. [5] 成澜.无线信道仿真与建模 [D] . 苏州 ： 苏州大学 ， 2008. 85 卩 019 ■ 12 (上) 《 科技传播 》
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