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 ，實 現 圖 像 的 無 線 發 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 C0FDM 數 字 調 制 、射 頻 芯 片 的 配 置 ，同 時 為 A /D 轉 換 器 和 D /A 轉 換 器 提 供 工 作 時 鐘 。采 用 W5300 硬 件TCP/IP 協議 棧 通 過 網 絡 進 行 數 字 信 號 的 傳 輸 ，提 高 數 據 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 一 個 收 發 一 體 、發 射 頻 率 可設 、高 靈 敏 度 的 無 線 圖 像 傳 輸 系 統 硬 件 平 臺 。測 試 結 果 表 明 ，該 硬 件 平 臺 能 夠 實現圖像的無線傳輸 ，具 有 良 好 的 抗 多 徑 和 高 動 態 性 能 。

02引言

無線圖像傳輸在民用和軍事應用范圍都發揮著十分關鍵的作用，從一般的無線視頻監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 ，視頻和圖像的數據量與日俱增，在有限的頻譜資源中是很難進行直接傳輸的 。一 般在進人無線信道之前都需要將傳輸的數據進行視頻和圖像數據的壓縮編碼。然 而 ，這些視頻和圖像數據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 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點 ，非常適合上述高速率數據的傳輸[3]。基于以上優 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，主 要 包 括 發 射 、接收和數據傳輸三大部分，其中發射和接收部分又可分為射頻前端模擬信號的處理，以 及 FPGA 實現基帶 部 分 對 數 字 信 號 的 COFDM 的 調 制 解 調 ，而銜接這 2 部 分 的 橋 梁 通 過 ADC 和 DAC 來 實 現。FPGA 調 制 和 解 調 的 數 據 傳 輸 通 過 硬 件TCP/IP 協議棧 W5300 來 實 現 ，大大提高了數據傳輸的速率 0 由此設計的系統整體框圖如圖 1所 示 。

基帶單元的設計在無線圖像傳輸系統中，由 于 FPGA 的極強并行 處 理能力[5]，因而可以對數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其相對應的功能，具有很強的靈活性，并且開發成本相對較低，所以 選用FPGA實現基帶數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]，系統框圖如圖2所示 。

基帶處理單元的系統框圖包括 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 生 器 寫 配 置 字 ，并 且 完 成 COFDM 的 數 字 信 號 的 調 制 解調 @，提供 A/D 轉 換 器 和 D/A 轉換器的工作時鐘以及數據接口，同時控制網絡協議芯片 W5300[8]進行數據的轉換 ，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發射部分設計

發 射 機 的 系 統 框 圖 如 圖 3 所 示 ，通過網口接收數 據 ，傳 人 FPGA，FPGA 進行數據格式轉換，重新分段 打 包 ，然 后 做 COFDM 數 字 調 制 ，分 I、Q 兩 路 ，輸人 到 雙 路 D/A，由 于 D/A 轉 換 之 后會 帶 來 鏡 像 雜波 ，所 以 D/A 轉 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 上變頻器調制到射頻，再經功放進行功率放大，之后通過天線進行發射 e

在 FPGA 中 進 行 COFDM 調 制 之 后 為 I、Q 兩路輸 出 ，所 以 選 擇 了 雙 路 十 位 的 D/A 轉 換 芯 片AD9763 將 并 行 數 字 信 號 轉 換 為 I、Q 兩 路 模 擬 信號 。FPGA 提 供 D/A 轉換器的工 作 時 鐘 ，易于控制時鐘與輸出數據的同步。由于A/D 轉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# 為了后期易于調整通頻帶帶寬 ，這里選擇 LC 濾 波 器 ，LC 的級數以及每級電感 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,而發射機的發射功率要求為 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。功率放大口經射頻開關進人天線進行發射，此處射頻開關需滿足發射信號的特性，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

接收機的系統框圖如圖 4 所 示 ，天線接收信號，經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 換 ，將基帶模擬信號轉換成數字信號，由 FPGA 實 現 COFDM的解調

為了能使接收機的靈敏度達到-100 dBm,并且動態范圍能達到 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范圍是-100?-40 dBm,考慮到信號傳輸的損耗，所 以 選 用 23 dB放大倍數的低噪聲放大器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 成 差 分 信號 ，同 時 完 成 阻 抗 的 轉 換 。下 變 頻芯片LT5506 的驅動能力弱，為 了 達 到 A/D 轉 換 器 的 輸 人 精 度 ，在 IQ 下 變 頻 輸 出 之 后 接 人 ADC驅動器ADA4940-2 提高驅動能力，此驅動器為差分輸人差分輸出，下一級 連 接 到 A/D 轉換芯片，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，組成反饋環路，調整信號的功率 ，使 A/D 輸人信號穩定 。由于發射部分用的是雙路十位 D/A 轉 換 芯 片 ，所 以 接 收 與 之 對 應 選 擇雙 路 十 位 A/D 轉化芯片 AD9 2 1 8 進 行 模 數 轉 換 ，A / D 轉 換 之 后 的數字信號輸 人 F P G A 進 行COFDM 解 調 ，得到原始數據。

06數據傳輸

通常發射機需發射的原始圖像數據，以及接收機 經 F P G A 解調之后的數據，數據量巨大，有時需要遠程控制和數據傳輸，以太網以其成本低、易于集成和傳輸距離較遠的優勢得到廣泛的應用，而利用硬件協議棧芯片實現以太網的數據傳輸，具有開發難度小 、集成度高且運行穩定等優勢，成為本設計中的首選方案，由此設計數據傳輸系統框圖如圖5所示 。

F P G A 與 P C 數 據 傳 輸 ，設 計 了 F P G A 控制 W5 3 0 0 以 T C P / IP 為協議進行以太網數據傳輸的系統 ，其 中 硬 件 協 議 棧 芯 片 W5 3 0 0 完 成 T C P / IP 協議棧的處理[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 部 集 成 10/100 M 以 太 網控制器，M A C 層 協 議和 T C P / I P 協議棧 。

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

07測試結果與分析

根據設計方案，實現了工程樣機的研制，該硬件平 臺 能 夠 實 現 C O FD M 無 線 圖 像 的 發 送 和 接 收 ，其中 發 射 機 的 發 射 功 率 為 1 W，發 射 頻 率 可 通 過 PC 端 設 置 ;接收機的 靈 敏 度 為 -100 dBm,并且動態范圍 為 60 dB，通 過 網 絡 傳 輸 數 字 信 號 速 率 不 低 于 10 Mbps,樣 機 實物如圖 6 所示 。

為了測試發射和接收部分的工作性能，將板卡發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 端通過網絡調試助手設置需要發射的數據，查看接收到的數據是否與發射的數據相同。本文中設置發射內容“數據測試”，通 過 網 口 發 送 1 0 次 ，測試結果如圖 7 所 示 ，接收到的內容與發送的內容相同。

08結 束 語

根據目 前 高 質 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COFDM 調制 解調，結 合 FPGA 實現數字信號處理的優勢，以及 W5300 硬件協議棧實現網絡協議的轉換優點，有效地解決了圖像數據傳輸過程中實時性、大數據量的要 求 。測試結果表明，該平臺具有優越的性能，高功率發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