基于FPGA的無線圖像傳輸系統硬件設計與實現

喬 顥，齊建中，宋 鵬

(北方工業大學，北京 100144)

基于FPGA的無線圖像傳輸系統硬件設計與實現

喬 顥，齊建中，宋 鵬

(北方工業大學，北京 100144)

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COFDM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系列的XC6SLX150 FPGA作為主控芯片，用于實現COFDM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。

FPGA；W5300；COFDM；硬件平臺

Abstract Due to the characteristics such as multipath,non visibility and high-speed motions in image transmission,a novel structure for COFDM wireless image transmission system based on FPGA+W5300 is proposed,to achieve the wireless transmitting and receiving of image.The XC6SLX150 FPGA of Xilinx Spartan-6 family is used as the main control chip in the architecture,to implement COFDM digital modulation and RF chip configuration,as while as providing a working clock for the A/D converter and D/A converter.W5300 hardware TCP/IP protocol stack is used for digital signal transmission through the network to improve the data transmission rate.Other components includes up and down conversion chip such as ADL5385 and LT5506,and a peripheral circuit.The system realizes a wireless image transmission system hardware platform with the function of transceiver,configurable transmitting frequency and high sensitivity.Test results show that the hardware platform can realize wireless transmission of the image,and has superior performance of anti-multipath and high dynamic.

Key words FPGA;W5300;COFDM;hardware platform

0 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。一般在進入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入的誤碼十分敏感，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(OFDM)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FPGA+W5300的COFDM無線圖像傳輸系統硬件平臺的設計方案[4]。

1 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。由此設計的系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體架構

2 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。

圖2 基帶信號處理單元組成

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[7]，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入。

3 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，傳入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，輸入到雙路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。

圖3 發射機系統組成

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ADL5385進行IQ上變頻，選用ADF4351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入天線進行發射，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。

4 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。

圖4 接收機系統組成

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，并且輸入信號范圍為-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入，并且阻抗為200 Ω，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轉換器的輸入精度，在IQ下變頻輸出之后接入ADC驅動器ADA4940-2提高驅動能力，此驅動器為差分輸入差分輸出，下一級連接到A/D轉換芯片，并且把其中一路引入到功率檢波器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輸入信號穩定。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AD9218進行模數轉換，A/D轉換之后的數字信號輸入FPGA進行COFDM解調，得到原始數據。

5 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FPGA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。

圖5 數據傳輸系統組成

FPGA與PC數據傳輸，設計了FPGA控制W5300以TCP/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W5300完成TCP/IP協議棧的處理[10]。W5300是WIZnet公司的一款單芯片器件，采用0.18 μm 的CMOS工藝，內部集成10/100 M以太網控制器，MAC層協議和TCP/IP協議棧。因此本設計中只需FPGA控制W5300即可實現網絡協議轉換，FPGA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W5300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UDE公司集成網絡隔離變壓器的RJ45接口RB1-125BAG1A。

6 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COFDM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。

圖6 樣機實物

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，與接收部分的模擬信號輸入端相連，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“北方工業大學”，通過網口發送10次，測試結果如圖7所示，接收到的內容與發送的內容相同。

圖7 收發聯合測試結果

7 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[12-13]。

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Hardware Design and Implementation of Wireless Image Transmission System Based on FPGA

QIAO Hao，QI Jian-zhong，SONG Peng

(NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.07

喬顥，齊建中，宋鵬.基于FPGA的無線圖像傳輸系統硬件設計與實現[J].無線電工程,2017,47(8):27-30.[QIAO Hao，QI Jianzhong，SONG Peng.Hardware Design and Implementation of Wireless Image Transmission System Based on FPGA[J].Radio Engineering,2017,47(8):27-30.]

2016-12-20

北京市教委科技發展計劃重點資助項目

TN914

A

1003-3106(2017)08-0027-04

喬 顥 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：無線通信。

齊建中 男，(1975—)，講師。主要研究方向：無線通信、衛星導航定位。

(KZ2010100009009)。