基于FPGA的无线图像传输系统硬件设计与实现

乔 颢，齐建中，宋 鹏

(北方工业大学，北京 100144)

基于FPGA的无线图像传输系统硬件设计与实现

乔 颢，齐建中，宋 鹏

(北方工业大学，北京 100144)

针对图像传输过程中的多路径、非通视和高速移动等特点，提出了一种FPGA+W5300架构的COFDM无线图像传输系统，实现图像的无线发射和接收。该架构中采用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX150 FPGA作为主控芯片，用于实现COFDM数字调制、射频芯片的配置，同时为A/D转换器和D/A转换器提供工作时钟。采用W5300硬件TCP/IP协议栈通过网络进行数字信号的传输，提高数据的传输速率，外加ADL5385、LT5506等上下变频芯片及其相关外设电路，最终实现一个收发一体、发射频率可设、高灵敏度的无线图像传输系统硬件平台。测试结果表明，该硬件平台能够实现图像的无线传输，具有良好的抗多径和高动态性能。

FPGA；W5300；COFDM；硬件平台

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

无线图像传输在民用和军事应用范围都发挥着十分关键的作用，从一般的无线视频监控到智能机器人和空中无人机等，无线图像传输都是其中十分重要的关键技术[1]。随着分辨率日益提高，视频和图像的数据量与日俱增，在有限的频谱资源中是很难进行直接传输的。一般在进入无线信道之前都需要将传输的数据进行视频和图像数据的压缩编码。然而，这些视频和图像数据在压缩编码之后对于无线信道中所引入的误码十分敏感，很难在时变的无线衰落信道中进行高速率高可靠性传输[2]。而正交频分复用(OFDM)多载波调制技术，具有频谱利用率高、抗干扰能力强、对抗多径及均衡器简单等优点，非常适合上述高速率数据的传输[3]。基于以上优点，提出了一种基于FPGA+W5300的COFDM无线图像传输系统硬件平台的设计方案[4]。

1 整体架构设计

COFDM无线图像传输系统，主要包括发射、接收和数据传输三大部分，其中发射和接收部分又可分为射频前端模拟信号的处理，以及FPGA实现基带部分对数字信号的COFDM的调制解调，而衔接这2部分的桥梁通过ADC和DAC来实现。FPGA调制和解调的数据传输通过硬件TCP/IP协议栈W5300来实现，大大提高了数据传输的速率。由此设计的系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体架构

2 基带单元的设计

在无线图像传输系统中，由于FPGA的极强并行处理能力[5]，因而可以对数字信号进行实时处理，同时，由于它可以通过面向芯片结构的软件编程来实现其相对应的功能，具有很强的灵活性，并且开发成本相对较低，所以选用FPGA实现基带数字信号处理是完全可行的。本设计中选择Xilinx公司的spartan6系列FPGA作为基带处理单元[6]，系统框图如图2所示。

图2 基带信号处理单元组成

基带处理单元的系统框图包括FPGA工作模式配置、参考时钟、电源、Jtag接口电路和SPI flash接口电路等。FPGA提供射频载波发生器写配置字，并且完成COFDM的数字信号的调制解调[7]，提供A/D转换器和D/A转换器的工作时钟以及数据接口，同时控制网络协议芯片W5300[8]进行数据的转换，其中SPI flash选择Winbond公司的W25Q64FV，用于verilog逻辑代码的固化以及控制指令的存储。参考时钟选择20 MHz的有源温补晶振E3113-20 MHz为FPGA提供稳定的参考时钟，同时此晶振也为本振提供参考时钟输入。

3 发射部分设计

发射机的系统框图如图3所示，通过网口接收数据，传入FPGA，FPGA进行数据格式转换，重新分段打包，然后做COFDM数字调制，分I、Q两路，输入到双路D/A，由于D/A转换之后会带来镜像杂波，所以D/A转换之后进行低通滤波，集成压控震荡器[9]提供载波频率，并且可以通过FPGA配置，IQ上变频器调制到射频，再经功放进行功率放大，之后通过天线进行发射。

图3 发射机系统组成

在FPGA中进行COFDM调制之后为I、Q两路输出，所以选择了双路十位的D/A转换芯片AD9763将并行数字信号转换为I、Q两路模拟信号。FPGA提供D/A转换器的工作时钟，易于控制时钟与输出数据的同步。由于A/D转换芯片的模拟输出端为差分输出，所以对低通滤波器的设计需要进行4路信号的滤波，并且把4路信号的功率差控制在1.5 dB范围内。为了后期易于调整通频带带宽，这里选择LC滤波器，LC的级数以及每级电感电容值的大小通过ADS仿真得到。为了保证载波频率为130 MHz、350 MHz以及550 MHz，综合考虑载波频率和D/A的输出信号格式，这里选择IQ上变频芯片为ADL5385进行IQ上变频，选用ADF4351可配置的差分输出集成压控振荡器为ADL5385提供载波。ADL5385正常的输出功率为4.7 dBm,而发射机的发射功率要求为30 dBm，所以需要选择的功率放大器芯片增益至少为25.3 dBm，并且1 dB压缩点不能低于30 dBm，综合以上考虑选择功放芯片型号为RF6886。功率放大口经射频开关进入天线进行发射，此处射频开关需满足发射信号的特性，保证信号的完整性，射频开关芯片的型号为HMC544A。

4 接收部分设计

接收机的系统框图如图4所示，天线接收信号，经低噪声放大器进行放大，之后进行下变频到基带，由低通滤波器进行滤波之后，进行A/D转换，将基带模拟信号转换成数字信号，由FPGA实现COFDM的解调。

图4 接收机系统组成

为了能使接收机的灵敏度达到-100 dBm，并且动态范围能达到60 dB。综合考虑硬件电路板的体积等原因，选用了集成VGA 、IQ下变频和低通滤波器的下变频芯片LT5506，并且输入信号范围为-79～-22 dBm，满足设计要求。由于接收机天线接收信号的动态范围是-100～-40 dBm，考虑到信号传输的损耗，所以选用23 dB放大倍数的低噪声放大器RF3376对接收信号进行初始放大，之后进行IQ下变频。由于IQ下变频芯片为差分输入，并且阻抗为200 Ω，为了减小信号的损耗，在低噪放之后选用1∶4的射频变压器，将单端信号转成差分信号，同时完成阻抗的转换。下变频芯片LT5506的驱动能力弱，为了达到A/D转换器的输入精度，在IQ下变频输出之后接入ADC驱动器ADA4940-2提高驱动能力，此驱动器为差分输入差分输出，下一级连接到A/D转换芯片，并且把其中一路引入到功率检波器AD8361，用于检测信号的功率，之后连接比较器LT1783，将输出信号的功率与设定信号做差，比较器的输出连接到VGA的电压控制引脚，组成反馈环路，调整信号的功率，使A/D输入信号稳定。由于发射部分用的是双路十位D/A转换芯片，所以接收与之对应选择双路十位A/D转化芯片AD9218进行模数转换，A/D转换之后的数字信号输入FPGA进行COFDM解调，得到原始数据。

5 数据传输

通常发射机需发射的原始图像数据，以及接收机经FPGA解调之后的数据，数据量巨大，有时需要远程控制和数据传输，以太网以其成本低、易于集成和传输距离较远的优势得到广泛的应用，而利用硬件协议栈芯片实现以太网的数据传输，具有开发难度小、集成度高且运行稳定等优势，成为本设计中的首选方案，由此设计数据传输系统框图如图5所示。

图5 数据传输系统组成

FPGA与PC数据传输，设计了FPGA控制W5300以TCP/IP为协议进行以太网数据传输的系统，其中硬件协议栈芯片W5300完成TCP/IP协议栈的处理[10]。W5300是WIZnet公司的一款单芯片器件，采用0.18 μm 的CMOS工艺，内部集成10/100 M以太网控制器，MAC层协议和TCP/IP协议栈。因此本设计中只需FPGA控制W5300即可实现网络协议转换，FPGA的网络通信。为了滤除电磁干扰，以及隔离网络上不同网络设备间的不同电平，保护设备，经W5300硬件协议转换之后，需经网络隔离变压器才能连接网络接口进行传输。为了节省空间，简化硬件电路的复杂度，选用了UDE公司集成网络隔离变压器的RJ45接口RB1-125BAG1A。

6 测试结果与分析

根据设计方案，实现了工程样机的研制，该硬件平台能够实现COFDM无线图像的发送和接收，其中发射机的发射功率为1 W，发射频率可通过PC端设置；接收机的灵敏度为-100 dBm，并且动态范围为60 dB，通过网络传输数字信号速率不低于10 Mbps，样机实物如图6所示。

图6 样机实物

为了测试发射和接收部分的工作性能，将板卡发射部分最终输出的模拟信号，连接可控衰减器之后，与接收部分的模拟信号输入端相连，PC端通过网络调试助手设置需要发射的数据，查看接收到的数据是否与发射的数据相同。本文中设置发射内容“北方工业大学”，通过网口发送10次，测试结果如图7所示，接收到的内容与发送的内容相同。

图7 收发联合测试结果

7 结束语

根据目前高质量图像传输信息无线传输的需求[11]，提出的FPGA+W5300的方案实现COFDM调制解调，结合FPGA实现数字信号处理的优势，以及W5300硬件协议栈实现网络协议的转换优点，有效地解决了图像数据传输过程中实时性、大数据量的要求。测试结果表明，该平台具有优越的性能，高功率发射机与高灵敏度的接收机相结合，提高了传输距离，可以用于飞机、坦克等移动载体进行图像的实时传输[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

乔颢，齐建中，宋鹏.基于FPGA的无线图像传输系统硬件设计与实现[J].无线电工程,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

北京市教委科技发展计划重点资助项目

TN914

A

1003-3106(2017)08-0027-04

乔 颢 男，(1990—)，硕士研究生。主要研究方向：无线通信。

齐建中 男，(1975—)，讲师。主要研究方向：无线通信、卫星导航定位。

(KZ2010100009009)。