视频信号无线传输系统实验设计

魏建军，刘乃安，黑永强，幸新鹏，唐 军，李晓辉

（西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071）

无线通信采用电磁波作为载体，几乎不受地理环境的限制，可以灵活实现相互通信，有广泛的适应性[1-2]。但无线传输过程中，信号频率高，器件的非线性效应显著增强。器件之间互连线的寄生效应明显，已经无法用集总参数描述，必须使用分布参数描述连线的特征。信号在无线信道中传输时，随着距离的增加急剧衰减，当信道中存在障碍物时，信号传播过程中出现多径效应[3-5]。

视频信号的信息量大，传输时所需的传输带宽大，对实时性要求高[6-7]。视频信号经过无线传输后到达接收端，接收机接收到的视频信号能让学生直观体会无线传输系统的性能，对基带信道编码译码、调制解调、天线、无线信道等的特性都将有深入认识[8-9]。

1 视频信号无线传输系统

实时视频信号一般通过摄像头获取，摄像头的类型不同，其获取的信息可能为模拟信号，也可能为数字信号，本实验中的摄像头采用CMOS图像传感器，直接获得数字信号[10]。信号在信道上传输时容易受到噪声和干扰的影响，对无线信道更是如此，所以在传输前需要进行信道编码。视频为连续的数据流，其偶然错误对信号质量影响不大。调制方式影响数据速率和实现的复杂度等。载波频率较低时容易受到 1/f噪声的影响，而载波频率较高时实现难度较大，需要折中考虑[11]。

射频前端的体系结构影响信号无线传输的质量，本实验采用超外差式结构，实验中既可以选择高本振发射，也可以选择低本振发射，天线采用微带天线[12]。实验中发射端和接收端本振的频率幅度可调，发射端VGA和接收端VGA的增益可调，在线性度、增益、信号幅度之间进行优化，提供灵活性，获得最佳的信号质量。整个视频信号无线传输系统如图1所示。

图1 视频信号无线传输系统

2 视频信号的无线传输

视频信号采用无线方式传输时，使用电磁波作为载体，从信源经过无线信道，最终到达信宿。为了在无线信道上有效传输信息，视频信号必须经过处理，包括基带和射频两部分。摄像头采用CMOS图像传感器，将视频信号转换为电信号，经过模拟数字转换后成为数字信号，速率为 500 kb/s。为了便于数字信号在无线信道中进行传输，对转换后的数字信号在FPGA中进行编码，因为视频信号是连续的，偶然的错误对信号质量的影响不大，所以采用了 RS编码方式。基带信号不适合在无线信道上传输，必须进行调制，调制在FPGA中实现。由于视频无线传输实验是在学校的实验室进行，通信距离近，噪声的影响不大，同时由于数据速率低，为了便于学生理解，选取了简单易行的DPSK调制方式，载波频率选为24 MHz。

为了通过天线将调制器输出已调信号发射出去，需要将已调信号上变频到射频频段。发射机射频前端包括PLL、上变频器、VGA和PA，结构如图2所示。

图2 发射机射频前端

上变频器将已调信号与 PLL输出的本振信号进行相乘，可将已调信号的频谱搬移到射频段，发射机VGA和PA采用宽带放大器，对两个边带的信号同时进行放大，其频谱如图3所示。

图3 上变频器、VGA和PA输出频谱

实验中的天线采用微带天线，微带天线是窄带天线，通带为860～880 MHz。PA是宽带放大器，对上变频器输出的上下边带信号同时放大。经过上变频后，在本振信号频率的两边会出现两个边带，两个边带之间相距48 MHz。射频前端中PLL输出信号的频率可调，输出信号的幅度可调，VGA的增益可调。通过调节PLL的输出频率，既可以选择上边带也可以选择下边带的信号，使得其中一个边带的信号位于微带天线的通带内，并且滤除另一个边带信号。调节PLL输出信号的幅度，VGA的增益，在发射机天线端获得足够功率的信号，通过天线发射出去，经过无线信道后到达接收端。

接收端的天线接收到射频信号后，输出给LNA、VGA和下变频器，接收端射频前端如图4所示。

图4 接收机射频前端

在接收机射频前端，PLL输出信号频率可调，幅度也可调，VGA的增益可调。由于发射端调制时的载波频率为24 MHz，调节接收端PLL输出信号的频率，使得下变频后下边带的中心频率为 24 MHz。发射机发射的信号经过无线信道后非常微弱，调节 VGA的增益和PLL输出信号的幅度，获得足够电平的低频信号，便于解调。

下变频器输出的下边带信号输出给解调器，上边带信号由于频率过高，被解调器自然滤除。基带解调器解调并恢复出数字信号，然后由译码器译码，得到数字信号，解调和译码都在FPGA中完成。译码器的输出连接到液晶显示器，播放视频信号。

3 视频信号无线传输实验实施方法

视频信号无线传输实验内容分为3个层次：基础性实验、设计性实验和综合性实验。实验教学实施方法如图5所示。

图5 视频信号无线传输实验实施方法

基础性实验涉及调制解调、频谱变换、频率规划。基础性实验内容为：正确进行系统电路连接；明确视频信号流向；明确信号频谱变换过程。进行频率规划，选择合适的频段进行视频传输，避免同频段干扰。对视频信号进行调试、试看，并且评价视频信号传输质量。开始实验前，学生应预习实验内容，了解视频信号的传输过程、射频收发系统结构、无线信号传输特征等，掌握频率规划，并撰写实验预习报告，通过教师检查后方可进入实验室。实验时两人一组，协作完成视频信号无线传输。对视频信号进行调试，观察图像，进行实验验收，现场回答教师问题。实验完成后按时提交实验报告。

设计性实验除涉及基础性实验的内容外，还涉及信道编码和解码、EDA软件的使用、FPGA开发、射频电路设计。实验内容包括：根据视频信号的特点，选择合适的编码方式和对视频信号进行编码和解码，综合后加载到实验平台的FPGA里进行验证，观察对视频信号传输质量的影响。选择合适的调制方式和载波频率，使用硬件描述语言编写代码，综合后加载到实验平台的FPGA进行验证。按照射频部分电路板尺寸规格和电气特性规格，设计并制作上混频器，发射机本振，发射机 VGA、PA、LNA，下混频器，接收机本振，接收机 VGA电路模块，替换原射频电路模块，观察视频信号传输的质量。选择设计性实验的学生，除需要完成基本实验内容外，根据所选择的设计性实验项目，进行硬件开发、仿真、综合和下载，或者进行电路设计、选择器件、加工电路板并完成测试。

综合性实验除涉及基础性实验和开发性实验两方面的内容外，还涉及无线通信系统射频前端发射机和接收机结构、设计和实现。综合性实验包括硬件实验和射频电路实验，实验内容为：根据实验平台基带部分的连接方式，设计并实现视频信号的基带处理。按照射频部分电路板尺寸规格和电气特性规格，设计发射机和接收机结构，制作电路板，观察视频信号传输的质量。选择综合性实验的学生，需要设计射频收发系统，以构建完整的视频信号无线传输系统。

视频信号无线传输实验的操作界面如图6所示。发射机和接收机射频前端中都有本振、混频器和VGA，通过本振左边的旋钮调节本振的频率，本振右边的旋钮调节本振输出的幅度，VGA旁边的旋钮用来调节增益。

图6 视频信号无线传输实验操作界面

通过调节发射机本振频率，选择无线信号的发射频率，通过调节发射机本振和发射机 VGA的增益，获得所需的发射信号。调节接收机本振频率，将接收到的射频信号下变频到 24 MHz。通过调节接收机本振和接收机VGA的增益以获得清晰的视频信号。

4 结语

视频信号无线传输系统实验来源于实际的视频传输。使用数字摄像头采集视频信号，发射机基带完成编码和调制，发射机射频前端完成信号上变频和放大，然后通过天线发射出去。接收机射频前端接收到无线信号后进行放大和下变频，由接收机基带进行解调和译码，最后由液晶显示器显示视频信号，完成整个视频信号无线传输。通过这一完整的信号传输过程，学生可以切身感受信号传输质量。实验涵盖了基带信道编码译码、调制解调、射频收发、天线、无线信道等无线通信系统的所有内容。支持基础性、设计性和综合性实验，可进行基带硬件开发、射频电路设计、射频系统设计。