（电力电子与电力传动专业论文）城市污水监测系统中的无线视频传输研究与关键技术实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a , ah i g hs e w a g ei n t e r c e p t i o no ft h ed r a i n a g en e t w o r ki nc i t i e sa n do t h e r r e g i o n sh a sp l a y e da na c t i v er o l ei ni m p r o v i n gu r b a nw a t e re n v i r o n m e n t h o w e v e r , s u c hp r o b l e m si n f l u e n c i n gw a t e re n v i r o n m e n ta sm i x e dr a i na n ds e w a g ea c c e s s ，w a t e r o v e r f l o wa sw e l la sn e t w o r kl e a k a g eh a v ea t t r a c t e da ni n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h e r e f o r e ， i ti sn e c e s s a r yt oc o n d u c tr e s e a r c hi ns u c hk e yt e c h n i q u e sa su r b a nd r a i n a g en e t w o r k c o n s t r u c t i o n ，t r a n s f o r m a t i o n ，a sw e l la so p e r a t i o na n dc o n t r 0 1 w i t ht h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o ni nu r b a ns e w a g ed i s p o s a l ，h i g h q u a l i t yw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h en e wr e q u i r e m e n tf o ru r b a n s e w a g et r e a t m e n ts y s t e m i nv i e wo ft h i s ，t h ep a p e rc a r d e do u tr e s e a r c hi na b o v e r e q u i r e m e n ta sw e l la se a c hp a r to fw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n a n dp u tf o r w a r da e f f e c t i v ea n du s e f u lw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o np r o g r a m a tp r e s e n t ，t h ep a p e r c o m p l e t e dw o r ko ft h ev e r i f i e dv e r s i o no ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d t h e v e r i f i c a t i o no fp a r to ft h ek e yt e c h n o l o g yi nv i d e oc o m p r e s s i o n h o w e v e r , b e c a u s eo f t h el i m i t a t i o no ft h et i m ea n dp e r s o n a lp r o f e s s i o n a l t h e r ei ss t i l lm u c hw o r kt od o b e f o r et h ep r o g r a mi sf u l l yc o m p l e t e d t h i sp r o g r a ma d o p t e dt h et e c h n o l o g yo fh a r d w a r ev i d e oc o d e ca n ds o f t w a r e w i r e l e s ss y s t e mb a s e do nf p g a o u to fw h i c ht h ev i d e oc o d e ca d o p t e da v sm a v s mw h i c hi so fc h i n a si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，i sr e l a t i v e l y s i m p l ea n ds u i t e dt ow i r e l e s st r a n s m i s s i o n i nt h i sp r o g r a m ，t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n s y s t e mu s e dt h el6o a m t or e a l i z et h ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nt h r o u g h5 8 gf r e e c h a n n e l a tp r e s e n t ，t h ep a p e rc o m p l e t e dt h ew o r ko ft h ev e r i f i e dv e r s i o no ft h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ev e r i f i c a t i o no fp a r to ft h ek e yt e c h n o l o g yi 1 1 v i d e oc o m p r e s s i o n ，i n c l u d i n g ：( 1 ) t h er e s e a r c hw o r ko fi m a g ed i s p o s a la n da v s m c o d e ct e c h n o l o g yi np l af o r m a ti m a g es u c ha sv i d e oc a p t u r e ，p a r to ft h ek e y t e c h n o l o g yi na v s - ma n dv g ad i s p l a y i nt h ea s p e c to fv i d e oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ， t h ep a p e ra d o p t e dp l as t a n d a r dc a m e r aa st h eh a r d w a r ef o ri m a g ec a p t u r e ，d e c o d e d v i d e od a t af o r m a t st oc c i r 6 5 6b yt h ec h i po fa d v 718lv i d e od e c o d e ro nt h ed e 2 d e v e l o p m e n tb o a r d a n dt h e nc a r r i e do u ta v s mv i d e oc o m p r e s s i o nb yf p g a n l e l6 q a mm o d u l a t i o no fs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) w a ss e l e c t e dt oa c h i e v ev i d e o t r a n s m i s s i o nb ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fav a r i e t yo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e si nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ( 2 ) i ft r a n s c e i v e rs y s t e mw i t ht h eb a s e b a n dr a t e b a s e do nx i l i n xs p a r t a n 3f p g ar e a c h i n g2m h za n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c el0 m e t e r s t h i ss y s t e ma d o p t e d10 0 me t h e m e tt oc a r r yo u tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np c a n df p g a m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no fl6 q a mw a sb a s e do nf p g a e t h e m e t s i g n a lt r a n s m i t t e dt h r o u g hd a c o na d 9 8 6 0c h i p sa n di t sn a t i v ed u cw h i c hc a l l c o n v e r s ef r e q u e n c yt ot h ei f3 2m ，a n dr e c e i v e db ya d 9 8 6 0c h i p sn a t i v ed d ca n d a d c h 汪苏大学硕士学位论文 _ _ 一一一_ l_ n i sp r o g r a mi sa b o u tt h ec a p t u r i n ga n dc o m p r e s s i o no ft h ed i g i t a lc a m e m ，s v i d e os i g n a la n ds e n d i n gi tb yw i r e l e s s n l er e c e i v e rr e c e i v e dt h ec o m p r e s s e dv i d e o s i g n a l s ，t h e nd e c o d e dt h ev i d e os i g n a l sa n dt r a n s m i t t e dt op c t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dp r a c t i c a le f f i c i e n c yo fs u c hp r o g r a m s k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，a v s - m ，f p g a ，s e w a g ed i s p o s a l ，w i r e l e s sv i d e o t r a n s m i s s i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名： 弘。a 签字日期：为，年。倜，弓日 导师签名： 弛谴丕 签字日期：知年一绢调 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 簿纵l a 日期：p j 年口侗，3e t 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题为来自于国家水体污染控制与治理科技重大专项( 课题编号： 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 1 ) 的子课题“城市污水检测中无线视频传输的研究与关键技术 实现”。 1 2 课题研究的背景和意义 1 2 1 研究的背景和意义 我国社会主义建设事业发展的一个重要标志是城镇化进程的加速，而高速城 镇化进程使得城市排水管网日益完善，对解决我国城镇水环境污染发挥了巨大的 作用。但是，我国绝大部分城市排水管网的建设滞后于经济发展和城市建设，导 致一是管网渗漏比较普遍，对地下水产生严重污染；二是管网建设以后，污染源 纳管率不高；三是分流制排水系统雨污混接严重，市政泵站旱流污水直接排入河 道；四是合流制排水系统设计与管理运行不善，预抽空污水和初期雨水排放对河 道产生冲击式污染。这些问题限制了高截污率城市河道水质的进一步改善，也造 成了比较严重的水环境问题。目前，全国高截污率城市河道水质都受到这种污染 的影响，水质达不到功能区标准，影响了城市形象和市民生活，制约了城市可持 续发展。因此，很有必要针对高截污率城市雨污水管网建设、改造和运行中的普 遍性问题，开展关键技术研究和工程示范，形成解决全国城镇雨污水管网水污染 问题的成套技术方案和集成技术体系。 随着污水管网改造不断被重视，污水管网系统的自动化也不断提高，这样， 污水出口处的水质以及水位等的信息需要实时监测，而原有污水出口处水情测报 系统的通信传输媒介，一般采用数传电台、g s m 短消息、光纤接入等方式。数 传电台的优势是除了每年的频点费以外，平时运行无需额外费用；缺点是受地形、 气候的影响较大，造成系统的可靠性、实时性较差，无法主动上报，传输距离短， 传输速率慢，传输距离短。g s m 短消息方式可以实现主动上报；缺点是按条收 江苏大学硕士学位论文 费，运行费用高，而且在节假日短消息中心服务器繁忙时延时相当长，带宽太小， 无法实时传输图像。光纤通信稳定可靠，但是施：【成本投入大、扩展性差、设备 维护方面不方便。g p r s 传输图像可以节省项目成本；缺点是运行费用高，传输 速率慢。而c d m a 传输图像则运行费用太高。 而本系统通过视频压缩后进行无线模块传输则可以最优化以上问题，达到费 用少、传输质量高、功能强等。本论文设计的系统是提高污水处理现场的视频传 输质量，降低运行价格，提高精度、提高城市污水处理的自动化水平，解放人力 资源。 1 2 2 无线视频监测系统的功能介绍 该项目主要实现远程的安全监测，要求实现以下功能： l 、污水出口处的安全防卫工作，时刻注意水库的水位，如果水位到了警戒 线，有了险情，马上报警。 2 、污水出口处水面情况的实时远端监控：水面上是否有漂浮物( 如白色垃 圾) 、漂流物( 如泄漏的原油) 。 3 、污水出口处水岸情况的实时远端监控：岸上的物体( 如人、兽) 是否进 入危险区( 如闸门口、大堤上) ，是否有可疑的情况( 如大坝的安全信息) 。 4 、能够随时检测水库中水的水质，并将信息传到远端，发现水质超标，马 上报警。 5 、污水出口处天气情况的实时监控。 由于需要这些功能，所以需要实时传输图像，且有强抗干扰性，这是本系统 需要解决的问题。 随着无线通信应用的发展，无线视频电话、无线局域网、无线互联网接入、 家庭无线网等无线通信成为无线通信业务的新需求。无线互联网用户正在快速发 展，同时多媒体通信的数据量更是以几何级数的速度增加。正是由于人们对无线 通信需求的不断扩大，以及其在社会各个领域应用的不断实现，无线通信给人们 带来欣欣向荣的无限商机。爱立信公司调查研究表明，除普通电话应用外，视频 与信息将是用户对无线多媒体通信应用的最大热门点。无线视频通信作为无线通 信的一个重要组成部份，引起国内外学者的广泛兴趣，成为当前信息科学与技术 2 江苏大学硕士学位论文 的前沿课题l 。 1 2 3 无线视频传输的主要难点问题 由于无线信道带宽资源有限，干扰因素多，而视频信号数据量大，适时性要 求高等原因，无线视频传输面临着许多巨大的挑战。 ( 1 ) 首先是视频通信中的带宽限制。这主要来自庞大的视频数据量与严格的 适时性要求。例如，移动可视电话一般采用q c i f ( q u a r t e rc o m m o ni n t e r m e d i a t e f o r m a t 通用中间格式) 分辨率的图像，它有1 7 6 1 4 4 = 2 5 3 4 4 象素，如果每个象素 用2 4 位颜色来表示，一帧图象的数据量就达5 9 4 k b i t 。标准的p a l 制式的图像 若再考虑到实时视频传输要求的帧频( 一般为每秒2 5 帧) ，数据传输速率就要求 高达1 6 5 6 m b p s ! 无线通信的带宽问题还来自于无线信道环境恶劣，有效带宽资 源的有限性。实现大数据量的视频信号的传输，尤其是面向大众的无线可视应用 中，无线信道的资源尤其紧张。 ( 2 ) 与普通的数据通信相比，视频通信有更高的适时性要求。就多媒体应用 来说，点到点延迟不能超过1 5 0 毫秒。这其间除了实现数据在发送端与接收端的 压缩与解压缩之外，还要包括传输延迟。 ( 3 ) 能量供应与消耗问题。由于用于无线通信的收发设备大多采用电池作为 供电来源，所以作到通信耗电最小是无线通信另一要求。在多媒体通信中，主要 包括计算能量( 在信号预处理上，如信号压缩) 和通信能量( 信号在信道上传输需要 的能量) 。 ( 4 ) 无线视频的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 保障。在无线通信中，影 响q o s 的因素很多。诸如天气的变化，用户的移动，周围环境的变化和用户数 量的增多等。如前述，为压缩带宽，必须在发送端对视频信息进行压缩，但压缩 后的数据比起压缩前的数据对传输误差更为敏感，必然影响到q o s 。 ( 5 ) 无线通信安全性问题。安全性一直是通信的一个大问题。特别是商用和 军事上对安全性要求就特别高。当然对家庭使用的通信，这个要求低一些。前面 三个问题可以通过增加信道带宽和优化预处理技术来解决；采用高效合适的射频 和调制解调技术可以缓解后面两个问题1 2 j 。 江苏大学硕士学位论文 3 本论文的实现方案 根据以上对无线视频通信存在的问题、关键技术和可行性应用分析，从简单、 易实施、节能、经济、具体应用等角度，本论文对无线视频通信的各个环节作了 深入透彻研究，提出了一套高效实用的无线视频通信的系统方案。系统框图如图 1 1 所示。在污水出口处，图像采集部分采用p a l 制式标准摄像头，通过a d v 7 1 8 1 进行模数转换，得到c c i r 6 5 6 标准制式的图像，然后进行压缩比高达1 0 0 ：l 的 a v s m 图像压缩编码，再通过带宽最大可达到1 6 m 的1 6 q a m 调制的s d r 无线 发射。在城市环境控制中心通过s d r 接收机接收，然后通过a v s m 进行解压缩， 然后通过以太网传输到p c 机上进行识别和其它参数的整合。 i 其它参数i 图1 1 无线视频传输系统框图 本文主要研究的关键技术与已经实现的部分如图1 2 所示，其中灰色部分为 本文研究的主要对象和实现部分。 4 江苏大学硕士学位论文 s d r a m 胆烈8 m b y t e r 控制器f 飞 s d r a m a v s m 天 射 无线接收 以太i 解码器 u s b 刮s p 2 l 睁叵 线 卜、 频 卜a d 9j 卜、 警p d e v i c e 接 叫 8 6 0叫 基带处理叫 收 扳 s p a n t a r3 a v l 2 l v r v l 硅示c y c l o n e1 1e p 2 c 3 5f p g a 图1 2 研究的关键技术说明图 该方案的具体现场部分和中控室部分系统框图见下两图：现场部分如图1 - 3 ； 中控室部分如图1 4 中控室部分如图1 4 ： 图1 3 现场部分系统框图 s d r a m 胆n 8 m b v t e r f ： 控制器- f 、 s d r a m a v s 。m 射 无线接收 以太 解码器 u s b 刮i 撒s p l 吲阢机 天a 频 卜a d 9j a 网通 八 线 叫 叫 8 6 01 基带处理 叫叫 d e v i c e 扳信 s p a n t a r 3 a 川r 卅显示 e 0 。一 蠡, a i c y c l o n e i ie p 2 c 3 5 兀g a 图1 4 中控室部分系统框图 该系统完全满足项目的要求，且具有很多优势。下面先介绍本系统采用的硬 件平台和部分规划。 江苏大学硕士学位论文 1 3 1 、图像压缩部分 图像压缩部分采用p a l 制式标准摄像头，通过a d v 7 1 8 1 进行模数转换，得 到c c i r 6 5 6 标准制式的图像，然后进行压缩比高达1 0 0 ：1 的a v s 图像压缩编 码，硬件平台采用d e 2 开发板，采用3 2 m b y t e r 的s d r a m 存储，在f p g a 上硬 件实现a v s 图像压缩，然后通过以太网传输到无线发送模块1 3 1 。 1 3 2 无线发送部分 无线发送部分采用x c 3 s 4 0 0 、a d 9 8 6 0 和射频板完成无线发送部分。在f p g a 上实现的无线基带调制，调制方法采用1 6 q a m ，能实现最大1 6 m 带宽的无线发 送1 4 1 。 1 3 3 无线接收部分 无线接收部分也是采用x c 3 s 4 0 0 、a d 9 8 6 0 和射频板完成无线发送部分。在 f p g a 上实现的无线基带解调，方法采用1 6 q a m ，能实现最大1 6 m 带宽的无线 接收1 5 1 。 1 3 4 图像解压缩部分 图像解压缩部分采用同样的采用d e 2 开发板的硬件平台，对无线接收到得 数据进行a v s 解码后进行v g a 显示控制和u s b 传输给p c 机进行图像处理和 参数分离1 6 1 。 1 4 本章小结 这一章主要介绍了国家水体污染控制与治理科技重大专项以及本课题“城市 污水检测中无线视频传输的研究与关键技术实现”的研究背景和现状，提出实现 难点和解决方案。最后介绍了本方案的实现方法和优缺点。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章实现的硬件平台介绍 2 i 视频编解码硬件平台的介绍 随着视频编码标准的不断发展，其运算度越来越大，因此迫切需要寻求视频 编码标准的硬件实现方案以实现视频编解码的实时处理。目前f p g a 的集成度规 模不断扩大，并且具有较高的性能和灵活性，所以在用硬件实现复杂的数字视频 信号处理中，f p g a 将是最佳选择之一。本章将详细介绍基于f p g a 的高性能视 频开发平台的硬件设计和实现，并对系统设计的主要工作进行阐述。 视频开发平台设计的主要目的是为了进行高级别视频编解码器的开发与验 证。平台设计目标支持a v s m 级别，图像尺寸支持7 2 0 x 5 7 6 的分辨率，编码速 率2 5 帧每秒。因此系统必须具有大规模和高速度的可编程逻辑资源作为支持， 大容量的存储器资源以存储高分辨率的图像数据，高速度的数据传输通道以传输 高带宽的码流，并且能支持多种视频输入输出接口1 7 j 。本设计中视频开发板的系 统结构如图2 1 所示。 js v 电源管e ：；3 。v 理模块e ：- i 埘g v j j o 2 7 万芝妇h z 卮矗_ i 矗。 l ：；二j 豪二- s r l 蟹a m ：! - 二一卜f c p y g c a l o n 2 e c l 3 1 5 t 毒麴编蘑基簟覆五燕窝 1 0 1 0 0e t h e m e tp h y - 一 s d c a r d ，麓 一一一 ! v ，m 7 一一_ 糍； 江j ：，一一：二：j 嬲 i 曲童蜘+ j 未蔷 | c o n f i gi ! 芝蓉； ；d e v i c e ；! i 江苏大学硕士学位论文 下面总体介绍硬件平台中的各个模块： 高性能f p g a - - - c y l o n ei i 系列的e p 2 c 3 5 3 3 ，2 1 6 个逻辑单元 总共4 8 3 ，8 4 0 位r a m 资源 3 5 个嵌入式乘法器 4 8 4 引脚的b 6 a 封装 外部存储器 s r a m ( i s s ii s 6 1 l v 2 5 6 1 6 ) ：5 1 2 k b y t e ( 2 5 6 k x1 6 b i t s ) s t a t i cr a m m e m o r yc h i p s d r a m ( i c s i $ 4 2 s 1 6 4 0 0 ) ：8 m b y t e ( i m x1 6 b i t s x 4 b a n k s ) s i n g l e d a t ar a t es y n c h r o n o u sd y n a m i cr a mm e m o r yc h i p f l a s h ( s p a n s i o ns 2 9 a l 0 3 2 d t a l 0 0 ) ：4 m b y t en o rf l a s hm e m o r y sdc a r ds o c k e t 各类扩展i o 口 u s b 2 0 控制器( p h i l i p si s p l 3 6 2 ) 及接口 i o m i o o m 以太网控制器( d m 9 0 0 0 a ) 及r j 一4 5 接口 d b 9 针通用r s - 2 3 2 串行接口 a d v 7 1 8 1 bm u l t i - f o r m a ts d t v 视频解码器及c v b s 视频输入接口 a d v 7 1 2 3 视频编码器及v g a 视频输出接口 a d v 7 17 6 a 视频编码器及c v b s 视频输出接口 5 0 m h z 、2 7 m h z 、1 2 m h z 的晶振及外部c l o c k 输入 2 1 1 视频输入接口设计 本系统视频解码模块采用的是a n a l o gd e v i c e 公司的a d v 7 1 8 1 b ，a d v 7 1 8 1 b 是a n a l o gd e v i e e 公司推出的一款高质量、单片、多数据格式的视频解码器。 a d v 7 1 8 i b 支持n t s c ( n m i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ，全国电视系统委 员会制式) 格式、p a l ( p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ，逐行倒相制式) 格式、 s e c a m ( s e q u e n t i a lc o u l e u ra v e cm e m o i r e ，顺序与存储彩色电视系统) 格式的模拟 视频输入；内部集成了三个9 位a d c ，输出8 位或1 6 位符合c c i r 6 0 l l c c i r 6 5 6 8 江苏大学硕士学位论文 建议的y c r c b 4 ：2 ：2 数据，a d v 7 1 8 1 b 具有n t s c 、p a l 自动识别功能，具有完 整的a g c 和箱位控制功能，可对色度、亮度、饱和度和对比度进行编程视频调 节；具有6 个模拟视频输入通道，用不同的配置可以支持6 路c v b s ( c o m p o s i t e v i d e ob r o a d c a s ts i g n a l ，复合电视广播信号) 输入信号、3 个y i c ( s v i d e o ，分量视 频信号) 输入信号或2 个y c r c b 构成的模拟视频输入信号。其场同步信号v s 、 行同步信号h s 、剖偶场标志信号f i e l d 、像素时钟信号l l c 可由芯片的输出管 脚直接得到，从而简化了时钟锁相与同步功能模块的设计，使整个系统的性能和 稳定性均有所提高。a d v 7 1 8 i b 需要通过1 2 c 总线配黄其内部控制寄存器，以选 择其工作模式。它需要3 3 v 模拟电源和1 8 v 数字电源，功耗小于0 5 w t 引。 a d v 7 1 8 l b 与f p g a 的连接图如图2 2 所示： i d e oi nd a t a f 7 ：0 ) yp 8 一p 1 5a i n l l i n el o c kc l o c k a i n 2 一 一 一 l l ca l n 3 1 d e c o d e rh sa i n 4 - 一 h sa f n 5 a l n 6 f p g a a d v 7 1 8 l b d e c o d e rh s e p 2 c 3 5 j v s d e c o d e r1 2 cc l o c k 一一 一 s c l kx f l a l _ j ) e c o d e r _ 1 2 c s d a s d ad v d d d e c o d e r r e s e t ，r e s e t a v d d c v b s 2 7 m h z 1 8 v 3 3 v 图2 2 视频输入与f p g a 的连接图 本设计中a d v 7 1 8 1 b 的输入通道6 作为c v b s 信号输入，a d v 7 1 8 1 b 的工作 时钟2 7 m h z 通过外部晶振获得。 2 1 2 视频输出接口设计 本系统视频编码模块采用的是a n a l o gd e v i c e 公司的a d v 7 1 7 6 a 和 a d v 7 1 2 3 ，视频输出接口包括了c v b s 视频输出接口和v g a 视频输出接1 2 1 。 c v b s 复合视频信号输出功能由a d v 7 1 7 6 a 实现，而v g a 视频输出功能则由 a d v 7 1 2 3 实现【9 1 。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 3v g a 输出与f p g a 的连接图 平台采用a n a l o gd e v i c e 公司的视频编码器a d v 7 1 2 3 实现由v g a 控制器输 出的r g b 信号的数模转换。a d v 7 1 2 3 包含3 路高速的l o 位视频d a 补偿输出 转换器，具有3 3 0 m h z 的最大采样速度，与多种高精度的显示系统兼容，包括 r s 3 4 3 a 和r s l 7 0 ，具有标准t t l 输入接口和高阻模拟电流输出。a d v 7 1 2 3 还 有附加的视频控制信号复合同步控制信号s y n c 和复合消隐控制信号b l a n k ， 它们在c l o c k 的上升沿有效以保证像素数据流的同步。图2 3 是v g a 输出与 f p g a 的连接图，通过a d v 7 1 2 3 产生三路模拟输出，同时结合行、场同步信号 完成视频图像的显示。a d v 7 1 2 3 工作电压为5 v 1 0 l 。 2 1 3s d r a m 接口设计 s d p - , j 心v l 具有单位空问存储量大和价格便宜的优点。与f l a s h 存储器相比， s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，且 具有铡写的属性。s d r a m 的操作是由时钟作为同步，为避免数据丢失，必须定 时刷新( 充电) 。 目前常用的s d r a m 为8 位或1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。主 要的生产厂商有h y n i x 、m i c r o n 、n e c 、i c s i 等，他们生产的同型器件一般具有 相同的电气特性和封装形式，可通用。 平台使用的是i c s ii s 4 2 s 1 6 4 0 0 ，存储容量为4 b a n k xi m x1 6 b i t s ( 8 m b ) ，每 个b a n k 为2 m 字节，b a n k 之间可以通过b a n k 地址来选择，其最高运行频率为 1 3 3 m h z ，常见的封装为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新和自刷 新，1 6 位数据宽度。 i 0 江苏大学硕士学位论文 s d r a m 与f p g a 的连接关系如图2 4 所示，其刷新频率是靠f p g a 内的p l l 经过相移来提供的。在设计版图时，如果s d r a m 距离f p g a 很近，一般需要 将p l l 相移1 8 0 度。 2 1 4 以太网接口电路设计 图2 4s d r a m 与f p g a 的连接图 随着计算机网络的普及和网上视频业务的发展，很有必要为视频编码系统开 发一个以太网接口以拓宽其应用范围。1 0 m 1 0 0 m 以太网接口为系统提供了以太 网接入的物理通道，并且如此高的传输速率完全能够满足高速视频码率的传输要 求。但是以太网接口相对也比较复杂，需要与以太网芯片相配套的以太网变压器。 目前常见的以太网接口芯片主要有r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 、r t l 8 0 2 9 ， c i r r u s l o g i c 公司的c s 8 9 0 0 ，d e v i c o m 公司的d m 9 0 0 0 、d m 9 0 0 8 等。本系统采用了 台湾d e v i c o m 公司的d m 9 0 0 0 a 芯片，它带有m a c 控制器和1 0 m 1 0 0 m 物理 层接口，结构完整，性价比高，而且有比较通用的接口，可以直接连接到大多数 微处理器的总线上。 d m 9 0 0 0 a 主要特点如下：4 8 管脚的l q f p 封装，管脚少，体积小；支持 i p t c p u d p 加速，减轻了c p u 负担，提高网络速度；支持b a c kp r e s s u r e 半双 工流量控制；支持用于全双工流控制的i e e e 8 0 2 3 x 标准；支持处理器接口， 以字字模式的i o 命令操作内部存储器；对内部存储器的读写可以工作在8 江苏大学硕士学位论文 位或1 6 位模式；内部集成一个1 0 m 1 0 0 m 带有a u t o m d i x 的接收器；支 持自动装载发送方的i d ，并由e e p r o m 产生i d ；兼容3 3 v 和5 o v 的i o 口。 d m 9 0 0 0 a 与f p g a 的连接关系如图2 5 所示。d m 9 0 0 0 a 有两种数据总线 宽度操作模式，即8 位1 6 位模式。本设计采用1 6 位传输，故将e e c s 管脚悬空。 c m d 引脚决定传输的是数据还是命令，通过设置c m d 管脚以及片选信号线c s 和读写信号线( i o r 、l o w ) 就可以向d m 9 0 0 0 a 传输命令或者数据。d m 9 0 0 0 a 的工作时钟2 5 h z 由f p g a 提供【眩1 。 一e n e t _ d a t a 15 ：0 1 卜 s d l 5s d o r x + e n e tc m d c m d e n e tc s r x 一 c s e n e tl n t t x + f p g a i n t e p 2 c 3 5 e n e tior。 t x 一 一 i o r e n e ti o w d m 9 0 0 0 a 一 i o w 一 e n e tp w r s t p w r s t e n e t2 5 m h z 。 x l 图2 5 以太网接口与f p g a 的连接图 2 2 无线收发系统的硬件平台介绍 本硬件平台在总体方案设计上是围绕着可编程器件设计的，在其它外围电路 设计和器件选择上按计划项目的最大要求设计，尽量做到通用。设计的平台主要 包括四个主要芯片：一片x i l i n xs p a r t a n 3f p g a ，一片a d i 公司的a d 9 8 6 2 ，一 片以太网p h y 和一片u s bp h y c y 6 8 0 1 3 ，收发各一路中频差分接口。硬件实物 见图2 6 ，无线收发平台的系统框图见图2 7 。 1 2 江苏大学硕士学位论文 囤26 无线收发系统醍件宴物图 1 8 5i _ 叩州 以赢嗍 p h y 芯片 f p g a i 。耵q 1 3 ：。1 鬻臻 3 2 m 善 | | r x l b u a 【i i q i 图27 软件无线电系统结构框目 本硬件系统的工作过程包括发送和接收两部分，下面分* 介绍： 发送时，p c 机数据通过u s b 或咀太网口传到p h y ，p h y 再传给f p g a ， 由f p g a 完成基带信号处理，信号被处理成1 4 b i t 的中频数字信号。基带处理后 的数据发送给a d 9 8 6 2 ，a d 9 8 6 2 主要完成上变频以及将中频数字信号转换成模 拟信号输出。具体见图2 8 。 卜h 誉h 爹h 穰8 蜚h 磁l 囤28 软件无线电发射系统框囤 江苏大学硕士学位论文 接收时，正好反过来，中频模拟信号经a d 转换成1 2 b i t 的中频数字信号， 由f p g a 完成数字下变频、抽取滤波，然后解调，最后发送给u s b 或以太网口 传到p h y ，由p h y 将数据发送给p c 机。具体见图2 9 。 图2 9 软件无线电接收系统框图 本实验平台除了缺少射频前端外，其它设计基本符合软件无线电相容性 ( c o m p a t i b i l i t y ) 、灵活性( f l e x i b i l i t y ) 、可重构性( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 和可升级 性( u p g r a d e a b i l i t y ) 的要求。射频前端可另外设计并通过s m a 接口与实验板相 连。 基带信号处理和基带调制采用的是一个x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 系列的 f p g a ，使用规模较大的x c 3 s 4 0 0 型号，x i l i n xs p a r t a n 3f p g a 是一种成本最低 的f p g a ，可以实现最低的器件成本。它在基于前两代s p a r t a n 系列解决方案的 成功基础之上，把x i l i n x 高端v i r t e x 系列的一些特性集成其中，如数字时钟管理 ( d c m ) ，而它较s p a r t a n 2 系列具有更多的逻辑资源，内部r a m 容量和i o 数。本 设计选择的芯片为s p a r t a n 3x c 3 s 4 0 0 ，其包括4 0 万门、8 0 6 4 个s l i c e 、5 6 k b 分布 式r a m 、2 8 8 k bb r a m 、1 6 个1 8 1 8 的专用乘法器、4 个d c m 和1 4 4 个i o 管脚。 a d 9 8 6 2 是a d i 公司推出的一款适合无线宽带通信应用的高性能混合信号前 端( m x f e ) ，它在一枚芯片上集成了四个高性能数据转换器( 两路6 4 m s p s 的1 2 位a d c 、两路1 2 8 m s p s 的1 4 位d a c ) 。a d 9 8 6 2 最适合无线宽带应用，它能实 现下一代无线应用业务，例如高速网络接入、交互式游戏和视频点播，这些业务 要求设备使用分辨率和数据转换速率不断增高的数据转换器。无线宽带应用通常 需要通过复合调制、纠错和信号合成技术来克服噪声和环境干扰。a d 9 8 6 2 能提 供运用这些技术所要求的性能并且带有通信专用的数字信号处理器功能和几种 使用方便的辅助功能。 a d 9 8 6 2 是a d i 公司混合信号前端( m x f e ) 芯片，它按照性能分隔信号路 径，而不是按照模拟电路和数字电路的界限进行分隔。a d 9 8 6 2 的集成度非常高， 1 4 江苏大学硕士学位论文 它在一枚芯片上集成了两个1 2 位6 4m s p sa d c 和两个1 4 位1 2 8m s p sd a c ， 能提供目前只有使用分立器件才能达到的性能。它既能满足用户设备的成本要 求，又能满足基站和前端基础设施应用的高性能要求。利用a d 9 8 6 2 ，设计工程 师就能够以较少的芯片、较小的电路板面积和较低的成本设计出满足无线宽带应 用所要求的具有复杂镜像抑制结构的收发器。具体见图2 1 0 。 1 、a d 9 8 6 2 的发送端 a d 9 8 6 2 的发送路径允许接受多