（通信与信息系统专业论文）基于80211b物理层的无线av传输系统.pdf

摘要 摘要 无线宽带技术发展迅速，基于无线传输的多媒体业务正成为通信应用主要发展方向。论 文工作则是围绕实现小区域数字视频无线传输的应用目标，在先前已开发的基于m p e g 2 数 字视频编码无线传输技术应用系统上，为适应更先进的数字视频编码技术，数字多媒体多接 口技术，以及高质量无线通信技术的应用发展，开展高性能新型小区域数字视频无线传输系 统的设计与开发。 鉴于当今m p e g 一4 h 2 6 4 数字视频技术已成熟和在无线多媒体通信中的普遍应用，加之 其高性能、低码率突出优点，新系统设计以支持m p e g - 4 h 2 6 4 数字视频无线传输为主要目 标，并同时支持m p e g 2 编码，从而既提高了系统的无线传输效率，又具有对已有系统的友 好兼容性。为了适应高质量视频信号的输入输出，系统增加了h d m i 数字视频通信接口。 针对前期系统应用中所暴露出的抗误码性能较差的问题，论文对系统无线传输功能作了 扩展设计，采用卷积码信道纠错编码和交织技术，以提高系统的抗随机干扰的性能，并给出 了基于f p g a 的编码与解码、交织与去交织功能模块的设计和开发，且在原有系统进行了有 效性验证运行。此外，利用f p g a 完成控制功能的开发与实现，取代了已有系统的系统控制 处理器，不仅提高了系统的集成度，而且也有效降低了系统的体积、功耗和成本。 关键字： m p e g 4 ；h 2 6 4 ；信道编码：f p g a ：h d m i a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sb r o a d b a n dt e c h n o l o g y , t h em u l t i m e d i as e r v i c e sb a s e d o nt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o na r eb e c o m i n gt h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h et h e s i sf o c u s e s o nt h ei m p l e m e n to fs m a l la r e aw i r e l e s st r a n s m i s s i o no fd i g i t a la vs i g n a l s b a s e do nt h e p r e v i o u ss y s t e mw h i c hu s i n gm p e g 2c o d es t a n d a r d ，t h i sp a p e rt r i e st op u tf o r w a r dan e w w i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mu s i n gt h en e wd i g i t a lv i d e oc o d i n gt e c h n o l o g y ，n e wd i g i t a l m u l t i m e d i ai n t e r f a c e t e c h n o l o g y ，a sw e l l a st h eh i g h q u a l i t yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y n o w a d a y s ，m p e g - 4 h 2 6 4i s m o r ea n dm o r ep o p u l a r i t y ，e s p e c i a l l y t h e y h a v et h e a d v a n t a g eo fh i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o wb i tr a t e t h e r e f o r e ，t h en e ws y s t e mt h i st h e s i sp u t s f o r w a r ds h o u l ds u p p o r tm e e g 4 h 2 6 4 i ta l s os h o u l ds u p p o r tm p e g - 2i no r d e rt ok e e pt h e c o n t i n u i t yo ft h ed e v e l o p m e n t t h e r e b yi tn o to n l yi m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，b u ta l s o h a ss y s t e mc o m p a t i b i l i t y t h en e ws y s t e mw i l la d dh d m i d i g i t a lv i d e oi n t e r f a c et oa d a p tt o h i g h q u a l i t yv i d e os i g n a li n p u ta n do u t p u t t h e e x i s t i n gs y s t e mh a se x p o s e dt h ep o o rp e r f o r m a n c eo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nb i te r r o r i na c c o r d a n c ew i t hi t ，t h en e ws y s t e mu s e sc o n v o l u t i o nc o d ea n di n t e r l e a v i n gc o d i n gt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l ew i r e l e s ss y s t e m t h et h e s i sg i v e st h ei m p l e m e n to ft h e c h a n n e lc o d i n gu s i n gf p g a ，s i m u l a t et h ec o d e sw i t hq u a r t u s ，a n dt e s ti to nt h eo r i g i n a l s y s t e m b e s i d e s ，t a k i n gp l a c eo ft h ea l o n em p u ，ad i g i t a lc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e di nt h e f p g af o rt h en e ws y s t e m t h i sn o to n l yi m p r o v e st h es y s t e m si n t e g r a t i o n ，b u ta l s o e f f e c t i v e l yr e d u c e st h es y s t e ms i z e ，p o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ec o s t k e y w o r d s ：m p e g 一4 ：h 2 6 4 ；i e e e8 0 2 1 l b ；f p g a ；c h a n n e lc o d i n g ；h d m i i l a r q ： a v ： c p l d ： c v s d ： d h s s ： d s p ： f h s s ： f p g a ： h d m i ： h d t v ： i s m a ： l d p c ： m p e g ： m p u ： n t s c ： s d t v ： t d d ： t d m a ： 缩略语表 缩略语表 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a u d i o & v i d e o 自动重传请求 影音 c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e复杂可编程逻辑器件 c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p ed e l t am o d u l a t i o n 连续可变斜率增量调制 d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h i g hd e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c e h i g hd e f i n i t i o nt v i n t e m a t i o n a ls e c u r i t i e sm a r k e ta s s o c i a t i o n l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p m i c r op r o c e s s o ru n i t n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k v 直序扩频 数字信号处理 跳频扩频 现场可编程门阵列 高清晰多媒体接口 高清电视 国际安全组织 低密度奇偶校验码 动态图像专家组 微处理器单元 国家电视标准委员会 标准清晰度电视 时分复用 时分多址 无线局域网 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 粹吼扯 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 躲僻斯躲) 物妊期： 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着无线宽带技术和各种信息压缩技术的发展，用无线传输技术来传输a v 信 号由于具有速率高，误码率低，安装方便等特点，被越来越多的应用于家庭、工厂、医疗、 军事等领域。东南大学移动通信国家重点实验室顺应这种趋势，开发了小区域的无线a v 传 输系统。 1 1 课题背景 东南大学移动通信国家重点实验室已完成了基于m p e g 2 压缩的无线影音传输系统 研发【l 】。随着无线网络技术和压缩技术的发展，该系统呈现出业务数字码率高、无线传 输效率低、无纠错编码、图像抗误码性能差、无数字接口等缺点，已经在功能和性能上 不能适应广泛应用的要求。鉴此，课题旨在通过对已有的系统作出技术改进，使之适应 目前技术的发展趋势，满足应用扩展的要求。 1 1 1a v 信号处理技术的发展 音视频信号( a v ) 是模拟信号，不适合直接在无线网络中进行传输。所以应首先把 它转化为数字信号，才能在无线网络中进行传输。但是数字化后的a v 信号数据量非常 大，特别是数字视频信号，可以达到2 0 0 m b p s 。这么大的数据传输速率在目前带宽资源 非常紧张的情况下是很难实现的。于是，通信业界对于a v 信号的处理技术主要集中在 对视频信号的压缩上。目前，比较主流的压缩标准为：m p e g 2 ，m p e g 4 ，h 2 6 4 1 2 j 。 m p e g 2 制定于1 9 9 4 年，设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。 其按压缩比大小的不同分成五个档次( p r o f i l e ) ，每一个档次又按图像清晰度的不同分成 四种图像格式，或称为级， 1 ( 1 e v e l ) 。五个档次四种级别共有2 0 种组合，较常用的是1 1 种组合。这1 1 种组合分别应用在不同的场合，如m p m l ( 主档次与主级i i ) 用在具有演 播室质量标准清晰度电视s d t v 中，美国h d t v 大联盟采用m p h l ( 主档次及高级别) 。 在n t s c 制式下其分辨率可达7 2 0 * 4 8 0 ，能够提供广播级的视像和c d 级的音质，码流 速率一般在3 1 0 m b p s 之间。课题要求能以尽可能低的速率提供尽可能高质量的a v 传 输，而m p e g 2 只能提供广播级的图像，压缩率太低导致占用带宽又很大，因此不适合 课题的要求f 2 1 1 3 i 。 m p e g 4 制定于1 9 9 8 年，将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多 媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，用于实现音视频数据的有效编码及更为灵 东南大学硕士学位论文 活的存取。它的特点是更适于交互式a v 服务及远程监控，是一个有交互性的动态图像 标准。它可以将较大的媒体文件在保证音视频质量下压缩得非常小，一般码流速率在 2 m 3 5 m b p s 之间，利于在网络中传播，因此m p e g 4 被i s m a 作为流媒体技术标准。 目前已经有很多编解码器都是参照m p e g 4 标准，如w m v 9 、d v i x 等，m p e g - 4 也成 为目前最为主流的视频压缩格式。考虑到高的压缩性能和该标准的通用性，课题设计要 支持该压缩标准p j 。 h 2 6 4 是由i t u t 和i s o f l e c 的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。它 是在m p e g 4 技术的基础之上建立起来的，也是m p e g 4 第十部分。其编解码流程主要 包括5 个部分：帧间和帧内预测( e s t i m a t i o n ) 、变换( t r a n s f o r m ) 和反变换、量化 ( q u a n t i z a t i o n ) 和反量化、环路滤波( l o o pf i l t e r ) 、熵编码( e n t r o p yc o d i n g ) 。h 2 6 4 是1 9 9 5 年自m p e g 2 视频压缩标准发布以后的最新、最有前途的视频压缩标准，其最 大的优势是具有很高的数据压缩比率，数据传输速率在1 5 - 2 m b p s 之间。一般情况下 1 5 m b p s 即可达到高清的要求。在同等图像质量的条件下，h 2 6 4 的压缩比是m p e g 2 的2 倍以上，是m p e g 4 的1 5 2 倍。因此，h 2 6 4 被普遍认为是最有影响力的行业标 准。为了顺应技术的发展趋势，课题也要支持该标准【2 】【”。 由上可知，课题的设计目标是要支持m p e g 4 和h 2 6 4 ，这两个标准代表了目前的 主流和发展趋势，也是在带宽资源受限和无线传输环境恶劣条件下的必然选择。考虑到 系统开发的延续性，课题则需同时兼容支持m p e g 2 标准。 1 1 2 电视接口技术的发展 近几年，电视接口发展很快，从传统的a v 接口、s 端子等发展到目前全数字的h d m i 接口。不仅接口越来越简单，而且传输质量也越来越高。 a v 接口为模拟接口，由黄、白、红3 路r c a 接头组成，黄色接头传输视频信号， 白色接头传输左声道音频信号，红色接头传输右声道音频信号。a v 接口实现了音频和 视频的分离传输，避免了因为音视频混合干扰而导致的图像质量下降。但由于a v 接口 的传输仍然是一种亮度色度( y c ) 混合的视频信号，亮色分离过程必然会带来色彩信号 的损失，影响图像质量，因此无法达到高清的要求【4 】。 s 端子是a v 接口的改进，在信号传输方面不再将色度与亮度混合输出，而是分离 进行信号传输，所以又称它为“二分量视频接口。与a v 接口相比，s 端子不再对色 度与亮度混合传输，这样就避免了设备内信号干扰而产生的图像失真，能够有效的提高 画质的清晰程度。但s - - v i d e o 仍要将色度与亮度两路信号混合为一路色度信号进行成 2 第一章绪论 像，因此仍然存在着画质损失的情况【4 】。 h d m i ( h i g hd e f i n i t i o nm u l t i m e d i ai n t e r f a c e ，高清晰多媒体接口) 是一种全新的数 字接口。相对于传统的接口，h d m l 只需要一根线就能同时传输未经压缩的高品质的 声音和视频，最高数据传输速率达5 g b p s 。同时在数据传输时无需数模或者模数转换， 有效的避免了画质损失的情况，可以保证最高质量的数据传送。h d m i 已经成为目前数 字电视的必备接口 5 1 。 课题为了适应新技术的发展，也为了避免接口单一，需支持模拟的a v 接口和数字 的h d m i 接口。 1 1 3 无线区域传输技术的发展 自从“红外”技术出现后，无线区域传输应用就开始迅速发展。目前常用的无线区域 传输技术主要包括：蓝牙，h o m e r f ，与i e e e8 0 2 1 1 。 蓝牙技术是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，它将各种通信设备、计算机 及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它采用2 4 g h z i s m 频段和调频、跳频技术，使用权向纠错编码、a r q 、t d d 和基带协议；传输距离 为1 0 c m 一- 1 0 m ，最大可达1 0 0 m ：t d m a 每时隙为0 6 2 5 i - t s ，基带符合速率为1 m b s ；支 持6 4 k b s 实时语音传输和数据传输，语音编码为c v s d ，发射功率分别为l m w 、2 5 m w 和1 0 0 m w ，并使用全球统一的4 8 比特的设备识别码：功耗低、对人体危害小，并且由 于采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性。但蓝牙技术由于只能半双工， 蓝牙堆栈很容易崩溃，而且与其他网络传输技术兼容性差等原因，应用受到极大限制1 6 】。 h o m e r f 是为家庭网络设计。它工作在2 4 g h z 频段，并采用数字跳频扩频技术， 速率为5 0 跳s ，共有7 5 个带宽为1 m h z 跳频信道：调制方式为恒定包络的f s k 调制， 分为2 f s k 与4 f s k 两种。采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。2 f s k 方式下，最大数据的传输速率为1 m b s ，4 f s k 方式下，速率可达2 m b s ；采用c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 模式，以竞争的方式来获取对 信道的控制权，在一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据：提供了对数据流 业务( s t r e a mm e d i a ) 的真正意义上的支持。由于对流业务规定了高级别的优先权并采 用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实时性流业务所需的带宽和低干扰、低误码。 但由于在功能上过于单一，与其他标准相比没有明显优势，其使用受到了极大限制【6 】。 8 0 2 1 l 是目前应用最为广泛的w l a n 标准。该标准定义了物理层和媒体访问控制 ( m a c ) 协议的规范，允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设 东南大学硕士学位论文 备。其工作在2 4 gi s m 频段内，可以采用f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ， 跳频扩频) 和d h s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直序扩频) 技术。在信道共享 上采用c s m a c a 机制，减小冲突的产生。目前8 0 2 1 1 有很多不同的标准，如i e e e 8 0 2 1l a ，i e e e 8 0 2 1l b ，i e e e s 0 2 1 1 9 等。其中，8 0 2 1 1 b 由于起步早，兼容性好，廉价 等优点，是目前应用最广泛的无线标准，已经成为这三种标准里的绝对主流【6 1 7 1 。 通过上述比较，课题设计的系统决定采用8 0 2 1 1 b 协议作为无线传输标准。考虑到 课题的应用背景，是一种点对多点的网络系统，结构比较简单。为了提高数据传输的有 效性，课题只采用了8 0 2 1 1 b 的物理层。 1 2 课题的总体目标 经过实际运用，前期研发的无线a v 系统存在接收图像抗误码能力低，容易出现马 赛克，没有数字接口，且系统体积大，安装不方便等功能与性能不足。因此，课题的设 计是对前期系统中的接收系统进行改进，使其满足功能与性能上的要求。 首先，系统要支持压缩比更高的m p e g 4 和h 2 6 4 ，考虑到设计的延续性，系统还 要支持前期系统的m p e g 2 编码。系统码流速率在1 5 m 3 m b p s 之间。其次，为了解 决图像在传输过程中的误码问题，课题要设计信道编解码，使系统误比特率降低到i o 。 以下。最后，为解决接口单一问题，课题需要支持h d m i 接口。射频部分仍采用8 0 2 11 b 物理层。在整个设计过程中，要求整个系统要尽可能简单，体积要尽可能小，功耗要尽 可能低。总体来说，课题设计的指标如下所示： 射频：采用8 0 2 1 1 b 物理层，速率选择5 5 m b p s 或者更低。 视频解码支持：m p e g 2 m p e g 4 h 2 6 4 音频解码支持：m p e g 1l a y e r si ，i ia n di i i ( 3 ) 2 0 ，m p e g - 4a a c l c5 1 等 压缩后码流速率：2 m b p s - - - 3 5 m b p s 增加信道编码，系统误比特率在1 0 。以下。 支持h d m i 和a v 接口 收、发端供电：1 2 v d c ，1 a 系统尽可能简单，功耗要低。 1 3 论文内容安排 根据上述的总体目标，论文的安排计划如下： 首先提出课题的解决方案，即论文的总体设计部分。该部分首先对前期系统进行简 要的介绍，并指出目前该系统存在的问题。然后根据这些问题，提出解决方案。 4 第一章绪论 第三章根据上面的解决方案，完成该系统的硬件设计部分，具体分析上章总体设计 框图中各个硬件模块，包括：电源、a v 编解码、f p g a 、接口部分等；挑选器件，并完 成系统的原理图绘制。 与硬件设计并行的是f p g a 部分的设计，也是本论文随后介绍的内容。首先简要介 绍了系统f p g a 的总体结构。然后重点介绍信道编解码、无线控制接口和h d m i 接口的 f p g a 设计和仿真。 最后，在前期系统平台上对课题设计的信道编码性能进行评估，并与前期系统的性 能进行对比，测试课题所设计的系统是否比前期系统在功能和性能上有所提高。 在论文的结束，论文将探讨目前设计的系统还存在的问题，指出以后工作的重心。 第二章系统方案设计 第二章系统方案设计 课题要针对前期无线a v 传输系统的不足进行改进。本章首先简单介绍了前期传输系统 的方案与不足，然后针对这些不足提出了课题的设计方案。 2 1 前期系统简介 前期系统立足于实现5 0 米范围内无线a v 信号的无差错传输。它采用了基于m p e g 2 压缩的专用集成芯片和无线扩频收发模块，实现了数字a v 信号的无线区域传输。前期 系统的总体结构如图2 1 所示： s 1 r l 图2 1 前期系统总体结构图 由上图所示，前期系统由影音发送端与接收端组成。发送端通过发送信号实现对多 个接收端的广播。其中，发送端s 1 是由视频、音频a d ，压缩编码和w l a n 收发器构 成。视频、音频a d 分别完成模拟信号到数字信号的转换，并形成标准格式的数字音、 视频信号。压缩编码模块对数字信号流进行压缩，并输出传输信号流。收发模块负责无 线信号的发送。 接收端r 1 和i 也分别可以在一定距离内接收信号。收发模块负责无线a v 信号的发 送与接收，并输出给解压缩模块。信号在解压缩之后分别由音、视频d a 模块转化为模 拟信号输出。 经实践证明，该方案是可行的，它可以满足区域无线监控、家庭图像、移动视频等 7 东南大学硕士学位论文 信号的传输，音视频压缩解压缩算法和数字图像处理技术能够有效减少视频传输带宽、 减少记录容量，有利于高质量的信号传输。 前期系统采用全数字方案，考虑到先进性和易于实现的目标，可以将前期系统总体 结构图细化为图2 2 所示： 如上所示，发送和接收端都可以分为以下五个部分：信号的a d 和d a ，压缩与解 压缩，数据处理模块，r f 收发器，和m p u 。各模块的介绍如下： a i d 、d a 部分完成模拟到数字和数字到模拟的转换。a d 将模拟a v 端口接收到 的信号转化为标准的数字格式。其中视频转化为c c i r6 5 6 格式的标准数字视频信号， 音频转化为2 0 b i t 右对齐的标准数字音频信号。接收端做相反处理。数字化后的信号更 容易处理和传输。但是在发送端a d 后，由于精度的限制，必然会带来画面色彩的损失。 在接收端d a 后，同样由于精度问题，会进一步导致信息的损失，从而不能满足高清的 要求。因此，单一的模拟接口的缺点暴露无遗。 由于a d 后的数据量非常大，故需要在发送端对数字信号进行压缩，相应的在接收 端进行解压缩。在发送端，压缩模块将输入的标准数字音视频压缩为适合传输的数据流 格式，一般选择t s 流，这种码流自身纠错能力强，更适合无线传输。由于前期系统只 第二章系统方案设计 支持m p e g 2 压缩，所以压缩后的数据速率为3 5 m b p s ，画面质量才能达到要求。由香 农定理可知，在有限的带宽资源中，高的数据传输速率必然使整个系统的系统增益降低， 同时也使信道编码受到限制，从而使系统的可靠性大大下降。因此，课题需要寻找更为 高效的数据压缩编码方式。 数据处理模块主要用于将压缩后的数据转化成适合r f 传输的码流。压缩后的数据为 3 5 m b p s 的t s 流，而r f 选择的是11 m b p s ，两者在时序和速率上都不匹配，需要数据处理 模块对数据进行时序的复接，在接收端需要进行解复接。 r f 模块完成数据的发送与接收，采用无线数字扩频技术实现区域传输。扩频传输具 有抗干扰、抗多径的优点，采用了d s s s 为扩频码。无线传输为分组突发模式。采用成 熟的8 0 2 1 l b 协议的w l a n 技术。因为它工作在i s m ( 2 4 gh z ) 公共频段，比较适合短距 离传输；它具有最大11 m b p s 的串行无线传输速率，适合宽带传输视频业务。 m p u 一般为单片机，负责协调和控制上述各个模块。 在前期系统的实际测试中，还发现了以下几个问题： 由于在整个系统中没有进行差错控制，导致系统经常出现马赛克现象和声音图 像不同步现象。同时也使a v 的有效传输距离受到限制。经测试表明：发送与接 收只要 = 1 0 m ，即无法正确接收a v 信号。 接收板体积过于庞大。发送端由于通常是接d v d 等信号源设备，体积对其影响 不大。但是接收端通常都是连接终端设备，如t v 等，体积太大，不容易放置， 也影响美观。客户要求最好能做成卡片形状的。 据上所述，前期系统存在着很多问题，不能在性能和功能上满足用户的需求。课题 的目标就是寻求一种改进措施，对上述方案进行修改，使之满足用户需求。 2 2 课题解决方案 根据前期系统中存在的种种问题，结合上一章背景中提到的各种新技术的发展，课 题提出了针对性的解决方案，并以接收端为例，给出了该方案中的各个模块的详细说明。 2 2 1 课题的详细设计目标 由以上前期系统出现的各种问题，结合用户的需求，课题提出了设计的详细目标如 下所示： ( 1 ) 完成接收板系统的硬件开发：由于问题主要出现在接收板，所以本课题的主 要目标也是在接收板。接收板的开发主要遵从如下原则： 为了m p e g 2 向h 2 6 4 平滑过渡，接收板最好支持m p e g 2 ，m p e g - 4 ， 9 东南大学硕士学位论文 h 2 6 4 三种压缩编码格式。 为了满足客户的需求，必须具有h d m i 口。 功耗必须要低，体积要尽可能小。 ( 2 ) 增加信道编码。信道编码可以有效的提高系统的可靠性，从而提高信号的传 输质量，增大信号的传输距离。课题计划采用交织加卷积码的编码方案。两种编码方式 的特点和作用将在第三章做介绍。 ( 3 ) 完成发送和接收的收发联调。接收板系统开发完毕后，要对其进行单板调试 和收发联调。单板调试比较简单，即一般的硬件系统调试。收发联调时，由于发送板支 持m p e g 2 ，接收板支持m p e g 2 ，m p e g 4 ，h 2 6 4 ，所以课题计划采用收发都支持的 m p e g 2 编码对整个系统进行调试。如果调试成功，说明接收板工作正常。 2 2 2 课题的解决方案 结合课题的设计目标和前期系统的设计方案，课题的设计可以分为6 个模块：数据 输入输出模块，压缩解压缩模块、信道编解码模块、数据处理模块、射频模块和m p u 。 数据输入输出模块中，输入模块应该包括h d m i 输入和模拟a v 输入。h d m i 为数 字接口，可直接输入压缩芯片进行压缩，a v 输入需要经过a d 后再输入压缩芯片进行 压缩。输出模块同样应该包括两种输出模式：h d m i 输出和a v 输出。 压缩解压缩模块必须支持m p e g 2 m p e g 4 h 2 6 4 三种编码方式。在发送端，它将 输入的标准数字音视频信号压缩为码流速率为1 5 m 3 5 m b p s 的数字码流。其中，如果 采用h 2 6 4 编码格式，1 5 m b p s 的速率即可满足高清的要求，m p e g 4 需要2 m b p s ， m p e g 2 需要3 5 m b p s 方可达高清要求。传输码流仍然选择t s 流。在接收端完成信号 的解码，将t s 解压缩为c c i r6 5 6 格式的数据流。 信道编码模块将输入的t s 流进行信道编码。以降低系统有效性为代价，提高系统 的可靠性。这个模块可有效解决前期系统中存在的马赛克现象，也可部分解决有效传输 距离不够的问题。在接收端完成相应的信道解码。 数据处理模块的作用和前期系统相同，主要完成数据时序的复接与解复接。但在器 件的选择上，本课题可以选择d s p 、c p l d 和f p g a 三种器件： ( 1 ) d s p 是一种专用于数字信号处理的微处理器。由于d s p 芯片采用哈佛结构、 具有专门的硬件乘法器、采用流水线操作和提供特殊的d s p 指令，因此可以用来快速 地实现各种数字信号处理算法，实时的对大量数据进行数字处理，具有速度快、精度高、 稳定性和可重复性好的特点。但其由于对时序电路支持不好，外围电路复杂，编程困难， 1 0 第二章系统方案设计 功耗大等问题，不能满足课题的设计要求j 。 ( 2 ) c p l d 是从p a l 和g a l 器件发展起来的。相对而言规模大，结构复杂，属于 大规模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。 它是由可编程逻辑宏单元( m c ，m a c r oc e l l ) 围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中 m c 结构较复杂，并具有复杂的i o 单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路 结构，完成一定的功能。由于c p l d 内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连， 所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、 适用范围宽的特点。但由于其触发器较少，不太适合时序电路的设计【9 j 。 ( 3 ) f p g a 是在c p l d 基础上发展起来的大规模通用集成电路。内部包括可配置 逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和 内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分构成。它含有丰富的寄存器和时钟资源，使复杂时序 电路的设计变的非常简单，并且它采用高速c h m o s 工艺，功耗非常低。这都符合课题 的设计要求，所以在课题中，选择f p g a 作为数据处理模块【8 】【9 1 。 射频模块和m p u 模块都采用前期系统中的原有模块。在背景介绍中可以了解到， 基于8 0 2 1l b 的无线传输仍是目前的主流。所以课题保留了前期系统中的射频模块。m p u 模块仍是负责控制和协调其他功能模块。 根据以上分析，可以画出课题的解决方案如图2 3 所示： i ! ! ! 厂一 i i c m p us p i 图2 3 课题的解决方案 东南大学硕士学位论文 与前期系统的解决方案相比，虚线框部分为修改部分，并增加了h d m i 接口。可以 看出，课题的设计方案是在前期方案的基础上，结合前期系统的不足而改进的解决方案。 上述框图给出了系统各个模块的相互连接关系。为了提高器件的利用率，同时也为 了减小接收端电路的复杂性，课题需要对上述框图进行合并。 首先，在上述框图中，f p g a 中完成了信道的复接与解复接。这对目前功能越来越 强大的f p g a 芯片来说，非常浪费。因此，可以考虑把一些模块放到f p g a 里来做。一 方面可以提高f p g a 的利用率；另一方面，还可以有效减小接收板电路的面积。 由于单片机只是完成了对主要芯片的控制功能，完全可以将单片机舍去，其控制功 能由f p g a 来实现；信道编码由于与f p g a 解复接后的信号联系紧密，也可以放到f p g a 里面来做。这样f p g a 在本系统中就扮演了三种角色：解复接、信道解码、和控制功能。 接收板化简后的框图如下图所示： s p i r e c e i v e r1 2 。l 。 h d m i 数字输出、l r j 模拟攀丁蔷 卜- - i 叶币毗羽，a 模拟a u d i o 音频d a i 石磊风订 哪cffl 6 1 5 。r h 4 脚2 6 4 盼m p 2 e 的g 。偿 ：音娃 i 酬竺竺竺竺i i 固懂阃j 画i | 至i i 收发器 图2 4 合并后课题解决方案 如图所示，合并后的解决方案有四个模块构成：射频模块，f p g a 模块，解压缩模 块，和接口模块。它们和电源模块一起构成了整个系统。各个模块的具体设计详见第三 章和第四章。 2 3 本章小结 本章简要介绍了前期系统的各个模块，并分析了其在功能和性能上的不足。在此基 础上提出了课题的详细解决方案，并对该解决方案进行合并，提出了课题的最终解决方 案。由该方案可以看出，硬件设计和f p g a 设计将是课题设计的重点。 1 2 第三章系统硬件设训 第三童系统硬件设计 根据上章设计的方案，本章详细给出了各个模块的硬件设计。包括各个模块功能的详细 介绍、核心芯片的选择和硬件电路的实现。 3 1 硬件系统的主要模块 在第二章的图2 4 中，详细给出了课题的总体方案。根据上面的分析，该系统的硬 件系统可以分为以下5 大模块：射频模块、f p g a 模块、a v 编解码模块、接口模块和 电源模块。 射频模块主要完成无线a v 信号的收发。根据前面的介绍，前期系统的r f 模块能 够满足课题设计的目标，所以该模块还采用前期系统中的射频模块。 f p g a 模块是本课题的核心，主要完成信道编解码、复接解复接和控制的主要功能。 该部分设计的主要任务是：寻找满足需求的f p g a 芯片；完成与其他模块之间的硬件连 接：编写f p g a 程序实现f p g a 芯片的主要功能。 a v 编解码模块主要完成音视频的解码工作。由于要求其支持m p e g 2 m p e g 4 h 2 6 4 ，所以要选择合适的芯片，完成该模块与其他模块之间的连接，并完成该模块辅 助电路的设计等。 接口模块主要包括h d m i 接口和a v 接口。其中h d m i 接e l 要求选择合适的h d m i 接口芯片。而a v 接口由于输出模拟信号，故需要有d a 电路。 电源模块主要完成各个功能模块的供电。由于本课题设计的原则是尽可能小，尽可 能简单，所以本课题的电源模块设计应该比较简单。下面将对各个模块进行详细介绍： 3 2 射频模块设计 该模块采用前期系统中的射频模块，主要完成射频信号的发送和接收。本节介绍了该模 块的构成。同时，为了方便下章射频部分的f p g a 设计，本节又简单介绍了该模块的发送与 接收的时序。 3 2 1 射频模块结构 该模块由r f 2 9 5 8 与r f 3 0 0 2 构成。其完整的系统框图如图3 1 所示【10 1 。r f 3 0 0 2 是 完整的基带调制扩频芯片，可以采用p s k 、c c k 调制。r f 3 0 0 2 能实现数字信号无线 传输时的必要的调制功能，并有长达6 4 位p n 码处理增益。它的结构使用户能方便的设 置调制类型。当工作在8 0 2 11 b 模式下时，r f 3 0 0 2 处理模块包括：帧头的产生和提取： 东南大学硕士学位论文 自动增益控制；空信道切入；天线分集；在高速数据速率下对多路信号插入均衡器。 通过s pi 控制口设置r f 3 0 0 2 寄存器参数。同时通过三根信号线设置r f 2 9 5 8 芯片 的参数控制。 图3 1r f m d 2 4 g h zw l a n 框图 该模块的p r o t e l 原理图见附录中的图l 和图2 。 3 2 2 发送与接收时序 收发通信模式可以采用i e e e 8 0 2 1 l b 收发模式和非i e e e 8 0 2 1 1 b 传输模式。本系统 设计采用前者。收发工作具体由输入信号t x p e 和r x p e 进行控制。具体如表3 。1 所示： 表3 1 收发工作传输模式 t xp e r xp e 操作 o0 待机状态 o1 r x 为高时，c c a 有效 l0 t x 为高时，启动传输，c c a 无效 ll 保留状态 1 4 第三章系统硬件设计 发送时，t x p e 置高使发射机开始工作( 注意：传送优先于接收) 。当t x p e 是高的时 候，l n ag s 信号将会是置低。t xr d y 输出指出r f 3 0 0 2 预备传送数据。被传输的数据 经过t x d a t a 输入，进入i 讧3 0 0 2 被时钟d a t ac l k 锁存。 r x p e 置高使接收机开始工作，接收数据就绪( r xr d y ) 信号指出接收数据是即将来 临。r f 3 0 0 2 产生接收数据时钟，输出接收到的数据，经过r xd a t a 输出。接收机部 分也提供一个清除信道信号( c c a ) 给m a c 。 同时r f 3 0 0 2 支持e e e 8 0 2 1 1 b 中所定义的可选择的短前同步码和短报头格式。发送 和接收端的工作速率选择模式如下表：( 即串行数据收发时钟) 。 表3 2 工作速率选择设置表 i e e e 8 0 2 1 1d s s s 模式 模式字节值( 1 6 进制) 1m b p sd b p s kl o n gp r e a m b l e0 x 0 0 1m b p sd b p s ks h o r tp r e a m b l e0 x 1 0 2 m b p sd q p s kl o n gp r e a m b l e 0 x 2 0 2 m b p sd q p s k s h o r tp r e a m b l e0 x 3 0 5 5 m b p sc c kl o n gp r e a m b l e 0 x 4 0 5 5 m b p sc c ks h o r tp r e a m b l e 0 x 5 0 1 1m b p sc c kl o n gp r e a m b l e0 x 6 0 1 1m b p sc c ks h o r tp r e a m b