2.4G倒车视频监控发射器的设计与研究

题目：2.4G倒车视频监控发射器的设计与研究II页第1章绪论1.1课题研究的背景查询了解视频监控发射器领域的类似文献，以及国内外的一些科学研究成果。关于倒车辅助系统的相关文献和期刊。2.4G倒车视频监控发射器在很早就有了应用，关于发射器应用领域非常广泛，现在家家户户几乎没有家里不存在使用发射器的情况，例如WiFi发射器、音频发射器、视频发射器等。此次课题主要研究的就是名为2.4G倒车视频监控发射器的视频发射器，此装置在汽车上有着举足轻重的作用。汽车到现在可以说是没人不知道的东西，自从发明了第一款人类汽车以来，全球汽车产业大约历经了近124年的发展，现代汽车产业已经变得非常成熟应用十分广泛。汽车已经渗透到国防建设，国民经济和人类生活等各个领域，已成为人类生存的重要交通工具，在人类生存和社会发展中发挥了重要作用。汽车是人们生活代步中十分重要的一部分，为人们提供了便利和速度，但存在许多问题。例如，越来越多的汽车在道路上使用空间越来越小，初学者也越来越多，由此产生的摩擦事故也越来越大，因此纠纷也越来越多。非问题逆转逐渐成为一个问题。所有车辆都有后视镜，但后视镜是不可避免的。倒车影像发送器可使驾驶员在一定程度上消除盲点和模糊区域，提高驾驶安全性，降低驾驶安全性并减少摩擦事件。因此，开发了倒车视频监控系统，以帮助驾驶员减少安全事故的发生并提高驾驶流畅度，倒车视频监控发射器由此产生。1.2课题研究的意义最早类似倒车视频发射器装置在20年前就在国外出现了，那时采用的时红外线的发射与接收原理做出的简化倒车装置。由于红外装置稳定性不好，容易受到外界干扰，如雨雪天或者淤泥覆盖，故难以发展下去。国内也有类似的语音提示，比如当时的电动三轮车上倒车时就会提醒“倒车，请注意！”的声音。这算是倒车监控器最早的元老级产品，目前几乎已经绝迹。关于2.4G倒车视频监控发射器早在商用车之中普及，那时候很多大型汽车就装有倒车监控，能够帮助驾驶人员清楚的了解车后的情况。但是由于当时摄像头体积过大，车载显示器也不足够清晰且占空间，所以几乎没有在小型汽车上实现。倒车辅助系统发展到现在想必人人都使用或是看到过了，在所有车辆上几乎通用。该系统用3种颜色进行颜色警示驾驶员：显示绿色则视为安全距离，表示障碍物距离车身超过0.8m。黄色则视为警告距离，到障碍物的距离只有0.6-0.8米。红色表示危险距离，到障碍物的距离小于0.6米。在国外此项技术又有了新的突破，用户只需要一个和车牌一样大小的框架扣在车牌上，里面安装了微型高清摄像头和蓝牙，用户通过手机连接只需将手机放在能看见的地方，就能时时刻刻关注车后的情况，当有障碍物或者其他车辆近入警戒距离内时手机便会自动报警提醒。但就目前市场普遍的倒车视频监控多半都是安装的后置车载摄像头，所以当遇到雨雪天，或者路过泥泞路摄像头很容易被遮挡，从而影响视线。所以发射器的存在搭配接收器和显示器能很好的解决倒车的视野盲区问题，消除诸多安全隐患，在保障安全方面有很重要的意义。1.3研究的基本内容车辆尾部是驾驶员视线盲区，本课题要求设计一个倒车辅助无线视频监控发射器。通过2.4G无线频段传输信号，采用广角摄像头，可利用模拟调制方式传输，发射距离约2米，直流供电方式，电源波动和浪涌应不影响正常工作，不产生传导干扰，载频稳定无飘移。1.4研究的方法设计一个倒车视频监控发射器通过2.4G无线频段传输信号，采用广角摄像头，可利用模拟调制方式传输，发射距离约2米，直流供电方式，电源波动和浪涌应不影响正常工作，不产生传导干扰，载频稳定无飘移。能够通过摄像头将倒车时采集的实时路况发射到接收器，在显示器上无延时的显示出来。以保障汽车司机能够在倒车途中根据车载显示器确切清楚地观察到车辆周围的路况信息，能够识别汽车的当前方位以及判断下一步行进方向。

第2章方案确定2.1模拟方案和数字方案的对比2.4GHz的无线视频信号传输，其信号传输的种类大体可分为两类，其分为模拟信号传输和数字信号传输。1.使用数字传输的方式就必须依赖数字传输芯片，无线信号传输的性能的强弱主要是由无线芯片的种类决定。若使用数字无线通信芯片的话，就必须把锁相环，振荡器，滤波器等功能器件都在一个芯片上集成，这样更方便设计和调试。集成性能增强的一个显著的优点就是可以大大减小发射电路的复杂度以及电路板的大小，能实现更好的信号传输。2.采用数字传输方案在许多方面都存在着优势，例如体积上相比模拟传输方案可以大大缩小、在工作性能稳定方面也相对模拟信号存在着很多优点。但是在信号传输的速度上却存在着很大的提升空间。下面表2-1展示出了几款现在此领域比较大众的无线芯片的传输速度的对比。表2-1无线传输速度对比芯片型号传输速度封装公司NRF905100kbps5*5mmNordicNRF24011Mbps5*5mmNordicCC11001Mbps4*4mmTI2.2调制方面改变基带信号使与载波频率之间的变化使其相同而实现调制过程称为调频。频率调制相比于幅度调制存在许多有点例如:1.通过对幅度的限制能有效的消除调幅噪声，对于抗干扰性有很大的提升;2.预加重提高了发射机发射信号中的高频分量所占的比重，去加重衰减了接收机端的频率分量，提高了接收端的信噪比;3.调频信号不像调幅信号那样有调制包络，所以不需要A类线性放大器，与之相反的是，不论是在信号位于哪一频段，它对C类放大器都有很大的利用效率;4.若是使用低电平信号调制，发射机工作几乎用不到基带信号功率，因此其使用效率更高。了解了海内外其它类似的项目和方案，在无线视频发射器信号传播中，使用频率调制的方法非常完善，因此在信号调制方面，本次设计方案基本都采用了频率调制模式。2.3整体方案结构框图图2-1方案结构框图综上，我们要设计工作在2.4GHz的视频发射机，要求发射模块能产生出稳定且频率高的载波，使用频率调制技术，且同时必须满足有较高的信噪比才能实现车载视频信号的无线传输。图2-1给出了设计的2.4G无线视频发射器的设计结构框图。框图中箭头的指向为信号的流向，PAL制式视频信号由左侧输入，通过锁相环频率合成加载到2.4GHz载波上，经过第一级射频放大器放大之后，再通过天线发射出调制完善的信号。上图锁相环频率合成单元是此结构中最核心的部分，我们采用的是频率综合芯片ML145152，与Motorola公司生产的分频芯片MC12022以及Maxim公司生产的压控振荡器MAX2754构成这部分单元电路。本论文后半对此电路的设计方法以及其实现功能也做了比较详细的分析和讨论。

第3章硬件电路的设计与实验3.1设计原理系统线路设计包括2个方面:对广角摄像头采集到的路况视频信息进行处理。对处理好的信号使用2.4G无线信号传输发射。汽车车尾放至摄像头摄录图像信息，首先通过广角摄像头对路况进行采集，再由车载无线视频发射器对采集并处理后的信息发射到接收器上。视频采集和视频处理部分的主要功能是将摄像机收集到的模拟视频信号转换为简洁的数字信号，对信号进行优化和处理，然后对2.4G频率进行调制并通过天线传输。视频信号收集和信号处理部分使用的芯片是DEC-2102，DEC-2102芯片可以将模拟信号作为电路的设置开关设置为数字信号转换器，并将模拟视频信号转换为CVBS，Y/C，YUV等格式可以将SMPTE，SDI数字视频信号输出到259M-C芯片。处理后的输出视频通过外部缓冲区FIFO直接输入到ARM9S3C2410，以处理整个系统数据。中断请求模式用于完成数据收集和程序访问，同时初始化A/D转换芯片并通过I2C总线控制操作状态和操作模式。在系统工作过程中，每个组件的逻辑和时序控制都由芯片XC2S50E完成，该芯片控制中断请求和一些芯片选择信号。在图像压缩芯片的接口控制中，XC2S50E芯片主要完成地址生成，握手逻辑和时序控制等功能。当检测到从DEC-2102芯片输出的奇偶校验同步标志信号（RTS0）为高电平时，将其用作数据获取过程的定时的起点，输出采样使能信号和地址选通信号，并在接收到像素延迟结束信号时同时，产生相应的写地址和写信号。初始化XC2S50E时，将DONE设置为低电平，而当清除存储器时，将INIT设置为低电平以重置PROGRAM并输入数据流。当芯片XC2S50E从ARM9S3C2410数据采集接收到有效信号时，芯片XC2S50E控制A/D芯片开始采样。帧数据收集和压缩完成后，中断请求信号将发送到ARM9S3C2410，并等待响应。在处理器对系统数据进行处理后，将数据发送到调制和发送部分，并在芯片FS8170处理之后，将信号调制到2.4GHz频带，然后再通过天线发送至接收器。为了使发射出来的信号频率保持相对稳固，由LC振荡器和两个倍频电路组成的载波频率振荡器，末级电路射频输出放大器具有调制和放大的功能。经过低通滤波抑制后的视频信号受到频带外干扰后，让载波信号经过调制级进行调频。环路滤波器的设计有两个方面的问题需要考虑，相位的返回量以及环路的增益。在PLL电路中，因为是对输出信号以及控制频率VOC的相位进行比较，所以，总体上由于积分特性而产生的一次相位滞后，即相位滞后90°。所以，对于鉴相器、VCO、分频器等90°滞后特性的电路，再与有相位滞后的环.路滤波器进行组合，总的相位滞后接近180°。若PLL电路工作从稳定状态变为不稳定的状态，则说明其满足了振荡条件。所以在进行PLL电路设计时，除环路滤波器外，对鉴相器、VCO和分频器等的频率特性进行求值。然后根据此类频率特性分析并且需要设计出稳定的环路滤波器的频率特性值，能够计算出环路滤波器的常数值。如图3-1所示为发射器的电路原理图。三极管的超高频率T1接成考毕兹振荡电路，调谐回路为分别设为L1和C2，计算出振荡频率=1/2π。构成两倍频率电路的T2，射频放大过程也称之为倍频，其不同的是此放大器负载回路于振荡器的输出频率f1无法产生谐振，而却能谐振于2f1。其次L2和T3输入电容以及T2集电极分布电容共同组成此谐振回路。由于三极管存在误差即使是同型号也无法避免，再加上印制板中电容的分布，使其存在更大的离散性，为了使其能够谐振于2此时则需要调整L2的匝数。为了提高稳定性，电路三只电感线圈都采用中0.7m漆包线，在中3mm的圆棒上有序的绕成中空的空芯线圈，L1、L2绕好后脱胎拉成3mm长，L3长度为2mm。2.4G监控视频发射器中元器件的排布和电路板的布线。为了能满足信号发射更好效果，且又不会因为铜箔面积大导致信号干扰，所以印制板中存在大面积接地的部分开口了许多0.2mm的左右大小的小孔，使其呈网状结构，能够很大程度上减少其对射频信号的影响。电路调整。让T1最先接电振荡起来，为R2和C3选择合适的数值，然后用高阻的电压表测试T1的e到b极是否存在反偏从而能够判断出电路起振的状态。再使用电压表检测R6两端电压从而改变L2的数值与其对应，根据电压状态从而能够检测出是否谐振于2f1，若要其协整于2f1则需要改变L2的匝数。L3调整与L2相同。调试结束后可以用随意一个TV接收器来测试。如果与当时的TV频道重合，则需改变C2值避免与电视台信号重合，改变f1的大小后需要再次更改L2、L3的值并时刻观察f1频率变化。连入广角摄像头之后，进行适当的调整，能够得知发射器的最大工作电流大约是200mA。T1、T2是进口的超高频率的三极管，在类似的发射器上也能见到，改变三极管时应当留意≥4GHz;2N3866是小功率超高频率发射器三极管的型号，其中Icw>0.4A，在400MHz以下可输出1W以上功率:BFR91可用BFR92/93/96或国产2G913C代换;2N3866可用BFR97、国产3DA21B/C代换。由于T3频率特性的限制，发射频率最好选择在21~25(国内13~17频道)频道之内。随着电路工作发射频率的增大，反之T3的输出功率会有适当的减小，与此同时其功率的损耗值将会增大。图3-1发射器模块框图3.2发射器电路原理图电路原理图如图3-2所示，其中MGA83563芯片是电路中的功率放大器，芯片ML145152为电路的频率合成器，采用芯片MAX2754作为电路的压控振荡器，采用MC12022芯片作为电路的前置预分频芯片，电路中环路滤波器则是由芯片LM358和阻容成比例积分的低通滤波器组合构成。图3-2发射器电路原理图3.3电路版图下图为PCB版图，为了满足车载需求必须考虑发射器的体积，所以对芯片电路等进行了进一步的压缩处理。根据设计要求电源需9-12V，电路中的模拟部分和数字部分分隔开能够有效的避免电磁干扰，最后在末端电源处将模拟部分和数字部分连接在一起。图3-3发射器电路版图3.4鉴相器若要检测两个输入信号的相位差值则离不开鉴相器，它也能够把模拟信号和数字信号的相位差转化为电压输出。本次设计的电路中，使用ML145152的频率合成器来完成鉴相器的功能。ML145152芯片不仅有频率合成器的功能，其中还集成上了分频器的功能。ML145152是Lansdale生产的大规模集成电路，它使用半行代码，设置了输入模式，并使用14个并行输入数据对双模式CMOS-LSI锁相环的频率合成器进行了编程，其内部结构框图如下。如下图所示。该芯片包括一个参考频率振荡器以及一个用户可自由选的参考分频器（12X8ROM参考解码器和12位R计数器），双路输出鉴相器，控制逻辑，10位可编程N计数器，6位A计数器，外部双模式预分频器以及模拟控制逻辑一起构成了吞咽脉冲程序分频器，可以得知吞咽脉冲其程序分频器的总的分频器系数为:D=NP+A。N计算器预置值在图中N表示，相同的A计数器的预置值下图用A表示，该芯片工作的前置预分频芯片的分频系数能够确定p的数值。ML145152的供电电压为3.0V-9.0V，采用28脚SOG封装，尺寸大小为17.8*10.0mm。图3-4ML145152的芯片结构框图ML145152具有以下特点：公式为P/（P+1）的双模式分频器与ML145152芯片配合使用，并具有双模式频率为MC的控制输出。当MC的数值较低时，双模分频器则会被模数P去除。有两个计数器：A计数器和N计数器。这些和双模式为P/（P+1）的总分配器的频率值为（NP+A）。其中，可以预设A和N计数器。N的取值范围是3到1023，A的取值范围是0到63。在A计数器计数期间MC为低电平，在N计数器计数（N-A）过程中MC为高电平。其中一个可以连接到晶体振荡器的参考振荡器。另一个用于对参考振荡器进行分频的R计数器，可以预先设置R计数器，其参考地址码与分频系数的关系见表3-3所示。各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。表3-1参考地址码与总参考分频系数的关系参考地址码分频系数RA2RA1RA0000800164010128011256100512101102411011601112048设和为两个相位检测信号用于输出相位检测误差信号。1.当>或的相位超前时，。变低而仍然高。2.如果<或的相位在之前，则降低并且保持高电平。3.如果=或与同相的，则和在短时间内保持高电平且仅保持低电平。LD用于输出锁相信号。当环路被锁定时（即，处于相同的频率相位），该信号为高；而当环路被解锁时，LD为低。ML145152的工作原理如下:参考振荡器信号（来自外部晶体振荡器）被分为R个分频器以形成频率。压控振荡器信号（）由双模P/（P+1）分频器分频，然后由A和N计数器分频，从而形成信号=/（NP+A）。信号和信号由相位检测器进行相位检测（请参见图8中的相位检测器）。使用低通滤波器对输出误差信号（，）进行滤波以形成DC信号，然后将DC信号用于控制压控振荡器的输出。不同的振动频率。当整个环路锁定后，=且同相，且满足=(NP+A)=(NP+A)这时压控振荡器输出的频率与基准频率具有同样稳定度和准确度。在5V供电，输入1Vp-p正弦信号，可变分频系数R>8、A>0、N>8，温度25C时，ML145152最大输入频率为20MHz，所以必须先用高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由ML145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，才能进行鉴相。预分频器选用MOTOROLA公司生产1.1GHz低压双模前置分频器MC12022LVA，它可实现(64/65)以及(128/129)两种模式的分频，我们选用的是128/129分频模式。它的供电电压为2.7V~5.0V，封装形式为sO-8，尺寸大小仅为5.0x6.2mm。3.5功率放大电路我将AVAGO的MGA83563芯片作为功率放大器的功能，500MH到6000MHz为芯片MGA83563设计应用中的​输出级。芯片MGA83563工作模式设定为饱和工作模式，工作电压为+3V的大信号，足以发出+22dBm(I58mW)的功率效率，能在满足尺寸要求的情况下提供.大的功率输出，放大器的输出阻抗匹配在509，受芯片接口的频率响应限制，它只能应用在500MHz以上。MGA83563采用超小型SOT-363(SC-70)封装，有利于我们实现电路的小型化，能大大减小电路板的空间占有率，并且微小的电器元件更加稳定集成度更高，能够有效的降低电路设计的复杂性。图3-5MGA83563简化结构及管脚分布由MGA83563的简化结构图可以看出该功率放大集成电路包括了两级放大。按照芯片手册提供的数据，其外围电路的设计过程分为四个步骤:级间电感的选择;偏置连接;输出匹配和输入匹配。本章按这四个步骤分节，详细阐述该芯片外围电路的设计过程。3.6偏置连接MGA83563芯片上面整合了部分偏置电路和射频阻抗，其大大降低了电路的设计难度以及降低了电路的复杂程度。当设计外围电路的时候应该最先选择级间电感Lz和电源Va通过电感L2链接到第一级FET的漏极，电感另一端供电端通过一个旁路电容接地，这个电感存在的主要作用则是完成第一级和第二级FET之间的阻抗的匹配。图3-6极间电感示意图MGA83563芯片的工作的频率​能够完全决定电感线圈L2的取值，印制电路板材料、厚度和射频电路的版面设计与它的值也息息相关，通过参考芯片手册，我们选.择电感L2的值为8.2nH，以适合2.4GHz的设计频率。3.7电路的装配图3-6为电路装配的实物图，因为使用的是MGA83563的形式封装，所以会存在电路发热严重的情况，为了有效的解决散热问题，则采用的板材为1mm厚多孔电路板，能有效的解决发热问题。使用此电路板还能与元器件的热膨胀系数很好的相匹配，能有效地减少热循环周期，大大降低焊点老化脱落的风险。因为发射的为高频信号即对电感的要求很高，所以我们选择绕线电感能满足高频信号发射条件。为了减小电路版尺寸方便车载使用，采用贴片封装的贴片元件。发射器的天线，使用的是50Ω的同轴电缆芯线制作单匝环型弱方位性发射天线，它能满足阻抗匹配且质量轻，能满足车载且不影响正常使用。图3-7电路板实物图

第4章总结与展望4.1总结关于本次设计“2.4G倒车视频监控发射器的研究设计”可以衍生出这样一个系统，这也是目前市场上普遍适用的装置。而此次设计的硬件可以说是其中之一，也可以视为核心。这次发射器的设计不仅仅在车载领域有着重要意义，还在发射器的发展方面有不小的总结。倒车视频发射器组成的倒车辅助系统能在左，右出行所引起的问题，并帮助驾驶员克服盲点和视力模糊缺陷，驾驶提高安全性。本次设计的发射器具有传输信号强，不失真频率稳定以及低功耗等特性，可以搭载在各种型号的汽车上也能用在其他视频监控等方面。论文中也清楚的说明了此次设计的功能，它能够配合一个广角摄像头再采用一个2.4GHz的视频信号接收器就能够实现视频传输，若接入一个显示器则能够组成一个完整的车载倒车辅助系统。该发射器虽然有体积小，重量轻，频率稳定不失真等有点，并且能够应用在车上在倒车时对驾驶员有着很好的辅助功效，有效的降低倒车带来的损失。回顾设计的发射器其实仍然存在许多不足例如：1.许多芯片以及器件的参数做的还是不够完善，例如环路滤波器的参数也还欠缺优化。2.电路部分元器件的概率以及发射机的效率还有待提高，部分阻抗匹配也需要完善。3.电路板取材需要改进，应当取用更薄的电路板，能够有效的降低电路芯片的发热情况，延长硬件的寿命，以及工作的稳定和时长。4.芯片方面也有待精进，应该广搜索市场上更高效率的芯片，使电路集成度更高硬件更加完善。4.2展望21世纪社会和科技日渐的发展与进步，就一个发射器来说可谓是研究不断深入，从2001年，JoelMGrasmeyer研究出了“黑寡妇”的图像无线传输系统。实现3-4k的传输距离。2003年，美国加州伯克利分校研制BEAR叫装载两台嵌入式计算机，采用2.4GHz无线传输图像。2006年，TimothyKinkaid在其博士论文印中讨论了一种新型的无线图像传输系统，发射频率2.4GHz，功耗50mW，全向天线。该系统借助地面的软件解决了微型飞行器飞行过程中的不稳定而导致图像信号不稳定的难题。国内无线传输早在20多年前就开始发展了2001年，清华大学研究了微型飞行器机载摄像与无线传输系统，该系统采用了1.3GHz发射频率，有效传输半径为0.5-1km。清华大学对该系统进行了完善以，采用2.4GHz调频发射，带宽10MHz，输出功率12dBm，传输距离为1km。2004年，清华大学研制了工作在1.18-1.45GHz频段的调频发射模拟无线图像传输系统，并申请了国家发明专利。2004年，浙江大学在对微型无人自主直升机目标识别系统中，采用了台湾百特的图像无线传输套件问，2.4GHz调频发射，但体积较大，传输距离短，整个系统过于复杂，不能满足便携性的需要。不难看出发射器的发展进步还是十分迅速的，到目前为止可以说没有哪一辆汽车没有安装倒车视频监控发射器了。曾经倒车时喇叭会响起：“倒车注意”！许多人仍没有忘记这是倒车雷达的最早产品，到日前为止仅少量商用车仍在使用。只要车辆开始倒车行驶，车内便会自动响起这个警示。可以说是发展迅猛，以上的产品无一不用到发射器。展望未来我相信基于2.4G倒车视频监控发射器会有更加迅猛的发展，今后我们每个人都会在身边或多或少的用到它。它带给我们的便捷是十分可观的。

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