方良

（北京化工大學 信息科學與技術(shù)學院，北京 100029）

基于Zedboard和軟件無線電的視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

方良

（北京化工大學 信息科學與技術(shù)學院，北京 100029）

針對當前LTE技術(shù)和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，利用Zedboard開發(fā)板和AD9361無線收發(fā)器搭建了軟件無線電硬件平臺，設(shè)計了基于FDD-LTE的點對點無線視頻傳輸系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了相關(guān)測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠可靠的傳輸視頻數(shù)據(jù)。

Zedboard；AD9361；軟件無線電；LTE

近年來，通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長十分迅速，移動智能終端的不斷普及，當前的3G移動通信很難再滿足需求，隨之出現(xiàn)了以O(shè)FDM[1-3]和MIMO[5-8]為核心的新一代通信技術(shù)，如LTE、Wimax等。LTE（Long Term Evolution，長期演進)是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標準的長期演進，LTE技術(shù)的核心是OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)，這兩項關(guān)鍵技術(shù)的引進顯著提高了系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)的傳輸速率。

軟件無線電顧名思義就是在通用硬件平臺上使用現(xiàn)代化自定義軟件來操控系統(tǒng)。其最大的優(yōu)勢在于不改變通用的硬件平臺，直接對軟件系統(tǒng)編程就可以修改系統(tǒng)的帶寬，工作模式，編碼類型等。目前的軟件無線電平臺是基于PC和Windows系統(tǒng)的架構(gòu)，不能保證系統(tǒng)的實時性和移動性，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于龐大，功耗高，只能進行實驗室研究不利于實際應(yīng)用。

隨著通信終端的不斷普及，小型化，低成本，低功耗，高集成度的軟件無線電是未來無線通信終端的發(fā)展趨勢。為此，這里利用LTE技術(shù)更高的頻譜利用率，峰值速率以及軟件無線電技術(shù)的靈活性，在Zedboard開發(fā)板和AD9361無線收發(fā)器的軟件無線電平臺上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于FDD-LTE的點對點無線視頻傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 硬件架構(gòu)

Zedboard[9]平臺采用的是XC7Z020CLG484為主芯片的嵌入式開發(fā)平臺。這個芯片是Xilinx公司推出的Zynq-7000[4]系列芯片，最大的特點是FPGA+ARM架構(gòu)。Zynq內(nèi)部的FPGA和ARM之間通過AXI總線完成數(shù)據(jù)通信，經(jīng)過FPGA側(cè)處理完成的數(shù)據(jù)最后都要通過AXI總線與ARM通信。一般硬件平臺的設(shè)計往往因為對硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不了解和復(fù)雜的開發(fā)流程導(dǎo)致開發(fā)的難度增大，以FPGA[12-14]為核心的硬件平臺不用考慮硬件實現(xiàn)的細節(jié)，需要關(guān)心的是如何編寫出高效的算法和技術(shù)的開發(fā)上。采用FPGA還有一個好處是靈活性強，可以實現(xiàn)任何的數(shù)字電路，可以定制任何各種電路，在開發(fā)的過程中可以根據(jù)需求進行實時的修改，這是一般硬件設(shè)計所不能比的。另外，F(xiàn)PGA+ARM的架構(gòu)借助FPGA強大的并行處理能力可以開發(fā)出靈活的通信算法庫。

AD9361[10]無線收發(fā)器是ADI公司開發(fā)的一款高性能無線收發(fā)器，AD9361支持FDD和TDD工作模式，系統(tǒng)工作的最大帶寬高達56 MHz，支持2*2MIMO收發(fā)。其工作頻率在70 MHz~6 GHz，同時提供了標準的FMC接口，實現(xiàn)與Zedboard的無縫連接。

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

軟件無線電系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，圖1（a）和圖1（b）分別表示系統(tǒng)的發(fā)送鏈路和接收鏈路。發(fā)送鏈路包含攝像頭，視頻編碼器，Zedboard和AD9361，視頻編碼器通過網(wǎng)口與Zedboard相連接，Zedboard和AD9361通過FMC接口連接。接收鏈路包含Zedboard，AD9361，視頻解碼器和顯示器，其中每個模塊之間的連接與發(fā)送鏈路一致。Zedboard內(nèi)部包含上層應(yīng)用控制程序和底層基帶程序，主要完成數(shù)據(jù)的基帶處理，AD9361完成數(shù)據(jù)在數(shù)字和模擬之間的轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)-發(fā)送和接收

在發(fā)射端，攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)通過視頻編碼器進行視頻編碼，編碼后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口送入Zedboard硬件平臺做基帶數(shù)據(jù)處理，處理完成后的數(shù)據(jù)，通過AD9361射頻模塊把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號由天線發(fā)送出去。在接收端，信號由天線接收，通過AD9361射頻模塊把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入到Zedboard硬件平臺做基帶數(shù)據(jù)逆處理，然后通過網(wǎng)口輸出到視頻解碼器解碼視頻數(shù)據(jù)，最終可以在顯示器上看到解碼出來的實時視頻。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基帶系統(tǒng)設(shè)計

采用的基帶系統(tǒng)基于FDD-LTE設(shè)計，具體實現(xiàn)如圖2所示，LTE系統(tǒng)在下行方向上采用OFDM的多址方式，采用OFDM的好處是能夠抵抗多徑效應(yīng)和提高系統(tǒng)的頻譜利用率。OFDM的原理是將信道頻帶分成N個子信道，這樣可以把高速的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的低速數(shù)據(jù)流，然后分別調(diào)制這N子載波上的數(shù)據(jù)并且同步傳輸這些數(shù)據(jù)。OFDM的一個最大的特點是N個子載波之間是正交的，也就是說相鄰子載波上的數(shù)據(jù)不會干擾。MIMO通過采用多發(fā)多收的形式，增強信道容量，增加信息傳輸?shù)目煽啃?，本系統(tǒng)采用2*2的MIMO，這樣設(shè)計在提高系統(tǒng)性能的同時讓系統(tǒng)的設(shè)計不過于復(fù)雜。需要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，先經(jīng)過QAM調(diào)制，然后經(jīng)過MIMO編碼，接著進行子載波映射，然后做一個IFFT的變換，把頻域的信號轉(zhuǎn)換成時域的信號，接著插入CP，目的是保護數(shù)據(jù)不受干擾。接收鏈路則是相反的過程。

圖2 基帶系統(tǒng)框圖

QAM調(diào)制模塊是通信系統(tǒng)中最常見的模塊，在OFDM系統(tǒng)中，子載波的調(diào)制方式采用 QPSK，16QAM。QPSK的好處是星座點之間的歐式距離較大，抗干擾能力強，缺點是每個資源粒子只能承載2 bit信息。16QAM可以彌補這一缺陷，它每個資源粒子能承載4 bit信息，所以調(diào)制速度是QPSK的兩倍。在實際使用中首先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4 bit一組的并行數(shù)據(jù)，然后每4 bit數(shù)據(jù)對應(yīng)一個星座點，16QAM星座點實部和虛部的取值從 0.316 2、-0.316 2、0.948 7和-0.948 7中選取。

MIMO[11]發(fā)射分集方案選擇SFBC編碼方案，對于2×2MIMO天線配置的場景而言，SFBC編碼方式如式（1）：

其中i表示時域發(fā)送序列的索引，x（k）代表SFBC編碼第k層的輸入數(shù)據(jù)，y（k）代表SFBC編碼第k層的輸出數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)收發(fā)鏈路設(shè)計為2層結(jié)構(gòu)，因此k的取值范圍為0或1。SFBC編碼器首先接收一組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)式（2）進行MIMO空時預(yù)編碼。

其中x0，x1表示第一層和第二層的數(shù)據(jù)，x*0，x*1表示x0，x1的共軛。

SFBC編碼的正交性體現(xiàn)在：

其中XH表示X的共軛轉(zhuǎn)置。

設(shè)計的系統(tǒng)的帶寬是10 Mhz，系統(tǒng)的采樣頻率是15.36 MHz，子載波的數(shù)目是600個，那么IFFT的點數(shù)是1 024點。首先把從網(wǎng)口讀取到的600個數(shù)據(jù)點存入到FIFO，然后通過LTE標準協(xié)議進行數(shù)據(jù)點的映射，沒有數(shù)據(jù)的位置用0來填充，接著做1 024個點的IFFT的變換，把頻域的數(shù)據(jù)變換到時域，此時得到的數(shù)據(jù)就是一個OFDM符號，7個OFDM符號組成一個時隙，20個時隙組成一個無線幀。

2.2 上層控制系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)接口的需求來完成的，硬件上的數(shù)據(jù)流外部輸入輸出的接口采用的是以太網(wǎng)口，軟件系統(tǒng)需要做的工作就是把攝像頭采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)口，這樣硬件系統(tǒng)才能對這些視頻數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理。

Xilinx的軟件開發(fā)平臺為嵌入式開發(fā)提供了一個LWIP[15]協(xié)議棧，這個協(xié)議相當于一個簡化專用的TCP/IP協(xié)議，有了這個協(xié)議極大的方便了軟件的開發(fā)。根據(jù)LWIP協(xié)議，軟件系統(tǒng)的流程圖如圖3所示，程序開始的時候首先初始化LWIP協(xié)議棧，然后接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，通過以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)的時候，是根據(jù)主從設(shè)備的IP地址和MAC地址來進行數(shù)據(jù)的傳遞的。開始數(shù)據(jù)包的發(fā)送方知道接收方的IP地址，但是不知道MAC地址，此時系統(tǒng)會發(fā)送ARP廣播，當接收方收到ARP廣播包的時候會進行判斷，如果次數(shù)據(jù)包是要發(fā)給自己的，那么會反饋一個ARP應(yīng)答包，告訴發(fā)送方自己的MAC地址。接著發(fā)送方根據(jù)MAC地址重新發(fā)送包含目的IP和MAC地址的數(shù)據(jù)包給接收方，接收方受到數(shù)據(jù)包后判斷是TCP還是UDP數(shù)據(jù)包，如果是TCP數(shù)據(jù)包，會把這個數(shù)據(jù)包發(fā)送給底層的物理鏈路，如果是UDP數(shù)據(jù)包那么直接丟掉。

2.3 AD9361配置

AD9361的工作狀態(tài)是使用狀態(tài)機來控制的，AD9361提供兩種模式來實現(xiàn)狀態(tài)的改變，一種是SPI控制模式，一種是管腳控制模式。文中使用SPI模式對AD9361實行異步的實時讀寫控制，AD9361有兩種工作模式，F(xiàn)DD和TDD模式，本文設(shè)計的系統(tǒng)采用的是FDD模式，故需要把AD9361的工作模式配置成FDD狀態(tài)。具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示。

圖3 上層控制流程

圖4 AD9361狀態(tài)機

1）SLEEP：休眠狀態(tài)，禁用AD9361的時鐘和基帶鎖相環(huán)；

2）WAIT：等待狀態(tài)，關(guān)閉同步降低功耗；

3）ALERT：警示狀態(tài)，使能同步；

4）FDD：使能發(fā)送和接收通道；

5）FDD FLUSH：刷新數(shù)字濾波器和數(shù)字鏈路；

3 測試結(jié)果分析

本節(jié)主要驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，按照圖1的系統(tǒng)架構(gòu)連接好每個硬件之間的線纜，并給系統(tǒng)上電。先把基帶系統(tǒng)生成的system.bit文件通過JTAG線下載到Zedboard平臺，然后把軟件控制程序編譯成平臺可執(zhí)行的.elf文件并下載到平臺，通過串口實時配置和檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

AD9361在FDD模式下支持雙通道同時收發(fā)，故使用兩套Zedboard+AD9361的軟件無線電平臺進行雙向視頻傳輸。配置系統(tǒng)的工作帶寬為10 MHz，工作模式為FDD，兩個視頻傳輸通路的本振頻率分別為460 MHz和2 400 MHz，AD9361接上對應(yīng)頻點的天線。打開攝像頭開始捕獲數(shù)據(jù)，在PC上打開視頻監(jiān)控軟件，顯示實時接收到的視頻畫面。

圖5顯示的是系統(tǒng)頻譜圖，圖5（a）和圖5（b）分別顯示的是其中一個視頻通路的發(fā)射信號頻譜圖，波形顯示系統(tǒng)工作帶寬均為10 MHz左右，系統(tǒng)的工作中心頻點分別為460 MHz和2 400 MHz。由結(jié)果可知AD9361的相關(guān)參數(shù)均配置正確，系統(tǒng)正常工作。

圖6顯示的是發(fā)送和接收的實時視頻畫面，圖6（a）中上部分是顯示器1接收的視頻畫面，下部分是攝像頭2發(fā)送的視頻畫面；圖6（b）中上部分是攝像頭1發(fā)送的視頻畫面，下部分是顯示器2接收的視頻畫面。通過對比發(fā)現(xiàn)，攝像頭1和顯示器1的視頻畫面一致，攝像頭2和顯示器2的視頻畫面一致，并且視頻畫面流暢清晰無噪點。

圖5 系統(tǒng)頻譜圖

4 結(jié)束語

文中基于Zedboard和AD9361的軟件無線電平臺，設(shè)計和實現(xiàn)了一個點對點的視頻傳輸系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊實現(xiàn)過程。經(jīng)過測試該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的進行數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)，能夠完成視頻的實時傳輸，數(shù)據(jù)的平均傳輸速率達到44.8 Mbps，驗證了系統(tǒng)的可用性和正確性。該系統(tǒng)開發(fā)周期短，功耗低，拓展性高，靈活性強，具有很好的應(yīng)用前景。

圖6 視頻雙向傳輸結(jié)果測試

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Video transmission system based on Zedboard and software radio

FANG Liang
（College of Information Science&Tenchnology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

In view of the development and application of the LTE technology and software radio technology，the software radio hardware platform is built by using Zedboard development board and the AD9361 wireless transceiver design fdd-lte point to point wireless video transmission system and the system were test based on.The experimental results show that the system can transmit video data reliable.

Zedboard；AD9361；software defined radio；LTE

TN924

：A

：1674－6236（2017）01-0148-04

2016-04-21稿件編號：201604207

國家自然科學基金(61340056)

方 良（1991—），男，湖北黃岡人，碩士研究生。研究方向：移動通信技術(shù)，嵌入式開發(fā)。