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2016短距视频信号无线通信网络(G题)
发布时间:2016-04-26 16:09 作者:admin 来源:竞赛组委会 阅读次数:
                                      短距视频信号无线通信网络(G题)

                        山东大学   王晓然  刘嘉琦  亓晓雯   指导教师:刘甜甜

(由于电子文档不兼容,符号和线路图没有显示,详情请查看附件)


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摘要: 本文提出了一套基于德州仪器MSP430微控制器设计的低功耗短距视频信号无线通信网络。该系统中从节点B具有 AV输出端子的彩色摄像头采集到的模拟视频信号通过由以MSP430为核心的低功耗OSD选择性叠加字母“B”,再调制到2.4GHz的载波上发射出去;从节点C具有与B节点相同的部分,同时C节点还有对B节点发射的信号调谐接收,放大并转发的电路;主节点A则调谐、解调从节点B与C发射的信号,并通过AV端子输出。该方案采用了德州仪器的MSP430低功耗微控制器,实现了低功耗的OSD叠加和视频信号短距离传输的。
关键词: 无线通信 视频信号 2.4GHz 视频叠加 OSD
一、系统方案
(一)系统总体方案设计
本方案节点A由接收天线、调谐器、解调器构成,节点B由摄像头、OSD模块、载波产生模块、调制模块、发射天线构成,节点C由摄像头、OSD模块、载波产生模块、调制模块、接收天线、调谐模块、功放模块、发射天线构成。系统总体结构框图如图1所示。

图1  系统硬件整体设计
(二)方案设计与论证
1. OSD叠加方案
方案一:采用MAX7456单通道、单色随屏显示发生器,集成了视频驱动器、同步分离器、视频分离开关以及 EEPROM。采用符合NTSC制式和PAL制式,用户可自定义256个字符。可以很容易地显示公司标识,自定义图片,时间与日期等符号,且可以任意定义字符属性与大小。
方案二:采用日本FUJITSU公司生产的用CMOS工艺制成的可编程大规模集成电路芯片MB90092。内部集成了显示内存、外挂字库接口和视频信号发生器,外部只需连接少量的元件就可以显示汉字和图形,字符单元可以任意八种不同的颜色显示。
方案三:采用德州仪器公司的低功耗微处理器MSP430和视频同步信号分离芯片LM1881。采用MSP430根据同步信号控制模拟开关TS5A3160在输出端切换原视频信号和白色亮度信号。
方案四:原理同方案三,视频同步信号采用由二极管钳位后的视频信号和参考电平在MSP430内部的比较器比较得出。叠加的白色电平信号由MSP430的IO直接输出通过二极管耦合叠加在原视频信号上。
由于本题目有比较高的低功耗要求,所以选择功耗最低的方案四。
2. 调制解调方式
       方案一:采用AM方式。AM方式接收设备简单,但是信号频带较宽,功率利用率低,抗干扰能力差,在传输过程中如果载波受到信道的选择性衰落,则在包络检波时会出现过调失真。
方案二:采用DSB方式。DSB方式的优点是功率利用率高,但带宽与AM相同,接收要求同步解调,设备较复杂。
方案三:采用SSB方式。SSB方式的优点是功率利用率、相频带利同率都较高,抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM,但带宽只有AM的一半;缺点是发送和接收设备都复杂。
方案四:采用VSB方式。VSB方式的诀窍在于部分抑制了发送边带,同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。VSB的性能与SSB相当。
方案五:采用FM方式。FM波的幅度恒定不变,这使它对非线性器件不甚敏感,给FM带来了抗快衰落能力。宽带FM的抗干扰能力强,可以实现带宽与信噪比的互换。宽带FM的缺点是频带利用率低,存在门限效应,因此在接收信号弱,干扰大的情况下宜采用窄带FM,另窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。
综合考虑,选择方案五。
3. 载波频率选择
方案一:采用特高频。特高频(UHF)是指频率为300~3000MHz,波长在1m~1dm的无线电波。该波段的无线电波又称为分米波。这个频段的无线电波常用于广播电视领域。
方案二:采用甚高频。甚高频(VHF)是指频带由30 MHz到300 MHz的无线电电波。VHF多数是用作电台及电视台广播,同时又是航空和航海的沟通频道。VHF主要是作较短途的传送,和高频(HF)不同的是,电离层通常不会反射VHF的信号,而且甚高频常常会受环境因素影响,可抗干扰能力弱,可能会导致传输图像信号失真。
方案三:采用2.4G,由于其频段处于2.400GHz~2.4835GHz之间,所以简称2.4G无线技术。2.4G在全球免申请ISM频道2400M-2483M范围内。
综合考虑所需信道带宽和无线电管理局的技术要求,选择方案三。
2. 中继方案
方案一:对接收到的信号解调、整形、重新调制、功率放大后再次发送。
方案二:对调谐后的信号直接进行功放后重新发送。
由于本题目有比较高的低功耗要求,而且题目要求传输距离比较短,所受干扰比较小所以选择方案二。
 

  • 理论分析与计算
按照天线周围为无限大真空空间的理想传播条件计算所需发射功率。电波在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射。
通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。
[Lfs](dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)
假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB, 接收灵敏度为-75dBm,传输距离按20m计算。
Los = 32.44 + 20lgd(Km) + 20lg f(MHz)
= 20lg(4π/c)+20lg(f(Hz))+20lg(d(m))
= 20lg(4π/3*10^8)+20lg(f(MHz)*10^6)+20lg(d(km)*10^3)
= 20lg(4π/(3*10^8))+20lg(2.4*10^9)+20lg(20)
=60dB
        所以发射功率至少应为+10dBm(10mW)。
三、主要硬件电路设计
         从节点摄像头采集到的视频信号通过OSD模块叠加相应的字母后调制到2.4GHz载波上发射出去,主节点调谐解调从节点发出的信号后通过AV端子输出。各模块原理图如下:
1. OSD模块
由D2、D3、R9、R10构成的钳位电路将通过C13耦合的摄像头CVBS信号钳位后输出到MSP430内部比较器的同向输入端,R8分压得到同步电平的参考电压输入到比较器的反向输入端。当CVBS处于行同步型号时比较器输出较窄的低电平,场同步信号时输出比较宽的低电平。MSP430根据同步信号在预先设置的像素位置时刻输出高电平,通过D4和R10叠加到视频信号上。