基于FPGA的OFDM视频传输系统的设计与实现

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随着5G开始投入商用,人工智能、云计算、大数据等各个领域的协同发展,开启了一个泛在连接的物联网时代。在目前一些需要嵌入式设备的物联网场景中,大都需要视频业务的传输,如智慧交通、智能家居、智慧医疗等。由于视频传输业务的需求特点,不少研究聚焦于相关物理层、链路层等方面,试图解决视频业务爆发式增长而带来的各种问题。对于嵌入式设备的视频传输业务,需要在接收端实时接收发送端的信息。然而,视频传输带宽大、信道条件复杂、嵌入式设备算力不足、设备的电源续航能力较差,这些都对视频传输系统提出了要求。因此,本文针对视频业务的传输特点进行研究,有效分析和获取较佳的系统参数,使得在嵌入式场景中能够有效收发视频信息。本文主要从以下四个方面进行了研究:第一,针对视频传输信道条件复杂的问题,采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术作为传输手段,可以有效对抗多径干扰。首先设计了有效的传输系统框架,对OFDM传输系统中的关键技术进行了介绍,包括定时同步、频率同步、信道均衡等。第二,针对嵌入式设备中电源续航能力不足的问题,本文对定时同步算法进行分析。本文研究了经典算法的硬件空时效率。由于空时效率一定程度上可以反映硬件的功耗情况,所以本文就降低算法硬件空时效率提出了优化方法。本文在设计同步方式时采用了两次同步,使得本文算法在极端信噪比条件下的同步性能表现优异。首先在粗同步中简化了定时函数,其次在精同步中,引入了量化函数,有效降低了因定时同步函数中的相关运算而带来的乘法器使用,从而降低了硬件开销。本文在MATLAB中对定时精度进行了仿真,验证算法性能,仿真结果表明该方法在信噪比小于0d B时,仍然有良好的同步性能。之后,本文就硬件资源消耗与传统算法进行对比,可提高约40%的硬件空时效率。第三,本文对整个系统进行了仿真分析。整个系统可以分为视频处理部分、OFDM调制解调部分以及无线收发部分。OFDM调制解调部分通过Modelsim仿真分析,显示其能正确实现调制解调功能;视频处理部分采用乒乓缓存,有效降低视频卡顿问题;为了实现无线收发,本文又设计了一种参数配置及数据收发接口控制模块,将FPGA产生的基带信号送入射频芯片,该模块可以过PC串口实时回读射频芯片的工作状态。第四,借助MATLAB分析系统的误码性能、通过Xilinx ISE综合工具分析了系统的硬件资源占用、时序以及功耗情况,将分析结果与项目指标进行对比,验证了本系统达到项目要求。最后部分,本文搭建了完整的硬件平台,用在线逻辑分析仪对板上信号进行抓取分析,结果表明,FPGA内部信号与仿真结果一致,满足设计需要。
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