孔 明
(浙江省電子技術(shù)研究所有限公司,浙江 杭州 310012)
隨著無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)高速寬帶無(wú)線傳輸多媒體的設(shè)備需求不斷增加。國(guó)外的無(wú)線視頻技術(shù)研究已有所成就,所形成的產(chǎn)品無(wú)線部分大多采用頻率為2.4 GHz的IEEE 802.11 a/b/g/無(wú)線傳輸技術(shù),點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸帶寬小,傳輸距離近,抗干擾性低(與大部分無(wú)線通信產(chǎn)品的頻段重疊),尤其是不能支持高清晰多媒體信號(hào)的傳輸,這些缺點(diǎn)都影響著2.4 GHz無(wú)線多媒體產(chǎn)品的應(yīng)用及市場(chǎng)推廣。目前,國(guó)內(nèi)高速寬帶無(wú)線多媒體產(chǎn)品的研制尚屬初級(jí)階段,存在繞射能力弱,其他無(wú)線移動(dòng)通信的干擾嚴(yán)重,糾錯(cuò)和抗干擾的技術(shù)比發(fā)達(dá)國(guó)家落后,這些原因致使國(guó)產(chǎn)的高速寬帶無(wú)線多媒體產(chǎn)品不能進(jìn)入實(shí)用階段。本文提出了采用Amedia公司的WVA5000無(wú)線多媒體芯片組和富士通的MB86H51編解碼芯片來(lái)設(shè)計(jì)基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng)。
WVA5000芯片組由基帶芯片AM5201和射頻芯片AM5101組成,其主要特點(diǎn)為:無(wú)線傳輸頻道范圍為4.900~5.825 GHz,支持的數(shù)據(jù)等級(jí)為6~60 Mbit/s,支持的視頻有效負(fù)荷為3~50 Mbit/s,支持的數(shù)字視頻格式為MPEG-2,MPEG-4,H.264和WM9。
本文采用WVA5000芯片組實(shí)現(xiàn)基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng),視頻編碼方式采用H.264。整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)由多媒體信號(hào)源、AP(Access Point)、MT(Mobile Ter?minal)和視頻顯示單元四部分組成,設(shè)計(jì)上采用三路天線,實(shí)現(xiàn)多入多出(MIMO)技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸,在實(shí)際無(wú)線傳輸中,最大速度可達(dá)50 Mbit/s。
1)AP終端設(shè)計(jì)
AP終端需要完成對(duì)視頻、音頻進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼,將壓縮好的多媒體流進(jìn)行無(wú)線高速發(fā)送,同時(shí)接收MT端發(fā)送的控制信息,并按指令進(jìn)行處理,AP終端原理如圖1所示。
AP端采用富士通公司的MB86H51硬件H.264編碼方案,設(shè)備的Flash選用容量大小為16 Mbit/s的S29AL016D,SDRAM選用容量大小為16 Mbit/s的HY57V161610ET,無(wú)線采用MIMO技術(shù)傳輸,該設(shè)備兩根接收天線,一根發(fā)送天線,無(wú)線傳輸部分由WVA5000芯片組(BBIC:AM5201,RFIC:AM5101)及功放AWL6951組成,發(fā)射功率控制在(20±3)dBm,接收靈敏度可達(dá)-82 dBm。
2)MT終端設(shè)計(jì)
MT終端需要完成對(duì)多媒體流進(jìn)行無(wú)線高速接收,并進(jìn)行解碼,實(shí)現(xiàn)多媒體播放,同時(shí)回傳一些控制指令給AP,例如播放節(jié)目切換、快進(jìn)、停止等一些操作,MT終端原理如圖2所示。
MT端壓縮解碼采用富士通公司的MB86H51硬件H.264解碼方案,將高速解碼出來(lái)的視頻信號(hào)輸出到顯示器,設(shè)備的Flash選用容量大小為16 Mbit的S29AL016D,SDRAM選用容量大小為16 Mbit的HY57V161610ET,無(wú)線采用MIMO技術(shù)傳輸,該設(shè)備兩根接收天線,一根發(fā)送天線,無(wú)線傳輸部分由WVA5000芯片組(BBIC:AM5201,RFIC:AM5101)及功放AWL6951組成,發(fā)射功率控制在(20±3)dBm,接收靈敏度可達(dá)-82 dBm。
3)系統(tǒng)工作流程
本文采用WVA5000無(wú)線多媒體芯片組,將同步時(shí)分多址技術(shù)、多入多出技術(shù)、跳頻擴(kuò)頻技術(shù)、動(dòng)態(tài)頻道選擇技術(shù)應(yīng)
用到5 GHz頻段多媒體無(wú)線收發(fā)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多媒體信號(hào)源(數(shù)字機(jī)頂盒,DVD,PVR,STB,Camera和PC等)與顯示設(shè)備之間的高質(zhì)量、實(shí)時(shí)的無(wú)線高清晰視頻傳輸,視頻有效負(fù)荷最大可達(dá)50 Mbit/s,雙向延時(shí)小于2 s,配備高增益天線,傳輸距離可達(dá)數(shù)公里。本文具有傳輸速率高、延遲低、傳輸距離遠(yuǎn)、高保真、抗干擾性和移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)主要工作流程為:
(1)對(duì)碼。將AP與MT組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)需要對(duì)AP與MT進(jìn)行對(duì)碼操作,對(duì)碼指示燈在對(duì)碼過(guò)程中閃爍,對(duì)碼成功后常亮,只有對(duì)碼成功的MT才能接收到AP發(fā)送的TS流。
(2)發(fā)送單元(AP)。AP自動(dòng)偵測(cè)多媒體信號(hào)源的輸入,將輸入的視頻信號(hào)傳輸?shù)紸P的模擬視頻解碼器進(jìn)行視頻信號(hào)的解碼,將輸入的音頻信號(hào)傳輸?shù)紸P的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,最終將處理好的多媒體信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼成H.264 TS流。TS流傳輸?shù)交鶐Ш蜕漕l芯片組單元,經(jīng)過(guò)芯片組單元處理后把TS流調(diào)制到5 GHz頻段進(jìn)行傳輸。
(3)接收單元(MT)。從5 GHz頻段中接收經(jīng)調(diào)制的H.264 TS流,基帶和射頻芯片組單元對(duì)接收到的H.264 TS流進(jìn)行解調(diào),經(jīng)MB86H51進(jìn)行H.264解碼,經(jīng)過(guò)視頻信號(hào)的編碼和音頻信號(hào)的解碼,最終將多媒體信號(hào)輸出給顯示器和音響。
AP,MT的嵌入式軟件是基于Amedia公司的底層軟件開(kāi)發(fā)包,在運(yùn)用射頻技術(shù)原理基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)。嵌入式軟件主要完成音視頻的編解碼控制、數(shù)據(jù)流的傳輸,無(wú)線模塊的控制,系統(tǒng)升級(jí)與無(wú)線傳輸性能的測(cè)試等功能,圖3為系統(tǒng)的嵌入式軟件流程。為了兼顧調(diào)試與軟件升級(jí),在系統(tǒng)軟件層規(guī)劃了3種軟件流工作模式:1)固件下載模式,用于軟件的升級(jí)使用;2)測(cè)試模式,用于測(cè)試性能參數(shù)使用;3)正常模式,設(shè)備正常工作模式。
嵌入式軟件在數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā)過(guò)程中,采用工作狀態(tài)模式化設(shè)計(jì),具有抗干擾能力,能最大限度地減少數(shù)據(jù)傳輸所消耗的能量并保證可靠傳輸。發(fā)送工作有4種操作模式:空閑模式、動(dòng)態(tài)頻率選擇模式、跟蹤模式和捕捉模式。接收工作有5種操作模式:空閑模式、捕捉模式、瞬態(tài)模式、跟蹤模式和快速捕捉模式。圖4為發(fā)送工作模式轉(zhuǎn)換,圖5為接收工作模式轉(zhuǎn)換。
圖5 接收工作模式轉(zhuǎn)換
現(xiàn)在高質(zhì)量的多媒體無(wú)線傳輸方案主要有兩種,一種是基于5 GHz傳輸?shù)姆桨?,如Amedia方案;一種是基于2.4 GHz傳輸?shù)姆桨?,?02.11 a/b/g方案。超過(guò)2.4 GHz頻譜具有更清潔、更多頻道選擇、更易開(kāi)發(fā)時(shí)空多樣性技術(shù)等優(yōu)勢(shì)。在多媒體應(yīng)用方面,這兩種傳輸方式各有特點(diǎn)。802.11 a/b/g的特點(diǎn)為:具有低效負(fù)載,異步傳輸,數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,勉強(qiáng)支持SDTV(3~15 Mbit/s),只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。Amedia的特點(diǎn)為:高效負(fù)載,同步傳輸,數(shù)字多媒體應(yīng)用,長(zhǎng)距離覆蓋SDTV(3~15 Mbit/s),HDTV(20-50 Mbit/s),能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。圖6為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多媒體無(wú)線傳輸802.11 a/b/g方案,圖7為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多媒體無(wú)線傳輸Amedia方案,圖8為對(duì)多點(diǎn)多媒體無(wú)線傳輸Amedia方案。
通過(guò)圖6~圖8比較可以看出,Amedia方案比2.4 GHz方案少用一組濾波、緩沖器、服務(wù)質(zhì)量回路模塊,成本較低。Amedia方案支持HDTV視頻等級(jí),視頻質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比2.4 GHz方案高,視頻傳輸延時(shí)保證小于2 s,其實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于2.4 GHz方案。能支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn),而2.4 GHz方案不支持。在發(fā)送功率為23 dBm和空間有阻擋情況下,多媒體發(fā)送源固定在一定地方,接收端不斷移動(dòng),經(jīng)過(guò)功能性驗(yàn)證測(cè)試,在保證接收端視頻流程情況下,發(fā)現(xiàn)基于SDTV視頻等級(jí)傳輸?shù)?02.11 a/b/g方案的實(shí)際有效射程只有10 m左右,基于HDTV視頻等級(jí)傳輸?shù)腁media的WVA5000方案的實(shí)際有效射程可達(dá)75 m左右,傳輸時(shí)延在2 s以內(nèi),達(dá)到基本實(shí)時(shí)視頻播放的效果。可以得出,在多媒體傳輸方面,基于5 GHz頻段的Ameida公司的WVA5000方案與基于2.4 GHz傳輸?shù)?02.11 a/b/g方案相比,而802.11 a/b/g方案更加適合數(shù)據(jù)傳輸。表1為Amedia與802.11 a/b/g/多媒體傳輸方案比較。
表1 Amedia與802.11a/b/g/多媒體傳輸方案比較
通過(guò)與基于2.4 GHz的IEEE 802.11 a/b/g/無(wú)線傳輸方案比較,采用WVA5000芯片組設(shè)計(jì)的基于5 GHz傳輸?shù)亩嗝襟w收發(fā)系統(tǒng)在傳輸?shù)挠行ж?fù)荷、傳輸速率、延時(shí)等方面具有優(yōu)勢(shì),更符合企業(yè)、家庭、公安、消防、醫(yī)療衛(wèi)生等專用領(lǐng)域高清晰多媒體信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)膽?yīng)用需求,而IEEE 802.11 a/b/g/無(wú)線傳輸產(chǎn)品更加適合數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。采用富士通的MB86H51硬件H.264編解碼方案,編解碼器上的成本占整個(gè)系統(tǒng)的比重比較大,下階段將設(shè)計(jì)軟件H.264編解碼方案來(lái)進(jìn)一步降低整個(gè)傳輸系統(tǒng)的成本。
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