陳 亮

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸需要做好布線工作，并且成本較高。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，無線通信傳輸越來越受到人們關(guān)注。應(yīng)用無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，使得短視頻信號傳輸更加高效，不僅實(shí)現(xiàn)信號從節(jié)點(diǎn)B、C向主節(jié)點(diǎn)A傳輸，并且節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的人力與物力資源投入，具有操作便利的應(yīng)用優(yōu)勢。未來，在短視頻信號的傳輸中，無線通信網(wǎng)絡(luò)將發(fā)揮主要作用。

1 系統(tǒng)方案

1.1 主控芯片的選擇

無線通信系統(tǒng)的主控芯片采用了MSP430系列單片機(jī)，該單片機(jī)的功耗較低，能夠在1.8~3.6 V的工作電壓范圍內(nèi)，達(dá)到滿意的25MIPS工作性能。通過對電源管理模塊的優(yōu)化，可將系統(tǒng)的功耗降低至0.1 μA/RAM（待機(jī)模式）；工作模式下的功耗為165 μA/MIPS，并且能夠在5秒內(nèi)完成待機(jī)到工作的轉(zhuǎn)換。以單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片設(shè)計(jì)的主要方案，不僅具有成本與功耗優(yōu)勢，而且能夠?yàn)楹笃诰幊烫峁┍憷麠l件。

1.2 發(fā)射模塊與接收模塊

為滿足短距離視頻信號低功耗傳輸要求，采用了2.4 GHz50 mW發(fā)射模塊與2.4 GHz接收模塊，具體方案如下：發(fā)射模塊的供電方式為3.3~5 V直流電，電流約為50 mA。在信號發(fā)射穩(wěn)定的條件下，輸入電壓值可低至1.7 V，并且對短距離傳輸?shù)墓倪M(jìn)行控制，滿足無壓縮傳輸AV模擬視頻信號的可靠傳輸要求。

接收模塊的工作頻率為2.4 GHz，工作靈敏度為-93 dBm。在正常工作條件下，接收模塊的電壓值為3.7~5 V之間，電流消耗值為1300 mA。在整個接收模塊中，包括2組頻率與8個信道，通過合理組合能夠解決頻率干擾問題。

1.3 視頻同步分離與字符疊加模塊

系統(tǒng)采用了UPD6453芯片，將該芯片作為視頻字符疊加芯片。該模塊的主要應(yīng)用優(yōu)勢是編輯功能較強(qiáng)，可在屏幕上顯示12×24字符，并且每個字符均設(shè)計(jì)為12×18點(diǎn)陣形式，而字符的大小和閃爍頻率均能夠滿足系統(tǒng)要求，并且能夠根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)整。為提高字符顯示能力，確保多樣性，使得背景色、字號、顏色符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也需要對系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化，對成本與功耗進(jìn)行綜合考慮。

1.4 信號通道模塊與運(yùn)算模塊

本項(xiàng)目中選擇了可靠的信號通道模塊，其中模擬開關(guān)電路為74HC4052，為一塊帶有公共傳輸功能的輸入控制器，包括4個控制位。每個多路開關(guān)均帶有4個獨(dú)立輸入與輸出功能模塊，即Y0、Y1、Y2、Y3、Y4；其中每個公共輸入端（Z）與選擇輸入端（A）相關(guān)聯(lián)。公共使能輸入控制位則包括A0、A1和E端口，其中E表示低有效能輸入端[1]。

2 短距視頻通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)原理與電路部分

2.1.1 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑是自節(jié)點(diǎn)B、C向主節(jié)點(diǎn)A傳輸，由此獲得短視頻圖像信息。其中傳輸?shù)囊曨l圖像多為彩色形式，依靠AV輸出端口獲取相關(guān)視頻。在設(shè)計(jì)過程中，保證每個節(jié)點(diǎn)均配置AV視頻輸入插口，并且通過AV電纜與顯示設(shè)備連接。

2.1.2 電路設(shè)計(jì)部分

通信網(wǎng)絡(luò)的電路系統(tǒng)包括發(fā)射電路、接收電路。其中發(fā)射電路由LC晶體振蕩器、二極管、MSP430單片機(jī)等組成。在具體的應(yīng)用環(huán)節(jié)，主要是通過開關(guān)控制發(fā)射圖像信號，發(fā)射電路采用的載波信號來源于LC晶體振蕩電路。

2.2 視頻信號分析模塊

2.2.1 彩色視頻信號

與黑白視頻信號相比，彩色視頻信號對系統(tǒng)的要求較高，需要確保信號同步，考慮消隱信號、均衡脈沖信號。二者之間最大的差異體現(xiàn)在亮度、色彩上。此外，彩色視頻對像素與色度的要求較高，需要做好R、G、B不同基色之間的調(diào)制，以達(dá)到滿意的顯示效果。

2.2.2 收發(fā)模塊分析

本無線網(wǎng)絡(luò)接收模塊具體包括8個頻道，其中有CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7、CH8，頻率分別為2414 MHz、2432 MHz、2450 MHz、2468 MHz、2390 MHz、2370 MHz、2510 MHz。在對視頻信號進(jìn)行收發(fā)時(shí)，只需要滿足上述任一發(fā)送頻段，便可實(shí)現(xiàn)短距無線傳輸?shù)哪繕?biāo)[2]。

2.2.3 視頻輸入與同步

在系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，為確保視頻信號獲取的穩(wěn)定性，使用了無線收發(fā)模塊，并且做好了視頻資源同步分離。視頻輸入端使用Vin表示，視頻輸出端則使用Vout表示，有關(guān)視頻輸入模塊的電路圖如圖1所示。

圖1 視頻輸入電路示意圖

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，有關(guān)人員也使用了同步分離信號，對視頻傳輸模塊進(jìn)行優(yōu)化。視頻的傳輸需要確保行、場同步，并且將相互疊加的字符頻率信號分離出來，以最大程度確保信號傳輸安全性。目前，對于行、場信號的提取方式較多，使用的同步分離芯片為LN1881，具體見圖2。

圖2 同步分離電路圖

圖中，Vin為視頻輸入模塊，能夠?qū)σ曨l信號進(jìn)行技術(shù)模擬，并且同步復(fù)合了相關(guān)視頻信號C2，其中，VYS表示場同步信號、HYS代表行同步信號。通過對不同信號資源的獲取與整合，能夠滿足同步分離的要求。在實(shí)際的傳輸過程中，使用了2、3、4不同的引腳，完成對單片機(jī)指令的接收，同時(shí)對字符點(diǎn)的矩陣進(jìn)行識別，以快速完成對視頻信號的同步或分離[3]。

2.2.4 運(yùn)算模塊與控制模塊

針對無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，需要保證足夠規(guī)模的運(yùn)算放大電路，確保視頻信號可達(dá)到滿意的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。由于OPA836運(yùn)放電路的應(yīng)用價(jià)值顯著，具有低功耗、高性能與低成本的應(yīng)用優(yōu)勢，因此，筆者對OPA836電路的放大模塊進(jìn)行了研究。規(guī)定OPA836芯片的輸入電壓值為5 V，并對電壓值進(jìn)行控制，以達(dá)到理想的控制標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)運(yùn)算放大模塊的分析應(yīng)滿足以下式。

通過對上述公式的分析與應(yīng)用，能夠可靠掌握影響運(yùn)算放大模塊的參數(shù)，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制后，可獲得相對滿意的顯示效果。研究表明，對視頻控制模塊進(jìn)行調(diào)整后，也可提高信號傳輸與顯示效果，并且確保了信號資源傳輸時(shí)效性，降低通信設(shè)備干擾[4]。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的控制模塊為MSP430G2553系列CPU，通過對信號資源的調(diào)取與應(yīng)用，可完成對無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊的分析，使得系統(tǒng)性能獲得明顯提升，強(qiáng)化了對視頻信號信息的解析能力。

本次設(shè)計(jì)中，對于字符疊加模塊使用UPD6453模塊設(shè)計(jì)，并采取SPI通信模式，將控制字符輸出字符頻率控制在合適范圍內(nèi)，同時(shí)做好不同信號的接收工作。其中，設(shè)定B節(jié)點(diǎn)為控制顯示節(jié)點(diǎn)，C節(jié)點(diǎn)為視頻疊加節(jié)點(diǎn)。對無線收發(fā)模塊進(jìn)行控制好，能夠最大程度提高系統(tǒng)對信號資源的獲取能力。

3 相關(guān)程序功能設(shè)計(jì)與測試

3.1 測試條件與儀器準(zhǔn)備

測試條件應(yīng)滿足多次測試要求，并且對設(shè)備進(jìn)行了可靠檢測，重點(diǎn)做好仿真電路、硬件設(shè)備、系統(tǒng)原理圖的一致性分析，確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行測試。測試儀器使用毫伏表、模擬示波器、示波器、數(shù)字萬用表、測距儀等。

3.2 程序軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)流程分析如下：首先使用外部設(shè)備對按鍵進(jìn)行技術(shù)檢測，確保低電平有效。測試工作具有顯著效益，能夠預(yù)防在后期仿真測試中出現(xiàn)無法使用情況，使得無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)能力滿足實(shí)際要求。其次，是對開關(guān)控制模塊進(jìn)行切換與測試，使用Key1、Key2程序軟件，對B、C通道上的開關(guān)進(jìn)行切換，同時(shí)，檢測主節(jié)點(diǎn)A與B、C的連接效果，確保視頻圖像能夠可靠、清晰地顯示在輸出終端設(shè)備上。最后，設(shè)計(jì)備用開關(guān)，通過對開關(guān)的控制，完成對中繼點(diǎn)的切換。本次程序軟件的設(shè)計(jì)采用MSP430G2553、UPD6453通信設(shè)計(jì)原理，并且對SPI進(jìn)行同步串行設(shè)置，根據(jù)時(shí)序圖完成無線通信配置。在設(shè)計(jì)過程中，也對UPD6453進(jìn)行了初始化配置，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊與控制命令，對所有字符的顏色、背景圖案和位置關(guān)系進(jìn)行了調(diào)整。例如，在字符顯示軟件部分，使用字符數(shù)據(jù)手冊，通過UPD6453程序軟件，輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完成對視頻字符的快速顯示。對軟件與硬件部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提高系統(tǒng)的服務(wù)能力，有利于快速解析視頻信號，并且做好安全傳輸與顯示[5]。

3.3 測試過程與結(jié)果分析

在系統(tǒng)測試中，對硬件設(shè)備進(jìn)行了測試，通過對硬件性能的檢驗(yàn)，可預(yù)防出現(xiàn)參數(shù)誤差，測試結(jié)果顯示，視頻疊加的結(jié)果與AV攝像頭上的圖像具有一致性。為獲得滿意的測試結(jié)果，需要做好系統(tǒng)抗干擾測試，對隔離數(shù)字信號與模擬信號進(jìn)行獲取，并且做好濾波隔離。相關(guān)測試步驟說明如下：

首先，將無線接收模塊中的AV蓮花座與顯示屏連接起來，將B節(jié)點(diǎn)、C節(jié)點(diǎn)與A主節(jié)點(diǎn)連接，隨后打開電源開關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求做好相關(guān)測試，最后是對測試結(jié)果進(jìn)行記錄與分析，其中距離測試結(jié)果見表1。

表1 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離測試結(jié)果

經(jīng)過測試后，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能良好，能夠滿足不同作業(yè)環(huán)境下的視頻傳輸要求，使得短距傳輸過程更加合理高效。此外，視頻傳輸質(zhì)量與時(shí)效性均能夠滿足人們的實(shí)際需求。

在實(shí)際的測試環(huán)節(jié)，為掌握視頻傳輸?shù)木珳?zhǔn)度，有關(guān)人員也對模擬信號的質(zhì)量進(jìn)行獲取，了解視頻信號信息在不同頻率下的傳播時(shí)間。為確保測試結(jié)果準(zhǔn)確，對發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備與視頻顯示終端的性能進(jìn)行分類測試，并且做好相關(guān)隔離，對不同設(shè)備對視頻信號的傳輸性能進(jìn)行了驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，短距視頻無線傳輸系統(tǒng)具有良好的工作能力。在具體的測試場景中，為獲得真實(shí)的測試結(jié)果，需要將系統(tǒng)隔離在電源與輻射設(shè)備之外，并且對有關(guān)的干擾信號進(jìn)行識別，做好電磁干擾測試，以最大限度地提高視頻信號的傳輸質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對主控芯片的合理選擇，明確信號發(fā)射模塊、接收模塊與視頻同步分離模塊的設(shè)計(jì)思路，使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)性能得以提升。基于單片機(jī)對無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用，取得了顯著效果。在具體研究中，需要做好設(shè)計(jì)電路檢測，對視頻信號進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，通過對不同網(wǎng)絡(luò)模塊的優(yōu)化，滿足了短距視頻通信要求?！?/p>