基于SDR實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)線視頻信號(hào)鏈的過(guò)程分析與實(shí)例

集成式射頻（RF）捷變收發(fā)器不僅廣泛用于蜂窩電話基站的軟件定義無(wú)線電(SDR)架構(gòu)，也適用于工業(yè)、商業(yè)以及軍事應(yīng)用中的無(wú)線高清視頻傳輸，如無(wú)人機(jī)應(yīng)用。今天我們將——剖析基于SDR實(shí)現(xiàn)寬帶無(wú)線視頻信號(hào)鏈的過(guò)程，以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、相應(yīng)的RF占用信號(hào)帶寬、傳輸距離和發(fā)射功率；

一、信號(hào)鏈

圖1所示為采用SDR實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化無(wú)線視頻傳輸方案。攝像機(jī)捕捉到影像，并通過(guò)以太網(wǎng)、HDMI、USB或其他接口將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至基帶處理器。圖像編碼/解碼可通過(guò)硬件或FPGA處理。RF前端包括RF開(kāi)關(guān)以及連接到可編程集成式收發(fā)器的LNA和PA。

圖1. 無(wú)線視頻傳輸示意圖

需要傳輸多少數(shù)據(jù)？

通過(guò)使用高效視頻編碼(HE VC) 技術(shù)，可以降低數(shù)據(jù)速率并節(jié)省帶寬。

表1總結(jié)了不同視頻格式下的未壓縮和已壓縮數(shù)據(jù)速率。其假設(shè)條件是視頻的位深度為32位，幀速率為60 fps。在1080p的例子中，壓縮后的數(shù)據(jù)速率為7.45 Mbps，這樣的數(shù)據(jù)率才會(huì)更加容易地被基帶處理器和無(wú)線物理層進(jìn)行處理。

表1. 壓縮數(shù)據(jù)速率

二、信號(hào)帶寬

通過(guò)改變采樣速率、數(shù)字濾波器和抽取參數(shù)，盛鉑SDR平臺(tái)可支持的通道帶寬范圍為低于200 kHz到40 MHz，并采用零中頻收發(fā)器，具有用來(lái)發(fā)射復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的I通道和Q通道。復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)含有實(shí)部和虛部，分別對(duì)應(yīng)I通道和Q通道，它們位于同一頻帶上，因此其頻譜效率是單通道頻譜效率的兩倍。壓縮視頻數(shù)據(jù)可以映射到I和Q通道以創(chuàng)建星座點(diǎn)，也就是符號(hào)。圖2顯示了一個(gè)16QAM的例子，每個(gè)星座點(diǎn)符號(hào)代表四個(gè)二進(jìn)制比特。

圖2. 16 QAM星座圖以及星座圖中I和Q數(shù)字波形

對(duì)于單載波系統(tǒng)，I和Q數(shù)字波形在進(jìn)入DAC之前需要通過(guò)脈沖整形濾波器，使所傳輸?shù)男盘?hào)在有限帶寬內(nèi)成形。脈沖整形可使用FIR濾波器，濾波器響應(yīng)如圖3所示。為了確保信息逼真度，必須滿足對(duì)應(yīng)于符號(hào)速率的最小信號(hào)帶寬。符號(hào)速率與壓縮視頻數(shù)據(jù)成正比。對(duì)于OFDM系統(tǒng)，應(yīng)使用IFFT將復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)調(diào)制到各個(gè)子載波上，使其在有限帶寬內(nèi)傳輸信號(hào)。

圖3. 脈沖整形濾波器響應(yīng)

表2.各種調(diào)制階數(shù)的RF占用信號(hào)帶寬(α= 0.5)

盛鉑科技SDR平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)大于40MHz信號(hào)帶寬，支持表2中所有視頻格式的傳輸，并且支持更高的幀速率。高階調(diào)制占用的帶寬更小，每個(gè)碼元可表示更多的信息/位，但是解調(diào)所需的信噪比(SNR) 更高。

三、傳輸距離和發(fā)射器功率

在無(wú)人飛行器等應(yīng)用中，最大傳輸距離是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。但是，保持通信不中止同樣很重要，即使距離較小時(shí)也是如此。氧氣、水和其他障礙物（自由空間衰減除外）可能會(huì)使信號(hào)衰減。圖4顯示了無(wú)線通信信道損耗的模型。

圖4. 無(wú)線通信信道損耗模型

通常將解調(diào)或恢復(fù)發(fā)射器信息所需的最小輸入信號(hào)(Smin) 作為接收器靈敏度。獲得接收器靈敏度后，結(jié)合某些假設(shè)條件可計(jì)算出最大傳輸距離。

最小信噪比與調(diào)制/解調(diào)階數(shù)相關(guān)。在相同的信噪比下，低階調(diào)制可得到更低的誤碼率，而在相同的誤碼率下，高階調(diào)制需要更高的信噪比來(lái)解調(diào)。因此，如果發(fā)射器離接收器很遠(yuǎn)，則接收到的信號(hào)較弱，信噪比不足以支持高階解調(diào)。為了使發(fā)射器保持在線狀態(tài)，并使視頻格式保持同一視頻數(shù)據(jù)速率，則基帶應(yīng)使用低階調(diào)制，其代價(jià)是增加帶寬。這樣有助于確保接收到的圖像清晰不模糊。幸運(yùn)的是，我們可通過(guò)具有數(shù)字調(diào)制和解調(diào)功能的軟件定義無(wú)線電來(lái)改變調(diào)制方式。上述分析基于這樣的假設(shè)條件：發(fā)射器的RF功率保持恒定。在天線增益相同時(shí)，較大的RF發(fā)射功率將能達(dá)到更遠(yuǎn)處具有相同接收靈敏度的接收器，盡管如此，最大發(fā)射功率應(yīng)符合FCC/CE輻射標(biāo)準(zhǔn)。

此外，載波頻率也會(huì)對(duì)傳輸距離產(chǎn)生影響。當(dāng)波在空間中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生散射損耗。在相等的自由空間距離上，頻率越高，損耗越大。例如，相較于2.4 GHz，載波頻率為5.8 GHz時(shí)在相同傳輸距離上的衰減將超過(guò)7.66 dB。

盛鉑科技SDR平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)P-1最大26dBm（不含天線）輸出，而接收靈敏度為-104dBm，將在盡可能遠(yuǎn)的距離實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定信息傳輸?shù)尿?yàn)證。