短距視頻信号無線通信網絡（G題）
山東大學 王曉然 劉嘉琦 亓曉雯 指導教師：劉甜甜
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摘要: 本文提出了(le)一(yī)套基于德州儀器(qì)MSP430微控制器(qì)設計的低(dī)功耗短距視頻信号無線通信網絡。該系統中從節點B具有 AV輸出端子(zǐ)的彩色攝像頭采集到的模拟視頻信号通過由以MSP430爲核心的低(dī)功耗OSD選擇性疊加字母“B”，再調制到2.4GHz的載波上(shàng)發射出去；從節點C具有與B節點相同的部分(fēn)，同時C節點還有對B節點發射的信号調諧接收，放(fàng)大并轉發的電路(lù)；主節點A則調諧、解調從節點B與C發射的信号，并通過AV端子(zǐ)輸出。該方案采用了(le)德州儀器(qì)的MSP430低(dī)功耗微控制器(qì)，實現了(le)低(dī)功耗的OSD疊加和視頻信号短距離傳輸的。
關鍵詞： 無線通信 視頻信号 2.4GHz 視頻疊加 OSD
一(yī)、系統方案
（一(yī)）系統總體方案設計
本方案節點A由接收天線、調諧器(qì)、解調器(qì)構成，節點B由攝像頭、OSD模塊、載波産生(shēng)模塊、調制模塊、發射天線構成，節點C由攝像頭、OSD模塊、載波産生(shēng)模塊、調制模塊、接收天線、調諧模塊、功放(fàng)模塊、發射天線構成。系統總體結構框圖如(rú)圖1所示。
圖1 系統硬件整體設計
（二）方案設計與論證
1. OSD疊加方案
方案一(yī)：采用MAX7456單通道、單色随屏顯示發生(shēng)器(qì)，集成了(le)視頻驅動器(qì)、同步分(fēn)離器(qì)、視頻分(fēn)離開關以及 EEPROM。采用符合NTSC制式和PAL制式，用戶可自定義256個字符。可以很容易地顯示公司标識，自定義圖片，時間與日期等符号，且可以任意定義字符屬性與大小。
方案二：采用日本FUJITSU公司生(shēng)産的用CMOS工藝制成的可編程大規模集成電路(lù)芯片MB90092。内部集成了(le)顯示内存、外挂字庫接口和視頻信号發生(shēng)器(qì)，外部隻需連接少量的元件就(jiù)可以顯示漢字和圖形，字符單元可以任意八種不同的顔色顯示。
方案三：采用德州儀器(qì)公司的低(dī)功耗微處理(lǐ)器(qì)MSP430和視頻同步信号分(fēn)離芯片LM1881。采用MSP430根據同步信号控制模拟開關TS5A3160在輸出端切換原視頻信号和白色亮度信号。
方案四：原理(lǐ)同方案三，視頻同步信号采用由二極管鉗位後的視頻信号和參考電平在MSP430内部的比較器(qì)比較得出。疊加的白色電平信号由MSP430的IO直接輸出通過二極管耦合疊加在原視頻信号上(shàng)。
由于本題目有比較高的低(dī)功耗要求，所以選擇功耗最低(dī)的方案四。
2. 調制解調方式
方案一(yī)：采用AM方式。AM方式接收設備簡單，但(dàn)是信号頻帶較寬，功率利用率低(dī)，抗幹擾能(néng)力差，在傳輸過程中如(rú)果載波受到信道的選擇性衰落，則在包絡檢波時會出現過調失真。
方案二：采用DSB方式。DSB方式的優點是功率利用率高，但(dàn)帶寬與AM相同，接收要求同步解調，設備較複雜。
方案三：采用SSB方式。SSB方式的優點是功率利用率、相頻帶利同率都較高，抗幹擾能(néng)力和抗選擇性衰落能(néng)力均優于AM，但(dàn)帶寬隻有AM的一(yī)半；缺點是發送和接收設備都複雜。
方案四：采用VSB方式。VSB方式的訣竅在于部分(fēn)抑制了(le)發送邊帶，同時又利用平緩滾降濾波器(qì)補償了(le)被抑制部分(fēn)。VSB的性能(néng)與SSB相當。
方案五：采用FM方式。FM波的幅度恒定不變，這使它對非線性器(qì)件不甚敏感，給FM帶來了(le)抗快(kuài)衰落能(néng)力。寬帶FM的抗幹擾能(néng)力強，可以實現帶寬與信噪比的互換。寬帶FM的缺點是頻帶利用率低(dī)，存在門限效應，因此在接收信号弱，幹擾大的情況下(xià)宜采用窄帶FM，另窄帶FM采用相幹解調時不存在門限效應。
綜合考慮，選擇方案五。
3. 載波頻率選擇
方案一(yī)：采用特高頻。特高頻(UHF)是指頻率爲300~3000MHz，波長在1m~1dm的無線電波。該波段的無線電波又稱爲分(fēn)米波。這個頻段的無線電波常用于廣播電視領域。
方案二：采用甚高頻。甚高頻(VHF)是指頻帶由30 MHz到300 MHz的無線電電波。VHF多數是用作(zuò)電台及電視台廣播，同時又是航空和航海的溝通頻道。VHF主要是作(zuò)較短途的傳送，和高頻(HF)不同的是，電離層通常不會反射VHF的信号，而且甚高頻常常會受環境因素影響，可抗幹擾能(néng)力弱，可能(néng)會導緻傳輸圖像信号失真。
方案三：采用2.4G，由于其頻段處于2.400GHz~2.4835GHz之間，所以簡稱2.4G無線技術。2.4G在全球免申請ISM頻道2400M-2483M範圍内。
綜合考慮所需信道帶寬和無線電管理(lǐ)局的技術要求，選擇方案三。
2. 中繼方案
方案一(yī)：對接收到的信号解調、整形、重新(xīn)調制、功率放(fàng)大後再次發送。
方案二：對調諧後的信号直接進行功放(fàng)後重新(xīn)發送。
由于本題目有比較高的低(dī)功耗要求，而且題目要求傳輸距離比較短，所受幹擾比較小所以選擇方案二。
按照天線周圍爲無限大真空空間的理(lǐ)想傳播條件計算(suàn)所需發射功率。電波在自由空間傳播時，其能(néng)量既不會被障礙物所吸收，也(yě)不會産生(shēng)反射或散射。
通信距離與發射功率、接收靈敏度和工作(zuò)頻率有關。
[Lfs](dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)
假定大氣、遮擋等造成的損耗爲25dB, 接收靈敏度爲-75dBm，傳輸距離按20m計算(suàn)。
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
所以發射功率至少應爲+10dBm（10mW）。
三、主要硬件電路(lù)設計
從節點攝像頭采集到的視頻信号通過OSD模塊疊加相應的字母後調制到2.4GHz載波上(shàng)發射出去，主節點調諧解調從節點發出的信号後通過AV端子(zǐ)輸出。各模塊原理(lǐ)圖如(rú)下(xià)：
1. OSD模塊
由D2、D3、R9、R10構成的鉗位電路(lù)将通過C13耦合的攝像頭CVBS信号鉗位後輸出到MSP430内部比較器(qì)的同向輸入端，R8分(fēn)壓得到同步電平的參考電壓輸入到比較器(qì)的反向輸入端。當CVBS處于行同步型号時比較器(qì)輸出較窄的低(dī)電平，場同步信号時輸出比較寬的低(dī)電平。MSP430根據同步信号在預先設置的像素位置時刻輸出高電平，通過D4和R10疊加到視頻信号上(shàng)。