CN105979290A - 一种cofdm高速无线图传发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明为无人机航拍和无线视频监控提出了一种基于COFDM的高速无线图传发射机，包括：基带编码调制模块，用于接收输入图像数据码流并转换为具备特定频谱的基带调制信号；射频模块，用于将上述基带调制信号上变频至设定的频率；其中，所述基带编码调制模块包括：基带成帧、帧扰码、BCH编码、LDPC编码、比特交织、星座映射、星座旋转、时间交织、时间帧映射、频率交织、导频***、IFFT变换、保护间隔、频谱成形；所述射频模块包括：数模变换器（DAC）、压控振荡器（VCO）、上变频器（Modulator）、带通滤波器（BPF）、功率放大（PA）；使用所述的基于COFDM的高速无线图传发射机，在无人机航拍等高速移动的环境下，能够显著提高视频数据传输速率，满足高清和超高清图像传输的要求。

Description

一种COFDM高速无线图传发射机
技术领域
本发明为无人机航拍和无线视频监控提出了一种基于COFDM的高速无线图传发射机方案。使用该方案，在无人机航拍等高速移动的环境下，能够显著提高视频数据传输速率，满足高清和超高清图像传输的要求。
背景技术
COFDM（编码正交频分复用）作为一种多载波调制技术，将数据调制到多个相互正交的子载波上同时发送，具有频谱效率高、可支持的数据传输速率大、抗多径和抗频率选择性衰落能力强等优点，广泛地用于无人机航拍和无线视频监控领域。
目前市场上广泛使用的以COFDM为基础的无线图传发射机产品，编码采用RS码和卷积码级联的方式，纠错能力有限，无法在高速移动造成的深度衰落信道下有效地纠正随机或突发错误；调制最高采用64QAM，频谱利用率不高。在8MHz带宽和100KM/H的高速移动环境下，实际能达到的数据传输速率在15Mbps左右。
以H.264标准进行压缩和编码的高清（1920×1080）视频流，数据速率在10Mbps左右，以H.265标准进行压缩和编码的超高清（3840×2160）视频流，数据速率一般在20Mbps以上，质量较好的超高清视频流，数据速率在30Mbps以上。
由此可见，现有以COFDM为基础的无线图传***，在8MHz带宽和高速移动环境下，只能传输1路高清视频，不能传输超高清视频，无法满足无人机航拍和无线视频监控领域对高质量图像质量的要求。
发明内容
针对现有无线图传产品所存在的上述问题，本发明提供一种能实现高速数据传输速率的COFDM无线图传发射机方案，在同等条件下可以实现40Mbps数据传输速率，充分满足高清和超高清视频的传输需求。
本发明是一种基于COFDM的高速视频无线图传发射机，包括：基带编码调制模块，用于接收输入图像数据码流并转换为具备特定频谱的基带调制信号；射频模块，用于将上述基带调制信号上变频至设定的频率；
其中，所述基带编码调制模块包括：基带成帧、帧扰码、BCH编码、LDPC编码、比特交织、星座映射、星座旋转、时间交织、时间帧映射、频率交织、导频***、IFFT变换、保护间隔、频谱成形；
所述基带成帧用于把输入图像数据码流进行分片，并***帧头拼装成固定长度的数据帧。
所述帧扰码用于随机化传输数据帧，采用伪随机序列实现。
所述BCH编码用于对固定长度的数据帧进行第一级纠错编码。
所述LDPC编码用于对固定长度的数据帧进行第二级纠错编码。
所述比特交织用于对两级纠错编码后的数据进行第一级交织。
所述星座映射用于对比特交织后的单路数据转换为I、Q两路数据，并根据设置分别进行QPSK/16QAM/64QAM/256QAM/1024QAM的映射。
所述星座旋转将映射后的星座符号旋转一个与映射阶数相关的角度。
所述时间交织用于对星座旋转后的数据进行第二级交织。
所述时间帧映射用于在时间交织后的数据中***控制信令符号。
所述频率交织用于对星座旋转后的数据进行第三级交织。
所述导频***用于对频率交织后的数据的特定位置***不同类型的导频符号。
所述导IFFT变换用于对导频***后的数据进行频域到时域的变换。
所述保护间隔用于对IFFT变换后的数据进行循环保护间隔的***。
所述频谱成形用于对保护间隔***后的数据数字滤波，滤除谐波和镜像，形成特定的频谱特征。
其中，所述射频模块包括：数模变换器（DAC）、压控振荡器（VCO）、上变频器（Modulator）、带通滤波器（BPF）、功率放大（PA）；
所述数模变换器用于数字基带数据变换为I、Q两路正交的模拟信号。
所述压控振荡器用于产生需要的载波信号。
所述上变频器用于将I、Q两路正交的模拟信号调制到载波信号上。
所述带通滤波器用于滤除模拟信号上的谐波和镜像。
所述功率放大用于放大调制后的信号，以便通过天线辐射出去。
附图说明
图1 为本发明较佳实施例提供一种基于COFDM的高速视频无线图传发射机的模块示意图。
图2 为图1中基带编码调制模块的内部模块示意图。
图3 为图2中基带成帧中数据帧结构图。
图4 为图2中帧扰码的实施框图。
图5 为图2中BCH编码的实施框图。
图6 为图2中LDPC编码的实施框图。
图7 为图2中比特交织的实施框图。
图8 为图2中星座映射的实施框图。
图9 为图2中时间帧映射的时间帧结构图。
图10 为图2中频率交织的实施框图。
图11 为图2中导频***的实施框图。
图12 为图2中保护间隔的实施框图。
图13 为图1中射频模块的实施框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明是一种基于COFDM的高速视频无线图传发射机，包括：基带编码调制模块，用于接收输入图像数据码流并转换为具备特定频谱的基带调制信号；射频模块，用于将上述基带调制信号上变频至设定的频率。
请参阅图2，其中，所述基带编码调制模块包括：基带成帧、帧扰码、BCH编码、LDPC编码、比特交织、星座映射、星座旋转、时间交织、时间帧映射、频率交织、导频***、IFFT变换、保护间隔、频谱成形。
请参阅图3，所述基带成帧后的数据帧结构如下，其中帧头共10字节，包括：传输模式(2字节)、用户数据长度(4字节)、同步字节(1字节)、下一个数据包起始的距离(2字节)、包头校验(1字节)。
请参阅图4，所述帧扰码用于随机化传输数据帧，采用伪随机序列实现，所述伪随机序列由一线性反馈移位寄存器生成，其生成多项式为：G(X) ＝ 1+X2+X11，初始值为1111111111100。输入比特码流与该序列进行逐位异或后产生随机化后的数据。
所述BCH编码用于对固定长度的数据帧进行第一级纠错编码。以纠错能力为12比特的3/4编码为例，BCH (N, K)为（48600，48408），请参阅图5，其中决定系数K0~Kn的生成多项式为：
g1(x) = 1+x2+x3+x5+x16
g2(x) = 1+x+x4+x5+x6+x8+x16
g3(x) = 1+x2+x3+x4+x5+x7+x8+x9+x10+x11+x16
g4(x) = 1+x2+x4+x6+x9+x11+x12+x14+x16
g5(x) = 1+x+x2+x3+x5+x8+x9+x10+x11+x12+x16
g6(x) = 1+x2+x4+x5+x7+x8+x9+x10+x12+x13+x14+x15+x16
g7(x) = 1+x2+x5+x6+x8+x9+x10+x11+x13+x15+x16
g8(x) = 1+x+x2+x5+x6+x8+x9+x12+x13+x14+x16
g9(x) = 1+x5+x7+x9+x10+x11+x16
g10(x) = 1+x+x2+x5+x7+x8+x10+x12+x13+x14+x16
g11(x) = 1+x2+x3+x5+x9+x11+x12+x13+x16
g12(x) = 1+x+x5+x6+x7+x9+x11+x12+x16 。
请参阅图6，所述LDPC编码用于对固定长度的数据帧进行第二级纠错编码。该模块由输入缓存模块、校验位地址产生模块、校验位生成模块、累加模块和选择器组成。编码后的码长为64800，所支持的6种编码率/信息比特的组合是： 1/2:32400； 3/5:38880；2/3:43200； 3/4:48600； 4/5:51840；5/6:54000 。
请参阅图7，所述比特交织用于对两级纠错编码后的数据的校验位进行第一级交织。对于256QAM，行数Nr = 4050，列数Nc=16。
请参阅图8，所述星座映射用于对比特交织后的单路数据转换为I、Q两路数据，并根据设置分别进行QPSK/16QAM/64QAM/256QAM/1024QAM的映射。下表是256QAM的映射规则：
输入 1000 1001 1011 1010 1110 1111 1101 1100 0100 0101 0111 0110 0010 0011 0001 0000
输出 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15
所述星座旋转将映射后的星座符号旋转一个与映射阶数相关的角度Φ，假设旋转前的实部和虚部分别是I、Q，选择操作表示如下。
旋转后的实部 = I×cosΦ-Q×sinΦ
旋转后的虚部=I×sinΦ+Q×cosΦ。
请参阅图7，所述时间交织用于对星座旋转后的数据进行第二级交织。对于256QAM，行数Nr = 1620，列数Nc=5。
请参阅图9，所述时间帧映射用于在时间交织后的数据中***控制信令符号。
所述频率交织用于对星座旋转后的数据进行第三级交织，数据按照一个特定的顺序写入，该顺序由一个地址发生函数H（p）产生，数据读出时，按照升序依次读取，整体请参阅图10。
请参阅图11，所述导频***用于对频率交织后的数据的特定位置***不同类型的导频符号。导频有3种类型：离散导频、连续导频、保留单音，其中连续导频的位置保存在一个存储器RAM_CP中，离散导频、连续导频、保留单音的位置分别由相应的计算器 SP_calculator 和 TR_calculator 产生。每输入一个数据，写入FIFO，同时计数器递增，如果当前位置应该产生导频，则输出对于的导频符号，否则从FIFO读出数据。
所述 IFFT变换用于对导频***后的数据进行频域到时域的变换；共有8种模式：1K、2K、4K、8K、16K、32K，对应的有效载波数分别是853、1705、3409、6817、13633、27265。
请参阅图12，所述保护间隔用于对IFFT变换后的数据进行循环保护间隔的***；共有7种模式：1/128、1/32、1/16、19/256、1/8、19/128、1/4。下面以4K，1/4模式为例，说明其实现原理：
输入数据被写入存储器RAM中，当写入数目达到4096×（1-1/4）=3072时，开始把输入直接输出，待输出4096×1/4 =1024个数据时，开始输出RAM中存储的4096个数据，共计输出4096×（1+1/4）=5120个数据。
所述频谱成形用于对保护间隔***后的数据进行数字滤波，滤除谐波和镜像，形成特定的频谱特征，作为一个实现实例，采用33阶FIR低通滤波器，汉明窗函数，截止频率为0.3。
其中，所述射频模块包括：数模变换器（DAC）、压控振荡器（VCO）、上变频器（Modulator）、带通滤波器（BPF）、功率放大（PA）, 请参阅图13；
所述数模变换器用于数字基带数据变换为I、Q两路正交的模拟信号；
所述压控振荡器用于产生需要的载波信号；
所述上变频器用于将I、Q两路正交的模拟信号调制到载波信号上；
所述带通滤波器用于滤除模拟信号上的谐波和镜像；
所述功率放大用于放大调制后的信号，以便通过天线辐射出去。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.本发明是一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：其包括：基带编码调制模块，用于接收输入图像数据码流并转换为具备特定频谱的基带调制信号；射频模块，用于将上述基带调制信号上变频至设定的频率；
其中，所述基带编码调制模块包括：基带成帧、帧扰码、BCH编码、LDPC编码、比特交织、星座映射、星座旋转、时间交织、时间帧映射、频率交织、导频***、IFFT变换、保护间隔、频谱成形；
其中，所述射频模块包括：数模变换器（DAC）、压控振荡器（VCO）、上变频器（Modulator）、带通滤波器（BPF）、功率放大（PA）。
2.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：所述基带成帧后的帧头共10字节，包括：传输模式(2字节)、用户数据长度(4字节)、同步字节(1字节)、下一个数据包起始的距离(2字节)、包头校验(1字节)。
3.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：使用BCH编码用于对数据帧进行第一级纠错编码，使用LDPC编码用于对数据帧进行第二级纠错编码。
4.如权利要求3所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：使用的LDPC编码模块由输入缓存模块、校验位地址产生模块、校验位生成模块、累加模块和选择器组成；5.编码后的码长为64800，所支持的6种编码率/信息比特的组合是： 1/2:32400； 3/5:38880；2/3:43200； 3/4:48600； 4/5:51840；5/6:54000。
5.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：所述星座映射使用了5种映射方式：QPSK、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM。
6.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：所述星座旋转将映射后的星座符号旋转一个与映射阶数相关的角度Φ，假设旋转前的实部和虚部分别是I、Q，旋转操作表示如下：
旋转后的实部 =I×cosΦ-Q×sinΦ
旋转后的虚部=I×sinΦ+Q×cosΦ 。
7.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：所述导频***用于对频率交织后的数据的特定位置***不同类型的导频符号；导频有3种类型：离散导频、连续导频、保留单音，其中连续导频的位置保存在一个存储器RAM_CP中，离散导频、连续导频、保留单音的位置分别由相应的计算器 SP_calculator 和 TR_calculator 产生；每输入一个数据，写入FIFO，同时计数器递增，如果当前位置应该产生导频，则输出对于的导频符号，否则从FIFO读出数据。
8.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：所述IFFT变换用于对导频***后的数据进行频域到时域的变换；共有8种模式：1K、2K、4K、8K、16K、32K，对应的有效载波数分别是853、1705、3409、6817、13633、27265。
9.如权利要求1所述的一种COFDM高速无线图传发射机，其特征在于：所述保护间隔用于对IFFT变换后的数据进行循环保护间隔的***；共有7种模式：1/128、1/32、1/16、19/256、1/8、19/128、1/4 。
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