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发表于 2019-2-6 21:22:57
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本帖最后由 满座衣冠胜雪 于 2019-1-27 10:20 编辑
摘要:
本文提出了一套基于德州仪器MSP430微控制器设计的低功耗短距视频信号无线通信网络。该系统中从节点B具有 AV输出端子的彩色采集到的模拟视频信号通过由以MSP430为核心的低功耗OSD选择性叠加字母“B”，再调制到2.4GHz的载波上发射出去；从节点C具有与B节点相同的部分，同时C节点还有对B节点发射的信号调谐接收，放大并转发的电路；主节点A则调谐、解调从节点B与C发射的信号，并通过AV端子输出。该方案采用了德州仪器的MSP430低功耗微控制器，实现了低功耗的OSD叠加和视频信号短距离传输的。
关键词： 无线通信、视频信号2.4GHz、视频叠加 OSD
一、系统方案
（一）系统总体方案设计
本方案节点A由接收天线、调谐器、解调器构成，节点B由、OSD模块、载波产生模块、调制模块、发射天线构成，节点C由**、OSD模块、载波产生模块、调制模块、接收天线、调谐模块、功放模块、发射天线构成。系统总体结构框图如图1所示。
（二）方案设计与论证
1. OSD叠加方案
方案一：采用MAX7456单通道、单色随屏显示发生器，集成了视频驱动器、同步分离器、视频分离开关以及 EEPROM。采用符合NTSC制式和PAL制式，用户可自定义256个字符。可以很容易地显示公司标识，自定义图片，时间与日期等符号，且可以任意定义字符属性与大小。
方案二：采用日本FUJITSU公司生产的用CMOS工艺制成的可编程大规模集成电路芯片MB90092。内部集成了显示内存、外挂字库接口和视频信号发生器，外部只需连接少量的元件就可以显示汉字和图形，字符单元可以任意八种不同的颜色显示。
方案三：采用德州仪器公司的低功耗微处理器MSP430和视频同步信号分离芯片LM1881。采用MSP430根据同步信号控制模拟开关TS5A3160在输出端切换原视频信号和白色亮度信号。
方案四：原理同方案三，视频同步信号采用由二极管钳位后的视频信号和参考电平在MSP430内部的比较器比较得出。叠加的白色电平信号由MSP430的IO直接输出通过二极管耦合叠加在原视频信号上。
由于本题目有比较高的低功耗要求，所以选择功耗最低的方案四。
2. 调制解调方式
方案一：采用AM方式。AM方式接收设备简单，但是信号频带较宽，功率利用率低，抗干扰能力差，在传输过程中如果载波受到信道的选择性衰落，则在包络检波时会出现过调失真。
方案二：采用DSB方式。DSB方式的优点是功率利用率高，但带宽与AM相同，接收要求同步解调，设备较复杂。
方案三：采用SSB方式。SSB方式的优点是功率利用率、相频带利同率都较高，抗干扰能力和抗选择性衰落能力均优于AM，但带宽只有AM的一半；缺点是发送和接收设备都复杂。
方案四：采用VSB方式。VSB方式的诀窍在于部分抑制了发送边带，同时又利用平缓滚降滤波器补偿了被抑制部分。VSB的性能与SSB相当。
方案五：采用FM方式。FM波的幅度恒定不变，这使它对非线性器件不甚敏感，给FM带来了抗快衰落能力。宽带FM的抗干扰能力强，可以实现带宽与信噪比的互换。宽带FM的缺点是频带利用率低，存在门限效应，因此在接收信号弱，干扰大的情况下宜采用窄带FM，另窄带FM采用相干解调时不存在门限效应。
综合考虑，选择方案五。
3. 载波频率选择
方案一：采用特高频。特高频(UHF)是指频率为300~3000MHz，波长在1m~1dm的无线电波。该波段的无线电波又称为分米波。这个频段的无线电波常用于广播电视领域。
方案二：采用甚高频。甚高频(VHF)是指频带由30 MHz到300 MHz的无线电电波。VHF多数是用作电台及电视台广播，同时又是航空和航海的沟通频道。VHF主要是作较短途的传送，和高频(HF)不同的是，电离层通常不会反射VHF的信号，而且甚高频常常会受环境因素影响，可抗干扰能力弱，可能会导致传输图像信号失真。
方案三：采用2.4G，由于其频段处于2.400GHz~2.4835GHz之间，所以简称2.4G无线技术。2.4G在全球免申请ISM频道2400M-2483M范围内。
综合考虑所需信道带宽和无线电管理局的技术要求，选择方案三。
4. 中继方案
方案一：对接收到的信号解调、整形、重新调制、功率放大后再次发送。
方案二：对调谐后的信号直接进行功放后重新发送。
由于本题目有比较高的低功耗要求，而且题目要求传输距离比较短，所受干扰比较小所以选择方案二。
二、理论分析与计算
按照天线周围为无限大真空空间的理想传播条件计算所需发射功率。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。
通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。
假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB, 接收灵敏度为-75dBm，传输距离按20m计算。
所以发射功率至少应为+10dBm（10mW）。
三、主要硬件电路设计
从节点采集到的视频信号通过OSD模块叠加相应的字母后调制到2.4GHz载波上发射出去，主节点调谐解调从节点发出的信号后通过AV端子输出。各模块原理图如下：
1. OSD模块
由D2、D3、R9、R10构成的钳位电路将通过C13耦合的**CVBS信号钳位后输出到MSP430内部比较器的同向输入端，R8分压得到同步电平的参考电压输入到比较器的反向输入端。当CVBS处于行同步型号时比较器输出较窄的低电平，场同步信号时输出比较宽的低电平。MSP430根据同步信号在预先设置的像素位置时刻输出高电平，通过D4和R10叠加到视频信号上。
2. 中继模块
L2和C16构成谐振电路，将接受到的节点B发出的信号通过C15耦合到由Q1和Q2构成的二级功率放大电路进行放大后经天线发射。
四、主要软件算法设计
MSP430初始化后启动定时器，使能比较器输出下降沿中断。
五、测试方法与测试结果分析
（一）测试方法
1.测试仪器:
高精度的数字万用表，彩色电视机，数字示波器，米尺。
2.测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
3.测试结果：
(1) 由从节点B到主节点A的单向视频信号传输良好。电视机显示的视频内容应清晰无闪烁、色彩正常，与**直接用AV电缆连接到电视机的图像质量无明显差异，通信距离9.2m。
(2) 由从节点C到主节点A的单向视频信号传输良好。电视机显示的视频内容应清晰无闪烁、色彩正常，与**直接用AV电缆连接到电视机的图像质量无明显差异，通信距离8.7m。
(3) 同时实现两个从节点B和C到主节点A的单向视频信号传输。
(4) 通过开关控制，从节点B和C在其发射的视频信号中，分别叠加对应字符“B”和“C”的图案。
(5) 从节点B和C必须分别采用两节1.5V AA干电池供电，在通信距离为5m，图像质量良好的情况下，B节点功耗88.4mW。C节点93.6mW。
(6) 可以指定从节点C为中继转发节点，实现由从节点B到主节点A间的视频信号中继通信。B节点到主节点 A 总的通信距离为20m，图像质量良好。
（二）测试结果分析
由测试结果可得，该设计满足基本部分要求，实现了字符在视频信号上的叠加和节点B、C到节点A的视频信号传输，电视机显示的视频内容应清晰无闪烁、色彩正常，与**直接用AV电缆连接到电视机的图像质量无明显差异，最小通信距离不小于5m。
两节1.5V AA干电池供电，启动叠加字符功能，在通信距离为5m时从节点B和C的功耗均应小于150mW。可以指定从节点 C 为中继转发节点，要求 B 节点到主节点 A 总的通信距离不小于10m，图像质量要求同基本要求。从节点 C 在转发从节点 B 视频信号到主节点A的同时，仍能传输自己的视频信号到主节点 A。主节点可通过开关选择显示从节点B或C的视频内容，图像质量与通信距离要求同基本要求。
综上所述，本设计完成题目基本部分与发挥部分所有要求。
六、设计总结
在本次设计大赛中，我们小组成员分工明确，紧密合作，不但完成了题目的基本要求部分，发挥部分也有所突破。通过这次比赛，我们获益匪浅，也深刻体会到：实践是理论运用的最好检验。在此，感谢和期待各位指导老师和评委老师的指导和建议！
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