专利名称：应用于视频传感器的基带处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线传感技术，尤其涉及一种应用于视频传感器的基带处理装置。
背景技术：
传感器是一种能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，由传感器组成的无线传感网已得到广泛的应用，，例如智能家居、环境监控、工业控制、野外勘探、军事侦察等。在无线传感网系统中，包括两大部分，发射端和接收端。在现有的无线传感网中，基带处理都是基于单载波时域均衡方式和扩频方式。单载波实现较简单，发送端首先从信源或信道编码器获取数据，然后进行星座图映射，最后进行上采样滤波，或者由数字频合产生一个数字中频再接入射频电路。接收端将射频信号送入中频解调器得到数字基带信号，然后通过时域均衡器来消除符号间干扰，最后通过星座图逆映射完成符号判决。扩频方式是在单载波基础上加一个扩频器和解扩器，扩频器包括扩频序列产生器和乘法器，通过输入数据和扩频码序列相乘，将每个比特数据扩展成若干位码片，解扩器是一个与所选扩频器对应的匹配滤波器，将输入序列与本地扩频序列进行相关运算，并将运算结果送入判决器。两者相较，基于单载波的传感器节点基带处理简单，算法复杂度低，但在多径丰富的城市无线环境中，会存在严重的符号间干扰，为克服符号间干扰，需要进行时域均衡，而时域均衡器的设计会比较复杂。相应地，扩频传感器节点的通信距离较远，但频谱效率和传输速率较低，并不适合数据量较大的应用场合。随着数字信号处理技术的飞速发展，使得多载波在数字基带中实现成为可能，这其中最关键的技术之一就是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)和离散傅里叶逆变换(Inverse Discrete Fourier Transform, IDFT)。快速傅里叶变换(FastFourier Transform, FFT)的提出和应用大大简化了算法,多载波系统因此得到广泛应用。在双向系统中，调制电路包括一个快速傅里叶逆变换(Inverse Fast FourierTransformation, IFFT)装置，解调电路包括一个FFT装置，如果傅里叶变换长度较长时，这两个装置会占用大量的资源。另外，在多载波系统中，传输的OFDM信号包括帧头、导频符号和数据符号，帧头主要用来进行同步，为了对抗城市环境下的时间和频率选择性衰落，通常选择相关性能好、长度长的PN序列，同时解调电路中包括一个PN序列的匹配滤波器，并行进行乘加运算，在高采样率的情况下会消耗大量的硬件资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于视频传感器的基带处理装置，用于解决现有技术中系统复杂、运算繁琐以及耗用大量硬件资源等问题。本发明提供一种应用于视频传感器的基带处理装置，包括数字调制电路和数字解调电路，其中，所述数字调制电路包括:子载波映射模块、IFFT变换模块、加循环器、加窗器、限幅器、以及上采样滤波器；所述数字解调电路包括:下采样滤波器、辅助同步器、去循环器、FFT变换模块、子载波解映射模块、信道估计器、均衡器、以及判决器；所述IFFT变换模块和所述FFT变换模块共用一个FFT核，所述FFT核按照时分方式复用；所述辅助同步器的设计方法基于GPS和长循环前缀。可选地，所述子载波映射模块包括:串并变换器，与一信源/信道编码器连接，用于根据接收自所述信源/信道编码器输出的数据的序号，将所述数据分成由奇数序号构成的第一路数据和由所述偶数序号构成的第二路数据；经串并变换后的时钟速率是变换前的时钟频率的一半；QPSK调制器，与所述串并变换器连接，采用星座图映射的方式，每个QPSK符号作为一个子载波数据，每一个QPSK符号的实部作为I路的输出，每一个QPSK符号的虚部作为Q路的输出；符号映射器，与所述QPSK调制器连接，用于将一组子载波数据映射成一个OFDM符号；加导频单兀,与所述符号映射器连接，为所述符号映射器输出的OFDM符号插入导频符号。可选地，所述符号映射器包括:实部存储器，用于存储I路数据；虚部存储器，用于存储Q路数据；逻辑控制，用于产生所述实部存储器和所述虚部存储器的写入地址，根据OFDM子载波映射关系决定下一个写入地址，未写入位置则为虚子载波。可选地，所述加导频器包括控制逻辑和本地ROM存储器，其中，所述OFDM符号的块状导频信息存储在所述本地ROM存储器中，所述ROM存储器的输出和所述符号映射器的输出通过MUX复用器实现复用；所述加导频器的控制逻辑产生使能信号决定所述MUX复用器输出导频符号或数据符号。可选地，所述IFFT变换模块包括:IFFT控制器和由所述IFFT控制器控制且复用的FFT核。可选地，所述FFT核采用基于Radix-22结构。可选地，所述加循环器用于为每一个OFDM符号加入循环前缀和循环后缀，包括:两个RAM存储器，用于分别存储经由所述IFFT变换模块变换后的I路数据、Q路数据；地址产生器，用于顺序产生写地址。可选地，所述加窗器包括:一个本地ROM存储器，用于存储升余弦函数的时域响应；两个乘法器，用于将带有循环前缀和循环后缀的I路数据、Q路数据分别与本地的升余弦函数相乘；两个本地RAM存储器，分别与两个所述乘法器连接，用于分别存储两个所述乘法器的乘法结果；两个加法器，用于分别将两个所述两个本地RAM存储器中存储的当前OFDM符号的循环后缀数据与下一个OFDM符号的部分循环前缀数据相加，得到加窗后的CFDM循环前缀。可选地，所述限幅器包括:第一 CORDIC变换器，用于接收所述加窗器输出的I路数据、Q路数据，实现直角坐标到极坐标表示形式的变换，输出时域信号的幅度信息和相位信息；比较器，用于对接收自所述第一 CORDIC变换器输出的幅度值和预设的幅度值进行比较；若所述幅度值小于预设的所述幅度值，则所述比较器的输出为第一个CORDIC变换器输出的幅度值，反之，若所述幅度值大于预设的所述幅度值，则所述比较器的输出为第一个CORDIC变换器输出的预设的幅度值；低通滤波器，与所述比较器连接，用来滤除硬限幅引入的高频分量；第二 CORDIC变换器，用于接收所述低通滤波器的输出以及所述第一 CORDIC变换器输出的相位信息，实现极坐标到直角坐标表示形式的变换，得到正交和同相的I路数据、Q路数据。可选地，所述上采样滤波器包括:内插器，与所述限幅器，完成采样点之间的插值，插值后的采样速率变为插值前的M倍；FIR滤波器，与所述内插器连接，用来抑制信号频域周期延拓分量。可选地，所述内插器双端口 RAM，输入端口为内插前数据和基础时钟速率，输出端口为内插后数据和基础时钟速率的M倍，两端的地址均为顺序存取，输入端口时间上超前于输出端口。可选地，所述下采样滤波器包括:FIR滤波器，用来抑制信号频域周期延拓分量；抽取器，与所述FIR滤波器连接，从所有子载波中抽取若干子载波。可选地，所述去循环器用于去除每一个OFDM符号中的循环前缀和循环后缀，包括:两个RAM存储器，用于分别存储经由所述辅助同步器输出的I路数据、Q路数据；地址产生器，用于顺序产生读地址。可选地，所述FFT变换模块包括:FFT控制器和由所述FFT控制器控制的复用FFT核。可选地，所述子载波解映射模块包括:导频子载波提取器，包括:用于产生导频符号的使能信号的一个本地计数器；以及在导频符号的使能信号有效的情况下，分别用于存储FFT变换模块输出的I路数据、Q路数据的两个导频RAM存储器；数据子载波提取器，包括:用于产生数据符号的使能信号的一个本地计数器；以及在数据符号的使能信号有效的情况下，分别用于存储FFT变换模块输出的I路数据、Q路数据的两个数据RAM存储器；两个所述导频RAM存储器和两个所述数据RAM存储器共用一个读地址产生器，根据子载波映射规则，提取出数据子载波和导频子载波，删除虚子载波。可选地，所述信道估计器包括:本地导频ROM存储器，由所述导频子载波提取器给出的导频信号的使能信号控制，当导频信号的使能信号为有效时，依次输出本地ROM中存储的导频符号；复数除法器，其中，被除数与导频子载波提取器的输出相连，除数与本地导频ROM存储器相连，复数除法器将本地导频符号和解调后的导频符号相除，得到当前信道响应的最小二乘LS估计结果；可调滤波器，与所述复数除法器连接，用于对所述复数除法器输出的最小二乘LS估计结果进行滤波处理。可选地，所述均衡器包括复数除法器，所述复数除法器的被除数与数据子载波提取器的输出相连，除数与信道估计器的输出相连，解调后的数据子载波除以信道估计参数，消除数据子载波在传输过程中造成的幅度和相位失真，得到星座图上对应的I路数据、Q路数据。可选地，所述判决器包括:硬判决器，包括QPSK解映射器，与所述均衡器输出的I路数据、Q路数据相连，用于通过判断I路数据、Q路数据的正负，得到与QPSK调制器对应的2bit数据，并将所述2bit传送至所述信道解码器；软判决器，用于将所述均衡器输出的I路数据、Q路数据经过并串变换直接传送至所述信道解码器。本发明在提供基带处理装置中，将IFFT变换模块和FFT变换模块复用，即，IFFT变换模块和FFT变换模块共用一个FFT核，节省了硬件资源。另外，本发明的提供基带处理装置，其中的辅助同步器采用了基于GPS和长循环前缀的设计思路，节省了物理帧的帧头开销，并利用GPS和循环前缀进行同步，无需复杂的捕获算法，提高了频谱利用率。
图1为本发明基带处理装置的在一个实施方式中的功能模块示意图。图2为基于Radix-22处理结构示意图。图3为应用于本发明的限幅器的结构示意图。图4为应用于本发明的FIR多相滤波器结构。图5a和图5b，分别为现有技术中的同步方法的示意图以及本发明中辅助同步器基于GPS和长循环前缀的同步方法的示意图。图6为应用于本发明的信道估计器的结构示意图。
具体实施例方式本发明的发明人发现:在现有无线传感网的基带处理技术的多载波系统中，调制电路中的IFFT装置和解调电路中FFT装置是两个独立装置，如果傅里叶变换长度较长时，这两个装置会占用大量的资源；另外，在多载波系统中，传输的OFDM信号包括帧头、导频符号和数据符号，在进行同步运算时会消耗大量的硬件资源。因此，为防止上述各个问题，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提供了一种新的基带处理装置，主要在于利用一个共用FFT核实现IFFT变换模块和FFT变换模块的复用，并在辅助同步器中采用了基于GPS和长循环前缀的设计思路，节省了物理帧的帧头开销，利用GPS和循环前缀进行同步，无需复杂的捕获算法，提高了频谱利用率，节省了系统资源。下面结合图示更完整的描述本发明，本发明提供的优选实施例，但不应被认为仅限于在此阐述的实施例中。参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。图1为本发明基带处理装置的在一个实施方式中的功能模块示意图。如图1所示，所述基带处理装置应用于由视频传感器组成的无线传感网中，无线传感网可以适用于例如智能家居、环境监控、工业控制、野外勘探、军事侦察等多种场景或应用中。在这里，所述基带处理是基于多载波系统的。在本发明中，所述基带处理装置包括数字调制电路和数字解调电路，其中，所述数字调制电路包括:子载波映射模块11、IFFT变换模块12、加循环器13、加窗器14、限幅器
15、以及上采样滤波器16 ;所述数字解调电路包括:下采样滤波器21、辅助同步器22、去循环器23、FFT变换模块24、子载波解映射模块25、信道估计器26、均衡器27、以及判决器28。以下对上述各个器件进行详细说明。子载波映射模块11包括一个串并变换器111，一个QPSK调制器112，一个符号映射器113和一个加导频单元114。串并变换器111与信源/信道编码器30连接，根据接收自信源/信道编码器30输出的数据的序号，将所述数据拆分成两路，其中，奇数序号的数据作为第一路，偶数序号的数据作为第二路。另外，经串并变换后的时钟速率是变换前的时钟频率的一半。QPSK调制器112的输入与串并变换器111的输出相连，采用星座图映射的方式，每一个QPSK符号作为一个子载波数据，所述子载波数据可以表示成复数的形式:01—> 1-j，00— > l+j，10— > -l+j，11— > -l-j。每一个QPSK符号的实部作为I路的输出(即，I路数据)，每一个QPSK符号的虚部作为Q路的输出(即，Q路数据)。符号映射器113的输入与QPSK调制器112的输出相连，用于将一组子载波数据映射成一个OFDM符号。在这里，符号映射器113包括两个RAM存储器(分别称为实部存储器和虚部存储器)以及一个逻辑控制。所述实部存储器用于存储I路数据，所述虚部存储器用于存储Q路数据，两个RAM存储器的写地址由所述控制逻辑产生，根据OFDM子载波映射关系决定下一个写入地址，未写入位置为虚子载波。两个RAM存储器的读地址顺序产生，每次读出全部I路和Q路数据,并触发一个使能信号。加导频单兀114的输入与符号映射器113的输出相连,用于为符号映射器113输出的OFDM符号插入导频符号。在本发明中，加导频单元114包括一个控制逻辑和一个本地ROM存储器，其中，所述OFDM符号的块状导频信息存储在本地ROM存储器中，所述ROM存储器的输出和符号映射器113的输出通过一个MUX复用，加导频单元114的控制逻辑产生使能信号决定MUX复用器输出导频符号还是数据符号。IFFT变换模块12包括IFFT控制器121和由IFFT控制器121控制且复用的FFT核122。IFFT控制器121产生IFFT变换的控制参数。FFT核122由发射端和接收端按照时分方式复用，相对于发送端和接收端分别配置FFT核的现有技术，本发明可相对地节省硬件资源。特别地，FFT核122采用基于Radix-22的结构，如此，既有Radix-2的蝶形结构，又具有与Radix-4同样的计算要求的结构。采用三维线性下标映射:
权利要求
1.一种应用于视频传感器的基带处理装置，包括数字调制电路和数字解调电路，其中，所述数字调制电路包括:子载波映射模块、IFFT变换模块、加循环器、加窗器、限幅器、以及上采样滤波器；所述数字解调电路包括:下采样滤波器、辅助同步器、去循环器、FFT变换模块、子载波解映射模块、信道估计器、均衡器、以及判决器； 其特征在于， 所述IFFT变换模块和所述FFT变换模块共用一个FFT核，所述FFT核按照时分方式复用； 所述辅助同步器的设计方法基于GPS和长循环前缀。
2.如权利要求1所述的基带处理装置，其特征在于，所述子载波映射模块包括: 串并变换器，与一信源/信道编码器连 接，用于根据接收自所述信源/信道编码器输出的数据的序号，将所述数据分成由奇数序号构成的第一路数据和由所述偶数序号构成的第二路数据；经串并变换后的时钟速率是变换前的时钟频率的一半； QPSK调制器，与所述串并变换器连接，采用星座图映射的方式，每个QPSK符号作为一个子载波数据，每一个QPSK符号的实部作为I路的输出，每一个QPSK符号的虚部作为Q路的输出； 符号映射器，与所述QPSK调制器连接，用于将一组子载波数据映射成一个OFDM符号； 加导频单元，与所述符号映射器连接，为所述符号映射器输出的OFDM符号插入导频符号。
3.如权利要求2所述的基带处理装置，其特征在于，所述符号映射器包括: 实部存储器，用于存储I路数据； 虚部存储器，用于存储Q路数据； 逻辑控制，用于产生所述实部存储器和所述虚部存储器的写入地址，根据OFDM子载波映射关系决定下一个写入地址，未写入位置则为虚子载波。
4.如权利要求3所述的基带处理装置，其特征在于，所述加导频器包括控制逻辑和本地ROM存储器，其中，所述OFDM符号的块状导频信息存储在所述本地ROM存储器中，所述ROM存储器的输出和所述符号映射器的输出通过MUX复用器实现复用；所述加导频器的控制逻辑产生使能信号决定所述MUX复用器输出导频符号或数据符号。
5.如权利要求2所述的基带处理装置，其特征在于，所述IFFT变换模块包括:IFFT控制器和由所述IFFT控制器控制且复用的FFT核。
6.如权利要求5所述的基带处理装置，其特征在于，所述FFT核采用基于Radix-22结构。
7.如权利要求5所述的基带处理装置，其特征在于，所述加循环器用于为每一个OFDM符号加入循环前缀和循环后缀，包括: 两个RAM存储器，用于分别存储经由所述IFFT变换模块变换后的I路数据、Q路数据； 地址产生器，用于顺序产生写地址。
8.如权利要求7所述的基带处理装置，其特征在于，所述加窗器包括: 一个本地ROM存储器，用于存储升余弦函数的时域响应； 两个乘法器，用于将带有循环前缀和循环后缀的I路数据、Q路数据分别与本地的升余弦函数相乘；两个本地RAM存储器，分别与两个所述乘法器连接，用于分别存储两个所述乘法器的乘法结果； 两个加法器，用于分别将两个所述两个本地RAM存储器中存储的当前OFDM符号的循环后缀数据与下一个OFDM符号的部分循环前缀数据相加，得到加窗后的OFDM循环前缀。
9.如权利要求8所述的基带处理装置，其特征在于，所述限幅器包括: 第一 CORDIC变换器，用于接收所述加窗器输出的I路数据、Q路数据，实现直角坐标到极坐标表示形式的变换，输出时域信号的幅度信息和相位信息； 比较器，用于对接收自所述第一 CORDIC变换器输出的幅度值和预设的幅度值进行比较；若所述幅度值小于预设的所述幅度值，则所述比较器的输出为第一个CORDIC变换器输出的幅度值，反之，若所述幅度值大于预设的所述幅度值，则所述比较器的输出为第一个CORDIC变换器输出的预设的幅度值； 低通滤波器，与所述比较器连接，用来滤除硬限幅引入的高频分量； 第二 CORDIC变换器，用于接收所述低通滤波器的输出以及所述第一 CORDIC变换器输出的相位信息，实现极坐标到直角坐标表示形式的变换，得到正交和同相的I路数据、Q路数据。
10.如权利要求9所述的基带处理装置，其特征在于，所述上采样滤波器包括: 内插器，与所述限幅器，完成采样点之间的插值，插值后的采样速率变为插值前的M倍; FIR滤波器，与所述内插器连接，用来抑制信号频域周期延拓分量。
11.如权利要求10所述的基带处理装置，其特征在于，所述内插器为双端口RAM，输入端口为内插前数据和基础时钟速率，输出端口为内插后数据和基础时钟速率的M倍，两端的地址均为顺序存取，输入端口时间上超前于输出端口。
12.如权利要求9所述的基带处理装置，其特征在于，所述下采样滤波器包括: FIR滤波器，用来抑制信号频域周期延拓分量； 抽取器，与所述FIR滤波器连接，从所有子载波中抽取若干子载波。
13.如权利要求12所述的基带处理装置，其特征在于，所述去循环器用于去除每一个OFDM符号中的循环如缀和循环后缀,包括: 两个RAM存储器，用于分别存储经由所述辅助同步器输出的I路数据、Q路数据； 地址产生器，用于顺序产生读地址。
14.如权利要求5或13所述的基带处理装置，其特征在于，所述FFT变换模块包括:FFT控制器和由所述FFT控制器控制的复用FFT核。
15.如权利要求14所述的基带处理装置，其特征在于，所述子载波解映射模块包括: 导频子载波提取器，包括:用于产生导频符号的使能信号的一个本地计数器；以及在导频符号的使能信号有效的情况下，分别用于存储FFT变换模块输出的I路数据、Q路数据的两个导频RAM存储器； 数据子载波提取器，包括:用于产生数据符号的使能信号的一个本地计数器；以及在数据符号的使能信号有效的情况下，分别用于存储FFT变换模块输出的I路数据、Q路数据的两个数据RAM存储器； 两个所述导频RAM存储器和两个所述数据RAM存储器共用一个读地址产生器，根据子载波映射规则，提取出数据子载波和导频子载波，删除虚子载波。
16.如权利要求15所述的基带处理装置，其特征在于，所述信道估计器包括: 本地导频ROM存储器，由所述导频子载波提取器给出的导频信号的使能信号控制，当导频信号的使能信号为有效时，依次输出本地ROM中存储的导频符号； 复数除法器，其中，被除数与导频子载波提取器的输出相连，除数与本地导频ROM存储器相连，复数除法器将本地导频符号和解调后的导频符号相除，得到当前信道响应的最小_■乘LS估计结果； 可调滤波器，与所述复数除法器连接，用于对所述复数除法器输出的最小二乘LS估计结果进行滤波处理。
17.如权利要求15或16所述的基带处理装置，其特征在于，所述均衡器包括复数除法器，所述复数除法器的被除数与数据子载波提取器的输出相连，除数与信道估计器的输出相连，解调后的数据子载波除以信道估计参数，消除数据子载波在传输过程中造成的幅度和相位失真，得到星座图上对应的I路数据、Q路数据。
18.如权利要求17所述的基带处理装置，其特征在于，所述判决器包括: 硬判决器，包括QPSK解映射器，与所述均衡器输出的I路数据、Q路数据相连，用于通过判断I路数据、Q路数据的正负，得到与QPSK调制器对应的2bit数据，并将所述2bit传送至所述信道解 码器； 软判决器，用于将所述均衡器输出的I路数据、Q路数据经过并串变换直接传送至所述信道解码器。
全文摘要
本发明提供一种应用于视频传感器的基带处理装置，包括数字调制电路和数字解调电路，所述数字调制电路包括子载波映射模块、IFFT变换模块、加循环器、加窗器、限幅器、以及上采样滤波器；所述数字解调电路包括下采样滤波器、辅助同步器、去循环器、FFT变换模块、子载波解映射模块、信道估计器、均衡器、以及判决器；其中，所述IFFT变换模块和所述FFT变换模块共用一个FFT核，所述FFT核按照时分方式复用；所述辅助同步器的设计方法基于GPS和长循环前缀。相对于现有技术，本发明将FFT变换器和IFFT变换器复用，同时省去帧头，利用GPS和循环前缀进行同步，简化了算法并节省了硬件资源，提高了频谱利用率，为工程设计提供了一种切实可行的方法。
文档编号H04L27/26GK103188192SQ20111044975
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者施玉松, 高丹, 张士柱, 汪涵, 张唯易 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所