视频传输系统解决方案

          针对目前通信教学和科研活动中缺乏真实现场验证这一问题，本方案基于USRP和GNU Radio组成的通信实验平台，设计并实现了一个以正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术为基础的视频传输实验。与软件仿真验证相比，实验测试中以真实信道为传输环境，贴近现实的通信系统，使得需要验证的信号处理算法在性能评估上更具有说服力。

1. 功能描述

          视频传输系统主要实现将摄像头信号数据发射到无线电磁环境中，并在接收端将此信号数据进行恢复以及显示。系统由两台上位机、两台USRP-LW X310、两块UBX-LW 40射频子板与天线组成。

          在系统发射端，上位机通过摄像头捕获到视频信号，通过GNU Radio发送模块将视频信号进行处理后通过USRP-LW X310，UBX-LW 40以及天线发射到无线电磁环境中；

          在接收端，系统通过USRP-LW X310，UBX-LW 40以及天线接收无线电磁信号，信号数据通过上位机GNU Radio接收模块进行处理，并将恢复的视频画面显示到上位机。系统支持多种调制方式，数据包支持自定义，发送源可选择文字，图片与视频。系统接收端可显示星座图，频谱图与时域波形图。

图1 视频传输系统框图

2. 系统实现过程

步骤一：在系统中安装gstreamer库，利用mkfifo命令分别创建发射端、接收端中gstreamer和GNU Radio之间管道；

步骤二：通过输入命令连接uvc H.264/MPEG-TS网络摄像头；

步骤三：使用gstreamer中的命令将转化为.ts格式的视频加载到发射端GRC流图中，通过OFDM调制后再使用USRP发送。

步骤四：USRP接收视频后，经过GRC流图中的OFDM解调等模块，将解码的视频经过管道与gstreamer相连，可以使用gst-launch命令播放或者使用mpv命令在mpv播放器上播放（本次实验使用的是mpv播放器实现地播放）。

图2 视频管道配置图

3. 软件界面图

          本次仿真使用设备：性能较高的PC机两台、USRP-LW X310两台、logitech C930摄像头一个（支持UVC H264的摄像设备）。

两台主机环境为：Ubuntu 18.04系统、GNU Radio Companion 3.7.13.5、uhd 3.14.1.1。

（1）发端运行实现

发端GRC流图如图6所示：

 图6 发送端GRC流图

发端集成模块细节如图7和图8所示：

图7 发端Channel Coding集成模块

图8 发端OFDM MIMO Transmitter集成模块

发端传输结果如图9所示：

 图9 发送端传输结果图

（2）接收端运行实现

收端GRC流图如图10所示：

图10 接收端GRC流图

收端集成模块细节如图11和图12所示：

图11 收端OFDM MIMO Receiver集成模块

图12 收端Channel Decoding集成模块

运行结果如图13所示：

图13 接收端运行结果图

5. 整体运行结果图

 图14 视频传输系统实物搭建及整体运行结果图

6. 推荐硬件型号

（1）SDR-LW系列

SDR-LW系列是珞光电子推出的高性能SDR独立设备，由板载处理器、FPGA和射频前端组成。通过Intel X86处理器与FPGA协同工作，增加了软件无线电设备的灵活性。一体机的设计框架使其可以快速地搭建视频传输系统实验环境。建议SDR-LW 2974及SDR-LW 4940两种型号：

（2）USRP-LW系列- USRP-LW X310+UBX-LW 40子板

USRP-LW X310是一款性能卓越，定位于高端的，服务于下一代软件无线电设计和开发的软件无线电设备。支持PCIE接口，以及1 Gbps和10 Gbps Ethernet接口，为USRP与通用处理器（GPP）之间提供了高速接口。

UBX-LW 40是一款全双工宽带收发器，覆盖10MHz至6GHz的频段，瞬时带宽为40MHz。多个UBX子板的相干和相位对齐操作使用户能够探索MIMO和测向应用。

7. 典型应用场景

视频传输系统帮助用户快速搭建一个数据传输系统，可用于天线性能验证，智能超表面系统验证，毫米波通信系统验证，光电传输系统性能验证。