一種雙模無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)的移動(dòng)終端設(shè)計(jì)*

肖國(guó)富，胡 棟，謝光劍，肖 鵬

（南京郵電大學(xué) 江蘇省圖像處理與圖像通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）

1 引言

近年來(lái)，視頻通信尤其是無(wú)線視頻通信得到了迅速發(fā)展。然而，目前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)種類繁多，傳輸性能差異較大。為了在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最佳的視頻傳輸，文獻(xiàn)[1]提出并且實(shí)現(xiàn)了一種多模式無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有WLAN/GPRS和WLAN/CDMA1X等模式下網(wǎng)絡(luò)感知和智能選擇能力，據(jù)此進(jìn)行視頻采集和H.263編碼、打包發(fā)送等自適應(yīng)控制，達(dá)到了提高視頻傳輸性能的目的。

3G網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)通、H.264等視頻編碼的廣泛應(yīng)用，為無(wú)線視頻通信提供了新的良好平臺(tái)。為了適應(yīng)新需求，筆者基于文獻(xiàn)[1]的系統(tǒng)方案進(jìn)行了改進(jìn)，重點(diǎn)是使用3G網(wǎng)絡(luò)TDS_CDMA，改進(jìn)系統(tǒng)中的無(wú)線視頻移動(dòng)終端，通過(guò)使用高性能的雙核DSP，不僅可以適應(yīng)H.264、MPEG-4等復(fù)雜的編碼需求，而且降低了移動(dòng)終端的功耗，有益于無(wú)線移動(dòng)環(huán)境下的應(yīng)用。

2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)包括無(wú)線視頻移動(dòng)終端、視頻服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、顯示終端4部分[1]。在系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)是在移動(dòng)終端的硬件系統(tǒng)升級(jí)設(shè)計(jì)上。核心CPU采用ADI公司Blackfin系列中的高性能媒體處理器BF561，它具備2個(gè)獨(dú)立的Blackfin內(nèi)核，A核運(yùn)行U-clinux操作系統(tǒng)，B核運(yùn)行編碼算法，可以實(shí)現(xiàn)音視頻的同時(shí)采集編碼，并支持復(fù)雜的音視頻編碼（如MPEG-4，H.264），而且功耗低。在改變核心CPU之后，相應(yīng)的外圍設(shè)備及其控制方案也要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

2.1 核心處理器BF561

BF561[2]處理器是ADI公司生產(chǎn)的Blackfin系列中的一款高性能產(chǎn)品，可以滿足多媒體和通信方面的多種應(yīng)用，該器件的核心由2枚獨(dú)立的Blackfin處理器組成，單核的最高工作頻率都可以達(dá)到600 MHz，并且還集成了一套通用的數(shù)字圖像處理外圍接口，為數(shù)字圖像處理和多媒體應(yīng)用創(chuàng)建了一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)片上解決方案。

BF561處理器采用了2級(jí)緩存結(jié)構(gòu)（L1和L2），大幅提高了程序的運(yùn)行性能，片內(nèi)32位EBIU接口可以與SDRAM，F(xiàn)lash等存儲(chǔ)器件無(wú)縫連接，極大地方便了大量數(shù)據(jù)的搬移。更重要的是BF561處理器具備豐富的外設(shè)接口：并行外設(shè)接口PPI、串行外設(shè)接口SPI、串口SPORT、通用異步接收發(fā)送端口UART和外部時(shí)鐘接口等，可以方便地實(shí)現(xiàn)音視頻的采集、傳輸。

2.2 基于BF561的移動(dòng)終端設(shè)計(jì)方案

圖1所示為移動(dòng)終端硬件系統(tǒng)框圖。為適應(yīng)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)中增加了音頻采集部分。此外，無(wú)線傳輸簡(jiǎn)化為TDS-CDMA/WLAN雙模式，以方便在不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)最佳的視頻傳輸。網(wǎng)絡(luò)感知、檢測(cè)及維護(hù)等通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1 移動(dòng)終端系統(tǒng)框圖

3 移動(dòng)終端模塊的硬件設(shè)計(jì)

3.1 視頻輸入模塊

BF561處理器提供2個(gè)可直接與A/D與D/A連接、符合ITU.R-601/656視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的并行外設(shè)接口PPI0，PPI1。每個(gè)PPI包括1個(gè)專用時(shí)鐘引腳、3個(gè)幀同步引腳和16個(gè)數(shù)據(jù)引腳。本系統(tǒng)使用PPI1與SAA7113H A/D芯片連接。

SAA7113H[3]為9 bit視頻解碼器，其內(nèi)部有由視頻源選擇、反混疊濾波器和ADC組成的兩通道模擬預(yù)處理電路、增益控制、時(shí)鐘發(fā)生電路（CGC）、多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字解碼器、亮度飽和度控制電路等部分。它通過(guò)I2C總線進(jìn)行控制，支持PAL和NATSC等多種視頻輸入格式，輸出支持標(biāo)準(zhǔn)的 ITU.656 YUV 4∶2∶2 8 bit格式，只需一個(gè)24.576 MHz外部晶振，采用3.3 V電源，具有小于0.5W的功耗。SAA7113H 與BF561接口如圖2所示，另選用3個(gè)可編程引腳作特殊使用，其中PF0和PF1用來(lái)實(shí)現(xiàn)I2C，PF13用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SAA7113H芯片的復(fù)位。

圖2 SAA7113H與BF561接口

3.2 音頻輸入模塊

BF561處理器提供2個(gè)雙通道同步串行端口SPORT0和SPORT1來(lái)完成串行和多處理器的通信工作，其支持I2S功能，可以雙向操作，具備多通道能力等。本系統(tǒng)使用SPORT0與TLV320AIC23B芯片連接。

TLV320AIC23B[4]是TI公司生產(chǎn)的音頻編解碼芯片，在芯片內(nèi)部集成有高采樣率數(shù)字內(nèi)插濾波器；該芯片的數(shù)字傳輸字長(zhǎng)是 16 bit，20 bit，24 bit和 32 bit， 支持 8～96 kHz的采樣；在采樣率為96 kHz的情況下，A/D轉(zhuǎn)換器信噪比達(dá)到0 dB，D/A轉(zhuǎn)換器達(dá)到100 dB；回放模式下功率為23mW，省電模式下小于15mW。TLV320AIC23B與BF561的接口如圖3所示，另選用3個(gè)可編程引腳作特殊使用，其中PF0和PF1用來(lái)實(shí)現(xiàn)I2C，PF6用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)TLV320AIC23B芯片的復(fù)位。

圖3 TLV320AIC23B與BF561接口

3.3 TDS-CDMA接口模塊

BF561提供1個(gè)全雙工的UART通用異步接收/發(fā)送端口，它與PC標(biāo)準(zhǔn)的UART端口完全兼容。UART端口為其他外設(shè)或主機(jī)提供了一個(gè)簡(jiǎn)化的UART接口，支持全雙工、有DMA能力的異步串行數(shù)據(jù)傳輸；每個(gè)UART端口支持5～8個(gè)數(shù)據(jù)位、1或2個(gè)停止位以及無(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)位，支持PIO和DMA模式操作。本系統(tǒng)就是使用UART與LC6311連接。

LC6311[5]是聯(lián)芯科技公司生產(chǎn)的TDS-CDMA模塊，它支持AT控制指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息；向下兼容GPRS和EDGE；最高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸頻率上行為384 kbit/s，下行為2.8 Mbit/s，支持PPP協(xié)議；提供9針RS-232 DCE與USB兩種接口。本系統(tǒng)選用的是UART接口。LC6311與BF561的接口如圖4所示，因?yàn)锽F561提供的UART接口為2線的，不能實(shí)現(xiàn)硬件流控。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸出，避免模塊數(shù)據(jù)擁塞，另引用了2個(gè)可編程引腳PF10和PF11來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件流控CTS和RTS，如圖4所示。

3.4 WLAN接口模塊

BF561有一個(gè)串行外設(shè)接口SPI，能夠使控制器與多個(gè)SPI兼容的設(shè)備通信。SPI接口使用2個(gè)數(shù)據(jù)引腳和1個(gè)時(shí)鐘引腳傳輸數(shù)據(jù)；1個(gè)SPI片選輸入引腳可使其他SPI設(shè)備選擇DSP；7個(gè)SPI片選輸出引腳使DSP能夠選擇其他SPI設(shè)備。本系統(tǒng)就是使用SPI與WiFi模塊LB-WA18HEPZ_TEMP[6]連接。

LBWA18HEPZ-TEMP內(nèi)置Marvell 88W8686芯片，提供SPI接口，支持802.11b/g網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其與BF561的接口如圖5所示。

圖4 LC6311與BF561接口

圖5 LBWA18HEPZ-TEMP與BF561接口

3.5 電源及其他模塊

Blackfin系列處理器為嵌入式信號(hào)處理方面的應(yīng)用提供了有效的電源管理和低功耗性能，其采用低功耗和低電壓的設(shè)計(jì)方法，具有動(dòng)態(tài)功率管理的特點(diǎn)，即通過(guò)改變工作電壓和頻率來(lái)大大降低總功耗，使得用戶能夠動(dòng)態(tài)地控制處理器的性能和功耗。BF561處理器需要3.3 V電壓，此外，其他芯片還需要1.8V和2.8 V的電壓。

考慮到系統(tǒng)性能要求及實(shí)現(xiàn)成本，本系統(tǒng)的電源采用線性直流電源，利用LM1085-3.3[7]產(chǎn)生3.3 V電壓，利用AMS1117-ADJ[8]產(chǎn)生1.8 V和2.8 V電壓。LM1085-3.3是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款高效低壓降電源模塊，最大輸出電流為3 A；AMS1117-ADJ是一款可調(diào)式LDO，參考電壓1.25 V，最小壓降1 V，工作電流800mA，輸出電壓可以根據(jù)外圍反饋電路的電阻分壓器來(lái)設(shè)置，整個(gè)外圍供電單元如圖6所示。

圖6 電源轉(zhuǎn)換模塊

此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還附加有D/A轉(zhuǎn)換模擬視頻輸出模塊和USB模塊，主要是為動(dòng)能擴(kuò)展和升級(jí)存儲(chǔ)視頻做準(zhǔn)備，在此不作贅述。

4 測(cè)試與分析

4.1 終端穩(wěn)定性測(cè)試

終端穩(wěn)定性測(cè)試主要是DSP的穩(wěn)定工作測(cè)試。可以通過(guò)BF561的JTAG接口進(jìn)行測(cè)試，使用ADI公司提供的ADDS-HPUSB-IEC仿真器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板與PC機(jī)的通信，并利用開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual DSP++4.5來(lái)監(jiān)視和控制目標(biāo)板上處理器的工作情況，結(jié)果顯示DSP能夠穩(wěn)定正常工作，如圖7所示。

4.2 功耗測(cè)試

功耗問(wèn)題嚴(yán)重地制約著嵌入式的應(yīng)用和發(fā)展，也是本設(shè)計(jì)進(jìn)行終端升級(jí)的重點(diǎn)。筆者分別對(duì)終端核心板、核心板+接口板進(jìn)行功耗測(cè)試，結(jié)果顯示功耗很低，如表1所示。

表1 移動(dòng)終端功耗測(cè)試

4.3 問(wèn)題分析及解決

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及測(cè)試過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題：

1）AD模塊正常工作問(wèn)題

本設(shè)計(jì)中的AD芯片SAA7113H對(duì)電源穩(wěn)定性要求很高，如果電源穩(wěn)定性不夠好，就會(huì)使采集圖像夾雜著噪聲，進(jìn)而影響視頻編碼效果，對(duì)圖像質(zhì)量和視頻傳輸造成雙重影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先選用的是穩(wěn)定性較高的線性直流電源芯片，其次做板時(shí)將模擬地與數(shù)字地分開(kāi)，并分別進(jìn)行大面積敷銅，盡量減少地線干擾，保證電源的穩(wěn)定性。

2）UART口兩線、四線問(wèn)題

對(duì)于UART數(shù)據(jù)傳輸，有兩線傳輸、四線傳輸兩種模式。如果使用兩線傳輸，CTS和RTS一定要做處理，讓其短接或者接地，否則數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸；如果傳輸數(shù)據(jù)過(guò)大并超出模塊或網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，一定要選擇四線傳輸，因?yàn)樗木€可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件流控，防止數(shù)據(jù)擁塞造成的模塊無(wú)法正常工作。

3）BF561和LC6311上電順序問(wèn)題

CPU處理器BF561與TDS-CDMA模塊LC6311的正常工作，對(duì)上電順序有嚴(yán)格要求。LC6311必須先上電，BF561內(nèi)核才能正常啟動(dòng)，這是因?yàn)閮?nèi)核的啟動(dòng)對(duì)某些引腳電平有特殊要求。這個(gè)問(wèn)題的解決，硬件上可以讓電源先通過(guò)LC6311，后通過(guò)BF561；軟件上可以延時(shí)內(nèi)核的啟動(dòng)時(shí)間，讓LC6311上電后內(nèi)核再啟動(dòng)。

5 小結(jié)

筆者所設(shè)計(jì)的雙模式無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)，基于BF561雙核DSP處理，采用MPEG-4和H.264可選編碼壓縮，選擇最優(yōu)WLAN/TDS-CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸，在PC端進(jìn)行軟件接收解碼，取得了良好的傳輸效果，且功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定。相信本系統(tǒng)在視頻監(jiān)控、搶險(xiǎn)救災(zāi)、多媒體娛樂(lè)等方面將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]胡棟，劉峰，朱秀昌.實(shí)時(shí)多模式無(wú)線視頻傳輸原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].通信學(xué)報(bào)，2006，27（10）：106-112.

[2]Analog Devices.ADSP-BF561 blackfin processor hardware reference[EB/OL].[2010-04-20].http：//www.analog.com/static/imported-files/processor_manuals/53117564946598bf561_hwr_for_11_ECN.pdf.

[3]Philips Semeconductors.SAA7113H data sheet[EB/OL].[2010-04-18].http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/19006/PHILIPS/SAA7113H.html.

[4]Texas Instruments.TLV320AIC23B datamanual[EB/OL].[2010-04-18].http：//www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/tlv320aic23b.pdf.

[5]聯(lián)芯科技.LC6311硬件接口手冊(cè)[EB/OL].[2008-06-12].http：//www.docin.com/p-66500811.html.

[6]Marvell Chipsetfor.LBWA18HEPZ-TEMP data sheet[EB/OL].[2007-09-26].http：//www.sychip.com/product%20briefs/WLAN/LBWA18 HEPZ_Brief_v0.1A.pdf.

[7]National Semeconductors.LM108-3.3 data sheet[EB/OL].[2005-05-09].http：//datasheet.eeworld.com.cn/pdf/133413_NSC_LM108.html.

[8]Advanced Monolithic Systems.AMS1117-ADJ data sheet[EB/OL].[2005-10-17].http：//www.icpdf.com/PdfView.asp?id=615855_972795.