嵌入式無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周斌

【摘 要】闡述了一種以嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集編碼壓縮，利用FSK調(diào)制后進(jìn)行微波音視頻時(shí)實(shí)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用USB/UART技術(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了傳輸速率高達(dá)4Mbps的串行通信效果，再用成熟的DDS技術(shù)進(jìn)行FSK調(diào)制，經(jīng)過(guò)頻譜搬移后可以在微波頻段進(jìn)行傳輸。在本文中主要針對(duì)前端的信息采集、調(diào)制和后端的解調(diào)實(shí)現(xiàn)方法做了詳細(xì)的論述。最后系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試視頻傳輸穩(wěn)定，畫面清晰流暢。

【關(guān)鍵字】嵌入式;視頻壓縮;FSK調(diào)制;解調(diào);帶寬;AGC

中圖分類號(hào)： TN919.81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）24-0057-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.027

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

對(duì)于視頻的編解碼處理主要是采用Cortex-A8的S5P210嵌入式音視頻處理器與通信控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，在傳輸加工方面使用USB攝像頭進(jìn)行數(shù)字化視頻采集，對(duì)采集所得的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264壓縮。采用麥克風(fēng)進(jìn)行數(shù)字化音頻采集，對(duì)采集所得的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行ADPCM編碼。然后利用XR21V1410芯片進(jìn)行USB轉(zhuǎn)UART。調(diào)制與解調(diào)方面主要是選用單片化的AD9959進(jìn)行調(diào)制，NE564進(jìn)行解調(diào)。收發(fā)兩端框圖具體如下圖1、2。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 USB/UART接口電路設(shè)計(jì)

選用XR21V1410芯片作為進(jìn)行USB/UART模塊設(shè)計(jì)的主要原因是芯片可以支持高速率的異步通信，同時(shí)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜生產(chǎn)商提供該芯片在Linux系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源碼。XR21V1410由振蕩器、USB2.0從機(jī)接口、I2C接口和UART電路等組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。XR21V1410有振蕩器，在內(nèi)部48MHz時(shí)鐘頻率下工作，利用自己內(nèi)部獨(dú)立的波特率發(fā)生器，可精確產(chǎn)生任何波特率，最高可以達(dá)到12Mbps傳輸速率。同時(shí)，芯片提供的大容量發(fā)送接收FIFO，128字節(jié)大小的發(fā)送FIFO寄存器，384字節(jié)大小的接收FIFO寄存器，有助于優(yōu)化不同應(yīng)用中數(shù)據(jù)的吞吐。設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)視頻數(shù)據(jù)壓縮后要求傳輸速率：2Mbps，因此XR21V1410完全滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

電路用到3.3V和1.8V兩個(gè)壓值?？梢酝ㄟ^(guò)使用TL1085芯片實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)換至3.3V的輸出和使用LD1117S芯片實(shí)現(xiàn)3.3V轉(zhuǎn)換至1.8V，從而實(shí)現(xiàn)單電源供電。此外在為DDS供電時(shí)，還需要一個(gè)耦合電路。AD9959芯片提供了兩種參考時(shí)鐘輸入電路操作模式。通過(guò)控制引腳24的邏輯狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。本電路選中單端輸入模式，即時(shí)鐘電路與引腳23連接，同時(shí)引腳22通過(guò)一個(gè)電容接地，相應(yīng)的引腳24通過(guò)一個(gè)1K的電阻接地?？刂齐娐分饕葾D9959應(yīng)用電路和以STC15F2K60S2構(gòu)建的單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由晶振電路、復(fù)位電路、微控制器等構(gòu)成。調(diào)制頻率F1設(shè)為30MHz，F(xiàn)2設(shè)為32MHz。DDS具體調(diào)制實(shí)現(xiàn)方案如下：

AD9954工作時(shí)，首先要配置其寄存器。調(diào)制信號(hào)必須是AD9954工作在線性掃描使能位無(wú)效時(shí)，由控制寄存器CFR1<21>=0，同時(shí)，單片機(jī)選擇信號(hào)PS0和PS1用于實(shí)現(xiàn)四個(gè)RAM區(qū)域的轉(zhuǎn)換。AD9954的第9腳連接了一個(gè)20MHz外部晶振，其20倍頻后可得到400MHz的工作時(shí)鐘頻率。其20倍頻的配置編程方式，通過(guò)對(duì)控制寄存器CFR2<7：3>這5位乘法器配置，20倍頻的二進(jìn)制數(shù)為10100，即CFR2<7：3>=10100，其程序如下：

unsigned char ControlWord[]={0x40， 0x60， 0x00， 0x80，//CFR1功能寄存器;0xA7，0x00，0x00，//CFR2功能寄存器;

0xff，0x3f，//ASF功能寄存器;

0x00，//ARR 功能寄存器;

0x00，0x00，0x00，0x00，//FTW0功能寄存器;

0x00， 0x00， //FOW0 功能寄存器

0x00， 0x00，0x00， 0x00， 0x01， //第7個(gè)，地址為0x07; 代表第一個(gè)RAM;

0x00， 0x04， 0x01， 0x00， 0x01， //第8個(gè)，地址為0x08;此代表第二個(gè)RAM;

0x00， 0x08， 0x02， 0x00， 0x01， ?//第9個(gè)，地址為0x09;此代表第三個(gè)RAM

0x00， 0x0c， 0x03， 0x00， 0x01， ?//第10個(gè)，地址為0x0A;此代表第四個(gè)RAM

};調(diào)制部分重點(diǎn)是正確對(duì)以上寄存器進(jìn)行配置，此處也是調(diào)制部分的核心內(nèi)容。DDS在信號(hào)調(diào)制方面實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為直接方便。

2.2 FSK解調(diào)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用高頻模擬鎖相環(huán)NE564芯片解調(diào)，芯片工作頻率高達(dá)50MHz，它包含一個(gè)VCO振蕩器，限幅器，相位比較器和相位檢測(cè)器。該芯片采用單電源5V供電，數(shù)模兼容輸入輸出，外部具有環(huán)路增益，可高速解調(diào)，在本系統(tǒng)中NE564是作為FSK信號(hào)解調(diào)，其電路圖如下圖2-9。已知輸入信號(hào)Vi的頻率Fi范圍在30MHz-2MHz～30MHz+2MHz內(nèi)，并且調(diào)制方波（或由“0”，“1”組成的方波）的頻率F為1MHz，調(diào)頻解調(diào)和此電路內(nèi)部的工作原理基本相同。該電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：當(dāng)電壓控制振蕩器的電壓必須在28～32MHz左右時(shí)，NE564內(nèi)部PLL被鎖定。超出此范圍鎖定丟失，16引腳輸出低電平“0”。因此，固有振蕩頻率和VCO壓控振蕩器的fv和捕捉帶Fv必須要十分準(zhǔn)確才能達(dá)到鎖定的效果。根據(jù)已知條件，VCO的固有頻率為30MHz。后向捕捉帶Fv為：

R為100歐姆，VCO的固有頻率fv為30MHZ，根據(jù)公式可得，C26=20PF。取10PF的固定電容和5～20PF的可調(diào)電容相并聯(lián)，這樣能方便調(diào)整到固有振蕩頻率，使fv=30MHZ。由于調(diào)制后的基帶信號(hào)過(guò)高，因此必須相應(yīng)地增加低通濾波器的截止頻率。C22和C23均等于300PF，同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)C22和C23的電容值，使波形更加清晰穩(wěn)定。有要求電容器C28的耐壓，一般其會(huì)取耐壓大于電源電壓值。電容器C28在電路中的作用是濾除NE564芯片內(nèi)部單位增益跨導(dǎo)放大器A3端子的交流電輸出。由于NE564解調(diào)后輸出的基帶信號(hào)的波形有失真不穩(wěn)定的現(xiàn)象，為改善波形輸出加上了TLV3501，即將解調(diào)后的基帶信號(hào)中的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為同步的矩形波，從而使后端的解碼更為穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)解調(diào)后將音視頻原碼流與NE564輸出的碼流對(duì)比如圖5。

經(jīng)過(guò)對(duì)收發(fā)兩端通信的測(cè)試情況表明，在實(shí)際的通信效果方面，圖像傳輸清晰穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)于中頻輸出信號(hào)質(zhì)量方面按照傳輸帶寬的要求進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試均能達(dá)到預(yù)期的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

目前視頻數(shù)字化傳輸在智能家居及安防行業(yè)有廣闊的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)前景。嵌入式系統(tǒng)與數(shù)字調(diào)制技術(shù)的有效結(jié)合使得視頻壓縮以及數(shù)字視頻系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用，本文也對(duì)今后高質(zhì)量畫面的無(wú)線視頻數(shù)字化傳輸在系統(tǒng)研究、實(shí)現(xiàn)方面具有一定的參考價(jià)值。

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