一種雙模無線視頻傳輸系統的移動終端設計*

肖國富，胡 棟，謝光劍，肖 鵬

（南京郵電大學 江蘇省圖像處理與圖像通信重點實驗室，江蘇 南京 210003）

1 引言

近年來，視頻通信尤其是無線視頻通信得到了迅速發展。然而，目前的無線網絡種類繁多，傳輸性能差異較大。為了在不同網絡環境下實現最佳的視頻傳輸，文獻[1]提出并且實現了一種多模式無線視頻傳輸系統，該系統具有WLAN/GPRS和WLAN/CDMA1X等模式下網絡感知和智能選擇能力，據此進行視頻采集和H.263編碼、打包發送等自適應控制，達到了提高視頻傳輸性能的目的。

3G網絡的開通、H.264等視頻編碼的廣泛應用，為無線視頻通信提供了新的良好平臺。為了適應新需求，筆者基于文獻[1]的系統方案進行了改進，重點是使用3G網絡TDS_CDMA，改進系統中的無線視頻移動終端，通過使用高性能的雙核DSP，不僅可以適應H.264、MPEG-4等復雜的編碼需求，而且降低了移動終端的功耗，有益于無線移動環境下的應用。

2 硬件系統方案設計

無線視頻傳輸系統包括無線視頻移動終端、視頻服務器、傳輸網絡、顯示終端4部分[1]。在系統的改進設計中，重點是在移動終端的硬件系統升級設計上。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個獨立的Blackfin內核，A核運行U-clinux操作系統，B核運行編碼算法，可以實現音視頻的同時采集編碼，并支持復雜的音視頻編碼（如MPEG-4，H.264），而且功耗低。在改變核心CPU之后，相應的外圍設備及其控制方案也要進行相應的修改。

2.1 核心處理器BF561

BF561[2]處理器是ADI公司生產的Blackfin系列中的一款高性能產品，可以滿足多媒體和通信方面的多種應用，該器件的核心由2枚獨立的Blackfin處理器組成，單核的最高工作頻率都可以達到600 MHz，并且還集成了一套通用的數字圖像處理外圍接口，為數字圖像處理和多媒體應用創建了一個完整的系統級片上解決方案。

BF561處理器采用了2級緩存結構（L1和L2），大幅提高了程序的運行性能，片內32位EBIU接口可以與SDRAM，Flash等存儲器件無縫連接，極大地方便了大量數據的搬移。更重要的是BF561處理器具備豐富的外設接口：并行外設接口PPI、串行外設接口SPI、串口SPORT、通用異步接收發送端口UART和外部時鐘接口等，可以方便地實現音視頻的采集、傳輸。

2.2 基于BF561的移動終端設計方案

圖1所示為移動終端硬件系統框圖。為適應特殊的應用場合，設計中增加了音頻采集部分。此外，無線傳輸簡化為TDS-CDMA/WLAN雙模式，以方便在不同的無線網絡中實現最佳的視頻傳輸。網絡感知、檢測及維護等通過軟件實現。

圖1 移動終端系統框圖

3 移動終端模塊的硬件設計

3.1 視頻輸入模塊

BF561處理器提供2個可直接與A/D與D/A連接、符合ITU.R-601/656視頻編解碼標準的并行外設接口PPI0，PPI1。每個PPI包括1個專用時鐘引腳、3個幀同步引腳和16個數據引腳。本系統使用PPI1與SAA7113H A/D芯片連接。

SAA7113H[3]為9 bit視頻解碼器，其內部有由視頻源選擇、反混疊濾波器和ADC組成的兩通道模擬預處理電路、增益控制、時鐘發生電路（CGC）、多標準數字解碼器、亮度飽和度控制電路等部分。它通過I2C總線進行控制，支持PAL和NATSC等多種視頻輸入格式，輸出支持標準的 ITU.656 YUV 4∶2∶2 8 bit格式，只需一個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個可編程引腳作特殊使用，其中PF0和PF1用來實現I2C，PF13用來實現對SAA7113H芯片的復位。

圖2 SAA7113H與BF561接口

3.2 音頻輸入模塊

BF561處理器提供2個雙通道同步串行端口SPORT0和SPORT1來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。本系統使用SPORT0與TLV320AIC23B芯片連接。

TLV320AIC23B[4]是TI公司生產的音頻編解碼芯片，在芯片內部集成有高采樣率數字內插濾波器；該芯片的數字傳輸字長是 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轉換器信噪比達到0 dB，D/A轉換器達到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個可編程引腳作特殊使用，其中PF0和PF1用來實現I2C，PF6用來實現對TLV320AIC23B芯片的復位。

圖3 TLV320AIC23B與BF561接口

3.3 TDS-CDMA接口模塊

BF561提供1個全雙工的UART通用異步接收/發送端口，它與PC標準的UART端口完全兼容。UART端口為其他外設或主機提供了一個簡化的UART接口，支持全雙工、有DMA能力的異步串行數據傳輸；每個UART端口支持5～8個數據位、1或2個停止位以及無校驗、奇校驗、偶校驗位，支持PIO和DMA模式操作。本系統就是使用UART與LC6311連接。

LC6311[5]是聯芯科技公司生產的TDS-CDMA模塊，它支持AT控制指令、數據、語音、短消息；向下兼容GPRS和EDGE；最高無線數據傳輸頻率上行為384 kbit/s，下行為2.8 Mbit/s，支持PPP協議；提供9針RS-232 DCE與USB兩種接口。本系統選用的是UART接口。LC6311與BF561的接口如圖4所示，因為BF561提供的UART接口為2線的，不能實現硬件流控。為了實現數據的穩定輸出，避免模塊數據擁塞，另引用了2個可編程引腳PF10和PF11來實現硬件流控CTS和RTS，如圖4所示。

3.4 WLAN接口模塊

BF561有一個串行外設接口SPI，能夠使控制器與多個SPI兼容的設備通信。SPI接口使用2個數據引腳和1個時鐘引腳傳輸數據；1個SPI片選輸入引腳可使其他SPI設備選擇DSP；7個SPI片選輸出引腳使DSP能夠選擇其他SPI設備。本系統就是使用SPI與WiFi模塊LB-WA18HEPZ_TEMP[6]連接。

LBWA18HEPZ-TEMP內置Marvell 88W8686芯片，提供SPI接口，支持802.11b/g網絡協議，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處理方面的應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計方法，具有動態功率管理的特點，即通過改變工作電壓和頻率來大大降低總功耗，使得用戶能夠動態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。

考慮到系統性能要求及實現成本，本系統的電源采用線性直流電源，利用LM1085-3.3[7]產生3.3 V電壓，利用AMS1117-ADJ[8]產生1.8 V和2.8 V電壓。LM1085-3.3是美國國家半導體公司生產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，輸出電壓可以根據外圍反饋電路的電阻分壓器來設置，整個外圍供電單元如圖6所示。

圖6 電源轉換模塊

此外，系統設計中還附加有D/A轉換模擬視頻輸出模塊和USB模塊，主要是為動能擴展和升級存儲視頻做準備，在此不作贅述。

4 測試與分析

4.1 終端穩定性測試

終端穩定性測試主要是DSP的穩定工作測試。可以通過BF561的JTAG接口進行測試，使用ADI公司提供的ADDS-HPUSB-IEC仿真器實現目標板與PC機的通信，并利用開發環境Visual DSP++4.5來監視和控制目標板上處理器的工作情況，結果顯示DSP能夠穩定正常工作，如圖7所示。

4.2 功耗測試

功耗問題嚴重地制約著嵌入式的應用和發展，也是本設計進行終端升級的重點。筆者分別對終端核心板、核心板+接口板進行功耗測試，結果顯示功耗很低，如表1所示。

表1 移動終端功耗測試

4.3 問題分析及解決

本系統在設計及測試過程中遇到了不少問題：

1）AD模塊正常工作問題

本設計中的AD芯片SAA7113H對電源穩定性要求很高，如果電源穩定性不夠好，就會使采集圖像夾雜著噪聲，進而影響視頻編碼效果，對圖像質量和視頻傳輸造成雙重影響。在系統設計中，首先選用的是穩定性較高的線性直流電源芯片，其次做板時將模擬地與數字地分開，并分別進行大面積敷銅，盡量減少地線干擾，保證電源的穩定性。

2）UART口兩線、四線問題

對于UART數據傳輸，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，否則數據無法傳輸；如果傳輸數據過大并超出模塊或網絡的傳輸能力，一定要選擇四線傳輸，因為四線可以對數據進行硬件流控，防止數據擁塞造成的模塊無法正常工作。

3）BF561和LC6311上電順序問題

CPU處理器BF561與TDS-CDMA模塊LC6311的正常工作，對上電順序有嚴格要求。LC6311必須先上電，BF561內核才能正常啟動，這是因為內核的啟動對某些引腳電平有特殊要求。這個問題的解決，硬件上可以讓電源先通過LC6311，后通過BF561；軟件上可以延時內核的啟動時間，讓LC6311上電后內核再啟動。

5 小結

筆者所設計的雙模式無線視頻傳輸系統，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WLAN/TDS-CDMA無線網絡進行視頻傳輸，在PC端進行軟件接收解碼，取得了良好的傳輸效果，且功耗低，運行穩定。相信本系統在視頻監控、搶險救災、多媒體娛樂等方面將會有廣闊的應用前景。

[1]胡棟，劉峰，朱秀昌.實時多模式無線視頻傳輸原型系統的實現[J].通信學報，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]聯芯科技.LC6311硬件接口手冊[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.