基于ZYNQ的無線視頻流發送設計

尹雅君，李毅航，張寬，唐立軍

（長沙理工大學物理與電子科學學院，長沙 410114）

0 引言

無線視頻傳輸在工業和生活中有著極大的應用[1]，隨著視頻分辨率的提高，在進行無線視頻傳輸時，對處理視頻數據流的嵌入式系統有了更高的要求。Xilinx公司推出的可擴展性處理平臺ZYNQ-7000系列產品，是雙核ARM Cortex-A9處理器系統（PS）和FPGA可編程邏輯單元（PL）集成的SOC[2]，在擴展嵌入式系統結構的同時，也提升了系統的性能和集成度，該平臺實現了視頻數據流傳輸的模塊化、低功耗以及傳輸的高速穩定。本文提出基于ZYNQ-7000平臺和集成調制芯片的無線視頻傳輸設計，可滿足視頻數據流的無線發送。

1 系統整體框架

基于ZYNQ的無線視頻流發送設計結構如上圖1所示，發射端由ZYNQ視頻處理平臺、集成調制芯片IT9517、SD卡、DDR3存儲器、VDMA組成。發射端先將TS格式的數據流通過讀卡器存放SD卡中，由DDR3存儲器對TS數據流進行讀取緩存，VDMA通過MM2S將DDR3中的數據讀取出來并經過格式處理傳給集成調制芯片IT9517進行無線發送，ARM與IT9517通過IIC進行通信，并通過IIC設置調制芯片的工作參數。

圖1 基于ZYNQ的無線視頻流發送設計結構圖

ZYNQ平臺包括了PS端和PL端，PS端集成了兩個ARM Cortex-A9處理器、內部存儲器、外部存儲器接口和外設。這些外設主要包括USB總線接口、以太網接口、SD/SDIO接口、I2C總線接口、CAN總線接口、UART接口、GPIO等，PL端包括LUT（查找表）、DSP單元、可編程I/O模塊等傳統的FPGA資源。與一般的SOC相比，ZYNQ平臺內部PS端與PL端的通信更完善，主要有EMIO、共享內存、AXI互聯總線等。

AXI互聯總線是PS和PL的主要數據交換通道，包括四個 AXI_GP、一個 AXI_ACP、四個 AXI_HP。AXI_GP包含了兩個32位主接口和兩個32位從接口，用于PS和PL的直接通信；AXI_ACP提供了64位從接口，連接到PS的偵測控制單元SCU（Snoop Control Unit），用于 CPU和 PL之間的高速緩存一致性；AXI_HP用于在PS存儲器和PL主設備之間提供一個高吞吐量數據通道，每個接口最大位數可達64位，對于讀和寫操作，提供1KB容量的數據FIFO，可消除長延遲傳輸，適合高數據帶寬的視頻流數據傳輸[3]。

2 系統硬件設計

2.1 集成調制芯片IT9517

IT9517是一款專用于無線圖傳設備和數字高清電視的OFDM[4]調制發射芯片，芯片內部集成了完整的TS數據流處理轉換和射頻相關電路，輸入的TS流數據首先通過內部的PID濾波器處理電路，再通過PSB多路復用控制流處理，然后進行ISDB-T或DVB-T轉換，進一步通過內部的數模轉換、低通濾波、本地振蕩器，混頻器后輸出的射頻信號頻率范圍是50MHz-950MHz[5]，將基帶信號變頻到 VHF（174MHz-470MHz）和 UHF（470MHz-862MHz）這兩個頻段,輸出信號帶寬可從1MHz-8MHz進行配置，射頻信號通過無線信道傳輸。以下是IT9517芯片的控制接口示意圖。

圖2 IT9517芯片的控制接口示意圖

ZYNQ通過IIC接口控制調制器的工作狀態，TS流數據也是通過ZYNQ傳輸至調制器。IT9517共有以下四種工作模式，見表1。

在TS/USB控制模式下，TS是輸入數據流，USB是兩線的控制信號；在TS/IIC控制模式下，TS是輸入數據流，IIC是兩線的控制信號；在TS/USB控制模式下，USB為控制接口，輸入信號仍為TS數據流；在IIS模式下，IIS值做音頻數據輸入，控制接口可選擇IIS或者USB。

表1 IT9517工作模式表

本設計主要是用于視頻圖像傳輸，而TS數據流作為廣泛使用的視頻數據傳輸流，所以選用TS/IIC模式。

2.2 TS 流協議

無線視頻傳輸到信道過程受到多種噪聲的影響，在MPEG-2標準中，有兩種碼流輸送到信道，一種是適用于沒有誤差產生的節目碼流，如DVD等存儲介質；另一種是適用于信道有噪聲產生的傳輸流（Transport Stream，TS）[6]，所以本系統中用到TS流進行視頻無線傳輸。

TS數據文件分為三層：TS層、PES層（Packet Elemental Stream）、ES層（Elementary Stream）。ES層就是音視頻數據，PES層是在音視頻數據上加了時間戳等對數據幀的說明信息，TS層就是在PES層加入數據流的識別和傳輸必須的信息，圖3是TS文件的結構圖。

圖3 TS流文件結構圖

TS數據包大小固定為188字節，TS層分為ts header、adaptation field、payload 三個部分。ts header固定4個字節，adaptation field可能存在也可能不存在，主要作用是給不足188字節的數據做填充；payload是PES數據。

視頻編碼后的裸數據ES通過分割打包加入PES頭形成為PES流，PES包是可變長度的，PES頭中最重要的是顯示時間標記（Presentation Time Stamp，PTS）和解碼時間標記（Decode Time Stamp，DTS），有了 PTS和DTS，在加上節目時鐘參考PCR，解碼器就能從TS流中重建視頻流。

傳輸包流包含頭和有效載荷，一個單元的頭和有效載荷固定長度為188Btye，TS流固定包長度的好處是便于找到幀的起始位置，這樣有利于從包丟失中恢復，因此，TS流適用于信道有噪聲產生的場合[7]。

3 軟件設計

以下是基于ZYNQ的無線視頻流發送的軟件設計流程，如圖4。

（1）系統模塊進行初始；

（2）SD卡中的TS數據流寫入DDR3；

（3）設置VDMA的循環讀寫模式和緩存區大小；

（4）VDMA讀取DDR3中的數據，并將TS數據模式改為八位并行輸出；

（5）等待IT9517的參數初始化設置成功后；

（6）將TS數據流傳入IT9517進行調制發送。

圖4 軟件設計流程圖

3.1 VDMA初始化

VDMA IP核進行配置時要使能讀寫操作、內存映射數據位寬、TS流數據位寬等，VDMA的初始化主要通過對其寄存器進行配置的，其中初始化中主要用到的寄存器為寫入通道s2mm狀態寄存器0x34，控制器存器0x30、幀緩存起始地址寄存器0xA0-0XE8、幀演示跨度期存器0xA8和讀通道mm2s的狀態寄存器0x04、控制寄存器0x00、幀緩存起始地址寄存器0x5C-0x98、幀延時跨度寄存器0x58等。

3.2 集成調制芯片IT9517初始化

在對集成調制芯片IT9517進行初始化時，設置芯片與SOC主控制器的通信模式為TS/IIC模式，IIC為控制器，TS流為輸入信號。IIC的地通信址由芯片外部引腳的高低電平決定，在進行硬件設計的時候就將芯片的IIC通信地址設置為0x38（讀）/0x39（寫）。首先通過寫命令0x0022讀取芯片固件版本，有Linux和OFDM兩個寄存器版本，并在訪問參數設置寄存器時，readRegister（）和 writeRegister（）的處理參數應設置為Processor_OFDM。主要配置的寄存器為輸出信號帶寬（Bandwidth）控制寄存器 0xF713、調制星座（Constellation）模式控制寄存器 0xF721、編碼速率（Code rate）控制寄存器 0xF723、保護間隔（GuardInterval）寄存器0xF725等。

初始化的主要參數設置：信號輸出帶寬為6MHz、調制模式設置為QPSK、編碼速率設置為5/6、保護間隔設置為1/8和信號輸出格式為DVB-T。

4 實驗結果與分析

EW300是一款專用于接收數字地面信號的調諧器模塊，用于對本設計進行發送驗證。

EW300輸出的TS流數據主要由TS_Sync、TS_Data與TS_Valid三個信號信號組成，TS_Sync單周期內傳輸一個TS數據包，TS_Valid單周期內傳輸一個字節TS數據。為驗證數據傳輸的完整性，通過邏輯分析儀采集EW300輸出的TS流數據，圖5為邏輯分析儀采集的TS數據圖，從數據的波形可知符合理論上EW300的TS流數據傳輸流程，能夠驗證方案的可行性。

圖5 邏輯分析儀采集信號圖

5 結語

基于ZYNQ-7000的無線視頻傳輸系統的發送端由ZYNQ視頻處理平臺、集成調制芯片IT9517、SD卡、DDR3存儲器、VDMA組成，經實驗驗證能進行TS流的視頻傳輸。無線視頻流的發送設計通過實驗結果得到驗證，對于其他開發者來說，該系統具有極強的移植性，可更靈活地設計視頻數據的前、后端處理。