嵌入式無線視頻傳輸系統的設計與實現

周斌

【摘 要】闡述了一種以嵌入式系統進行視頻采集編碼壓縮，利用FSK調制后進行微波音視頻時實傳輸系統的設計和實現方法。系統采用USB/UART技術很好地實現了傳輸速率高達4Mbps的串行通信效果，再用成熟的DDS技術進行FSK調制，經過頻譜搬移后可以在微波頻段進行傳輸。在本文中主要針對前端的信息采集、調制和后端的解調實現方法做了詳細的論述。最后系統經測試視頻傳輸穩定，畫面清晰流暢。

【關鍵字】嵌入式;視頻壓縮;FSK調制;解調;帶寬;AGC

中圖分類號： TN919.81文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）24-0057-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.027

1 系統結構方案

對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實現，在傳輸加工方面使用USB攝像頭進行數字化視頻采集，對采集所得的視頻數據進行H.264壓縮。采用麥克風進行數字化音頻采集，對采集所得的音頻數據進行ADPCM編碼。然后利用XR21V1410芯片進行USB轉UART。調制與解調方面主要是選用單片化的AD9959進行調制，NE564進行解調。收發兩端框圖具體如下圖1、2。

2 硬件電路設計

2.1 USB/UART接口電路設計

選用XR21V1410芯片作為進行USB/UART模塊設計的主要原因是芯片可以支持高速率的異步通信，同時電路設計簡單、價格便宜生產商提供該芯片在Linux系統的驅動源碼。XR21V1410由振蕩器、USB2.0從機接口、I2C接口和UART電路等組成，內部結構如圖3-10所示。XR21V1410有振蕩器，在內部48MHz時鐘頻率下工作，利用自己內部獨立的波特率發生器，可精確產生任何波特率，最高可以達到12Mbps傳輸速率。同時，芯片提供的大容量發送接收FIFO，128字節大小的發送FIFO寄存器，384字節大小的接收FIFO寄存器，有助于優化不同應用中數據的吞吐。設計過程中經視頻數據壓縮后要求傳輸速率：2Mbps，因此XR21V1410完全滿足數據傳輸要求。

電路用到3.3V和1.8V兩個壓值。可以通過使用TL1085芯片實現5V轉換至3.3V的輸出和使用LD1117S芯片實現3.3V轉換至1.8V，從而實現單電源供電。此外在為DDS供電時，還需要一個耦合電路。AD9959芯片提供了兩種參考時鐘輸入電路操作模式。通過控制引腳24的邏輯狀態實現。本電路選中單端輸入模式，即時鐘電路與引腳23連接，同時引腳22通過一個電容接地，相應的引腳24通過一個1K的電阻接地。控制電路主要由AD9959應用電路和以STC15F2K60S2構建的單片機最小系統構成。單片機最小系統主要由晶振電路、復位電路、微控制器等構成。調制頻率F1設為30MHz，F2設為32MHz。DDS具體調制實現方案如下：

AD9954工作時，首先要配置其寄存器。調制信號必須是AD9954工作在線性掃描使能位無效時，由控制寄存器CFR1<21>=0，同時，單片機選擇信號PS0和PS1用于實現四個RAM區域的轉換。AD9954的第9腳連接了一個20MHz外部晶振，其20倍頻后可得到400MHz的工作時鐘頻率。其20倍頻的配置編程方式，通過對控制寄存器CFR2<7：3>這5位乘法器配置，20倍頻的二進制數為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，地址為0x07; 代表第一個RAM;

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

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

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

};調制部分重點是正確對以上寄存器進行配置，此處也是調制部分的核心內容。DDS在信號調制方面實現過程較為直接方便。

2.2 FSK解調電路設計

本系統采用高頻模擬鎖相環NE564芯片解調，芯片工作頻率高達50MHz，它包含一個VCO振蕩器，限幅器，相位比較器和相位檢測器。該芯片采用單電源5V供電，數模兼容輸入輸出，外部具有環路增益，可高速解調，在本系統中NE564是作為FSK信號解調，其電路圖如下圖2-9。已知輸入信號Vi的頻率Fi范圍在30MHz-2MHz～30MHz+2MHz內，并且調制方波（或由“0”，“1”組成的方波）的頻率F為1MHz，調頻解調和此電路內部的工作原理基本相同。該電路設計的關鍵在于：當電壓控制振蕩器的電壓必須在28～32MHz左右時，NE564內部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必須要十分準確才能達到鎖定的效果。根據已知條件，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，根據公式可得，C26=20PF。取10PF的固定電容和5～20PF的可調電容相并聯，這樣能方便調整到固有振蕩頻率，使fv=30MHZ。由于調制后的基帶信號過高，因此必須相應地增加低通濾波器的截止頻率。C22和C23均等于300PF，同時，還可以調節C22和C23的電容值，使波形更加清晰穩定。有要求電容器C28的耐壓，一般其會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芯片內部單位增益跨導放大器A3端子的交流電輸出。由于NE564解調后輸出的基帶信號的波形有失真不穩定的現象，為改善波形輸出加上了TLV3501，即將解調后的基帶信號中的交流信號轉換為同步的矩形波，從而使后端的解碼更為穩定。

經過解調后將音視頻原碼流與NE564輸出的碼流對比如圖5。

經過對收發兩端通信的測試情況表明，在實際的通信效果方面，圖像傳輸清晰穩定，同時對于中頻輸出信號質量方面按照傳輸帶寬的要求進行了相應的測試均能達到預期的效果。

3 結語

目前視頻數字化傳輸在智能家居及安防行業有廣闊的應用和開發前景。嵌入式系統與數字調制技術的有效結合使得視頻壓縮以及數字視頻系統得以廣泛應用，本文也對今后高質量畫面的無線視頻數字化傳輸在系統研究、實現方面具有一定的參考價值。

【參考文獻】

[1]孫永磊，楊昕欣.基于鎖相環實現信號相頻突變的跟蹤[J].現代電子技術，2018.41（1）.

[2]張瑞成，李玉紅.C波段微波無線電能傳輸發射端設計[J].現代電子技術，2017.40（19）.

[3]王人磊. 數字電視模擬微波傳輸系統數字化改造方案[J].電子科技，2015.28（5）.

[4]卜彩霞，王永琰.無線傳輸移動視頻監控系統設計探究[J].電子測試，2017.20.

[5]陳恒鑫，林威，等.基于Mjpg_streamer的移動視頻監控系統設計[J].計算機測量與控制，2014.22（11）.