基于ADSP-BF537的無線視頻傳輸方案

無線通信技術和視頻壓縮技術的迅速發(fā)展，使得無線視頻傳輸成為人們研究的熱點。無線視頻傳輸具有數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，無線信道資源有限的特點。新一代的視頻壓縮標準H．264結合專用視頻DSF芯片可以滿足信源編碼的要求。而處理數(shù)據(jù)量大，速度快，運算結構相對簡單的FPGA適用于信道編碼?；谝陨峡紤]，設計了一個無線視頻傳輸系統(tǒng)，并以發(fā)射端ADSP-BF537作為控制器，配置FPGA和進行數(shù)據(jù)通信。

　　1 總體結構實現(xiàn)方案

　　系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)方案如下：

　　發(fā)送端由攝像機、專用視頻編碼芯片、控制模塊、基帶模塊、射頻模塊(RF)等部分組成。接收端由射頻接收模塊、控制模塊、基站模塊、專用視頻解碼芯片等部分組成。系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　視頻編碼部分使用基于DM642的H．264視頻編碼器。該芯片通過網(wǎng)口傳輸數(shù)據(jù)，輸出的視頻流是H．264格式，輸出圖像的分辨率范圍為176×144～702×576，而且可以根據(jù)具體需要修改碼流和幀率。

　　控制模塊使用ADI公司的ADSP-BF537作為主要芯片。其主要作用是完成FPGA的配置、接口控制、通信鏈路的建立(視頻流數(shù)據(jù)的傳輸)。

　　基帶模塊以Xilinx公司Spartan3 400萬門級芯片的FPGA作為主要芯片。FPGA完成整個基帶信號處理，包括信道編碼、OFDM調制、濾波等。

　　射頻模塊由發(fā)射單元、接收單元、頻率合成單元、外置15 W功放等四部分組成，采用差分I，Q信號調制、解調，雙向傳輸。發(fā)射單元將I，Q差分輸入經(jīng)調制芯片調制成340 MHz的射頻信號，經(jīng)功率控制、功放、隔離器送往環(huán)行器、天線；通過收發(fā)電平控制進行發(fā)送和接收的切換；接收單元對接收信號進行濾波、低噪聲放大器后送I，Q解調芯片解調出差分的I，Q信號，并進行RSSI檢測和AGC控制。工作模式采用半雙工模式；頻率合成單元為發(fā)射單元提供340 MHz本振信號，為接收單元提供680 MHz本振信號。

　　2 控制模塊中DSP與FPGA數(shù)據(jù)通信

　　由于FPGA基于SRAM工藝，上電后數(shù)據(jù)會丟失。一般FPGA除了采用邊界掃描方式JTAG下載外，更多采用與FPGA相對應PROM芯片靜態(tài)配置，這種配置方式由于PROM容量小，價格昂貴，易于燒壞等缺點，在產(chǎn)品化之前一般不予采用，更可取的方法是采用控制器動態(tài)配置FPGA，比如單片機、DSP。同時，視頻服務器通過網(wǎng)口發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，需要一個控制部分前向網(wǎng)口接收視頻服務器的數(shù)據(jù)，后向配置FPGA，發(fā)送視頻數(shù)據(jù)?；谝陨峡紤]，整個系統(tǒng)中控制部分均由ADI公司的Blackfin系列DSP BF537完成，DSPBF537通過接口與視頻服務器和FPGA通信。

2．1 硬件平臺

　　ADSP是ADI(Analog Device Inc．)公司推出的一系列高性能低功耗DSP芯片，而基于Blackfin處理器的ADSP-BF537具有接口豐富，性能優(yōu)良，價格低廉等特點，并具有強大的多媒體數(shù)據(jù)處理能力。Blackfin處理器集成了一個由ADI公司和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的基于MSA(Micro Signal Architecture)的16／32位嵌入式處理器，支持32位RISC指令集，采用10級流水線，集成了兩個16位乘法加速器，內(nèi)核主頻最高可以達到600 MHz。ADSF-BF537總線有一個以DMA控制器為中心的高速自主數(shù)據(jù)通道。DMA總線可以在存儲器之間、存儲器和外部接口之間快速地傳遞數(shù)據(jù)，并且可以和內(nèi)核并行操作。ADSP的集成開發(fā)環(huán)境Visual DSP++中嵌入了實時操作系統(tǒng)內(nèi)核VDK，適合多任務多線程的嵌入式操作。ADI還提供了一個用于Blackfin系列嵌入式處理器的輕量級TCP／IP(LwIP)協(xié)議棧端口，可以快速將一個獨立的嵌入式應用聯(lián)網(wǎng)。

　　2．2 硬件系統(tǒng)架構

　　DSP與視頻服務器采用輕量級TCP／IP(LwIP)交互數(shù)據(jù)，這里不過多介紹。主要介紹DSP與FPGA連接。由于FPGA基于SRAM工藝，掉電后數(shù)據(jù)會丟失。采用的方法是將作用于FPGA的通信基帶算法文件存儲在DSP的FLASH中。一般調試時，DSP及FPGA都需要從PC機通過JTAG口進行程序的下載。但當系統(tǒng)程序已經(jīng)調試完畢，當需要到戶外進行測試或作為產(chǎn)品使用時，針對系統(tǒng)調試的方便性，采用DSP自啟動及配置FPGA部分。

　　ADI公司的ADSP-BF537上電后啟動方式一共有7種。本設計中采用的DSP上電從16位FLASH啟動，啟動程序采用Analog公司提供的燒寫啟動FLASH的程序。第一次上電時，利用JTAG，結合ADSP自帶工具“FLASH Programmer”將寫好的DSP程序燒入FLASH中。并且將FPGA的配置文件(．bit格式)讀到緩存，通過DSP燒寫到FLASH的Bankl和Bank2中，把Bank0用來做DSP自啟動。斷電復位后，啟動過程如下：

　　(1)BF537從FLASH引導啟動，完成DSP板級初始化。

　　(2)FPGA的配置文件動態(tài)加載到FPGA中。

　　(3)用DSP的GPIO端口對FPGA的時鐘和數(shù)據(jù)配置專用引腳進行模擬時序，即完成對FPGA的動態(tài)配置。

　　在啟動過程完成后，DSP與視頻服務器進行Sock-et連接，接收壓縮的視頻碼流，并送到FPGA進行基帶部分的處理。DSP與FPGA的接口部分如圖2所示。

　　圖2中DSP通過自身的外部總線與FPGA相連，F(xiàn)PGA內(nèi)部實現(xiàn)了兩個2 KB的異步存儲器SRAM0，SRAM1，對存儲器的訪問滿足DSP外部總線的時序要求。圖2中接口連線含義如表1所示。

對DSP而言，DSP通過外部總線連接到SRAM0和SRAM1，這就相當于外擴了兩個外部RAM，DSP可以自由地訪問它們。圖2中的SRAM0，SRAM1分別用于DSP發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。SRAM0和SRAM1本身是雙口RAM，可以供DSP和FPGA訪問，就是通過這種共享存儲器的方式完成數(shù)據(jù)交互。

　　2．3 軟件系統(tǒng)結構

　　相關程序是用含有VDK(Visual DSP Kernel)的DSP軟件開發(fā)工具Visual DSP開發(fā)的。VDK是一種帶有API函數(shù)庫的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它具有任務調度和任務管理功能，一共支持32個任務。VDK是整個軟件的基礎，所有其他的程序都運行在該Kernel上。程序流程圖如圖3所示。

　　上電或復位后，DSP自啟動后VDK啟動線程lwip_sysboot_threadtype開始運行。在線程lwip_sysboot_threadtype中進行板級初始化和Lwip協(xié)議棧和網(wǎng)口初始化，其中板級初始化包括FPGA初始化，EBIU初始化，MDMA初始化，F(xiàn)LAG初始化。接下來創(chuàng)建下面幾個線程：

　　(1)數(shù)據(jù)傳輸：視頻數(shù)據(jù)傳輸。用于從編碼器獲取編碼后的視頻數(shù)據(jù)流，并存儲到緩沖區(qū)中。

　　(2)FPGA中斷：視頻數(shù)據(jù)發(fā)送中斷；MDMA中斷。

　　DSP首先通過Socket與視頻服務器連接，從視頻服務器獲取視頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)緩存后按照特定的格式打包，等待FPGA觸發(fā)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送中斷。中斷觸發(fā)后，DSP啟動MDMA將一幀大小的數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA發(fā)送緩沖區(qū)。當MDMA操作完成后，觸發(fā)MDMA中斷，將幀頭寫入FPGA發(fā)送緩沖區(qū)的頭兩個字節(jié)。FPGA將接收的數(shù)據(jù)進行基帶算法處理后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給射頻部分，之后FPGA再觸發(fā)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送中斷，告訴DSP可以下一幀的發(fā)送，于是又啟動MDMA，如此循環(huán)。

　　3 實驗結果和分析

　　對系統(tǒng)在不同的信噪比的環(huán)境中傳輸?shù)恼`碼率進行了測試。測試方法如下：將發(fā)射機的輸出端口通過數(shù)據(jù)排線與邏輯分析儀相連，邏輯分析儀將采集到的一幀發(fā)射信號送到PC中用Matlab軟件對其加上噪聲，得到信噪比固定的信號。將這個信號導人信號源中進行不間斷循環(huán)發(fā)送給接收端的輸入端口。接收機接收信號進行解調并將解調出的數(shù)據(jù)傳給PC以統(tǒng)計誤碼率。測試結果如表2所示。

　　4 結 語

　　設計了一種無線視頻傳輸系統(tǒng)的方案，并對其中發(fā)射部分的數(shù)據(jù)通信過程做了詳細闡述。從硬件架構和軟件設計兩方面說明了數(shù)據(jù)在視頻服務器、DSP和FP-GA之間的傳遞過程。其中ADSP-BF537作控制器，成功完成了動態(tài)配置FPGA和通過網(wǎng)口傳送視頻數(shù)據(jù)的功能。該方案很好地滿足了大數(shù)據(jù)量，實時性的數(shù)據(jù)處理和結構靈活，模塊化設計相結合的要求。同時DSP+FPGA的數(shù)字硬件系統(tǒng)開發(fā)周期較短，系統(tǒng)容易維護和擴展，適合實時信號處理，使方案有更廣泛的應用。