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无线视频传输系统的方案设计与结果分析

2017年12月12日 14:08 次阅读

无线通信技术和视频压缩技术的迅速发展,使得无线视频传输成为人们研究的热点。无线视频传输具有数据量大,实时性要求高,无线信道资源有限的特点。新一代的视频压缩标准H.264结合专用视频DSF芯片可以满足信源编码的要求。而处理数据量大,速度快,运算结构相对简单的FPGA适用于信道编码。基于以上考虑,设计了一个无线视频传输系统,并以发射端ADSP-BF537作为控制器,配置FPGA和进行数据通信。

1 总体结构实现方案

系统硬件的实现方案如下:

发送端由摄像机、专用视频编码芯片、控制模块、基带模块、射频模块(RF)等部分组成。接收端由射频接收模块、控制模块、基站模块、专用视频解码芯片等部分组成。系统结构如图1所示。

无线视频传输系统结构

视频编码部分使用基于DM642的H.264视频编码器。该芯片通过网口传输数据,输出的视频流是H.264格式,输出图像的分辨率范围为176&TImes;144~702&TImes;576,而且可以根据具体需要修改码流和帧率。

控制模块使用ADI公司的ADSP-BF537作为主要芯片。其主要作用是完成FPGA的配置、接口控制、通信链路的建立(视频流数据的传输)。

基带模块以Xilinx公司Spartan3 400万门级芯片的FPGA作为主要芯片。FPGA完成整个基带信号处理,包括信道编码、OFDM调制、滤波等。

射频模块由发射单元、接收单元、频率合成单元、外置15 W功放等四部分组成,采用差分I,Q信号调制、解调,双向传输。发射单元将I,Q差分输入经调制芯片调制成340 MHz的射频信号,经功率控制、功放、隔离器送往环行器、天线;通过收发电平控制进行发送和接收的切换;接收单元对接收信号进行滤波、低噪声放大器后送I,Q解调芯片解调出差分的I,Q信号,并进行RSSI检测和AGC控制。工作模式采用半双工模式;频率合成单元为发射单元提供340 MHz本振信号,为接收单元提供680 MHz本振信号。

2 控制模块中DSP与FPGA数据通信

由于FPGA基于SRAM工艺,上电后数据会丢失。一般FPGA除了采用边界扫描方式JTAG下载外,更多采用与FPGA相对应PROM芯片静态配置,这种配置方式由于PROM容量小,价格昂贵,易于烧坏等缺点,在产品化之前一般不予采用,更可取的方法是采用控制器动态配置FPGA,比如单片机、DSP。同时,视频服务器通过网口发送视频数据,需要一个控制部分前向网口接收视频服务器的数据,后向配置FPGA,发送视频数据。基于以上考虑,整个系统中控制部分均由ADI公司的Blackfin系列DSP BF537完成,DSPBF537通过接口与视频服务器和FPGA通信。

2.1 硬件平台

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处理器的ADSP-BF537具有接口丰富,性能优良,价格低廉等特点,并具有强大的多媒体数据处理能力。Blackfin处理器集成了一个由ADI公司和Intel公司联合开发的基于MSA(Micro Signal Architecture)的16/32位嵌入式处理器,支持32位RISC指令集,采用10级流水线,集成了两个16位乘法加速器,内核主频最高可以达到600 MHz。ADSF-BF537总线有一个以DMA控制器为中心的高速自主数据通道。DMA总线可以在存储器之间、存储器和外部接口之间快速地传递数据,并且可以和内核并行操作。ADSP的集成开发环境Visual DSP++中嵌入了实时操作系统内核VDK,适合多任务多线程的嵌入式操作。ADI还提供了一个用于Blackfin系列嵌入式处理器的轻量级TCP/IP(LwIP)协议栈端口,可以快速将一个独立的嵌入式应用联网。

2.2 硬件系统架构

DSP与视频服务器采用轻量级TCP/IP(LwIP)交互数据,这里不过多介绍。主要介绍DSP与FPGA连接。由于FPGA基于SRAM工艺,掉电后数据会丢失。采用的方法是将作用于FPGA的通信基带算法文件存储在DSP的FLASH中。一般调试时,DSP及FPGA都需要从PC机通过JTAG口进行程序的下载。但当系统程序已经调试完毕,当需要到户外进行测试或作为产品使用时,针对系统调试的方便性,采用DSP自启动及配置FPGA部分。

ADI公司的ADSP-BF537上电后启动方式一共有7种。本设计中采用的DSP上电从16位FLASH启动,启动程序采用Analog公司提供的烧写启动FLASH的程序。第一次上电时,利用JTAG,结合ADSP自带工具“FLASH Programmer”将写好的DSP程序烧入FLASH中。并且将FPGA的配置文件(.bit格式)读到缓存,通过DSP烧写到FLASH的Bankl和Bank2中,把Bank0用来做DSP自启动。断电复位后,启动过程如下:

(1)BF537从FLASH引导启动,完成DSP板级初始化。

(2)FPGA的配置文件动态加载到FPGA中。

(3)用DSP的GPIO端口对FPGA的时钟和数据配置专用引脚进行模拟时序,即完成对FPGA的动态配置。

在启动过程完成后,DSP与视频服务器进行Sock-et连接,接收压缩的视频码流,并送到FPGA进行基带部分的处理。DSP与FPGA的接口部分如图2所示。

DSP与FPGA的接口部分

图2中DSP通过自身的外部总线与FPGA相连,FPGA内部实现了两个2 KB的异步存储器SRAM0,SRAM1,对存储器的访问满足DSP外部总线的时序要求。图2中接口连线含义如表1所示。

接口连线含义

对DSP而言,DSP通过外部总线连接到SRAM0和SRAM1,这就相当于外扩了两个外部RAM,DSP可以自由地访问它们。图2中的SRAM0,SRAM1分别用于DSP发送数据和接收数据。SRAM0和SRAM1本身是双口RAM,可以供DSP和FPGA访问,就是通过这种共享存储器的方式完成数据交互。

2.3 软件系统结构

相关程序是用含有VDK(Visual DSP Kernel)的DSP软件开发工具Visual DSP开发的。VDK是一种带有API函数库的实时操作系统内核,它具有任务调度和任务管理功能,一共支持32个任务。VDK是整个软件的基础,所有其他的程序都运行在该Kernel上。程序流程图如图3所示。

程序流程图

上电或复位后,DSP自启动后VDK启动线程lwip_sysboot_threadtype开始运行。在线程lwip_sysboot_threadtype中进行板级初始化和Lwip协议栈和网口初始化,其中板级初始化包括FPGA初始化,EBIU初始化,MDMA初始化,FLAG初始化。接下来创建下面几个线程:

(1)数据传输:视频数据传输。用于从编码器获取编码后的视频数据流,并存储到缓冲区中。

(2)FPGA中断:视频数据发送中断;MDMA中断。

DSP首先通过Socket与视频服务器连接,从视频服务器获取视频数据,并将数据缓存后按照特定的格式打包,等待FPGA触发视频数据发送中断。中断触发后,DSP启动MDMA将一帧大小的数据发送给FPGA发送缓冲区。当MDMA操作完成后,触发MDMA中断,将帧头写入FPGA发送缓冲区的头两个字节。FPGA将接收的数据进行基带算法处理后再将数据发送给射频部分,之后FPGA再触发视频数据发送中断,告诉DSP可以下一帧的发送,于是又启动MDMA,如此循环。

3 实验结果和分析

对系统在不同的信噪比的环境中传输的误码率进行了测试。测试方法如下:将发射机的输出端口通过数据排线与逻辑分析仪相连,逻辑分析仪将采集到的一帧发射信号送到PC中用Matlab软件对其加上噪声,得到信噪比固定的信号。将这个信号导人信号源中进行不间断循环发送给接收端的输入端口。接收机接收信号进行解调并将解调出的数据传给PC以统计误码率。测试结果如表2所示。

4 结 语

设计了一种无线视频传输系统的方案,并对其中发射部分的数据通信过程做了详细阐述。从硬件架构和软件设计两方面说明了数据在视频服务器、DSP和FP-GA之间的传递过程。其中ADSP-BF537作控制器,成功完成了动态配置FPGA和通过网口传送视频数据的功能。该方案很好地满足了大数据量,实时性的数据处理和结构灵活,模块化设计相结合的要求。同时DSP+FPGA的数字硬件系统开发周期较短,系统容易维护和扩展,适合实时信号处理,使方案有更广泛的应用。

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利用定制 FPGA 主板实施适用于物联网的软件定...

发表于 2018-05-08 16:49 740次阅读
利用定制 FPGA 主板实施适用于物联网的软件定...

江苏宏云陶建平:MCU+DSP芯片架构用于无线充...

2018年4月27日,在电子发烧友主办的无线充电研讨会上,来自云技术有限公司董事长兼总经理陶建平,从...

发表于 2018-05-08 16:16 1250次阅读
江苏宏云陶建平:MCU+DSP芯片架构用于无线充...

FPGA和单片机、DSP的差异

单片机是什么?单片机可以简单理解为集成在单一芯片上的微型计算机,也有运算器、控制器、存储器、总线及输...

发表于 2018-05-08 15:14 200次阅读
FPGA和单片机、DSP的差异

在FPGA逻辑设计中编程语言最容易忽略的错误

我知道,我对与电子有关的所有事情都很着迷,但不论从哪个角度看,今天的现场可编程门阵列(FPGA),都...

发表于 2018-05-08 10:27 267次阅读
在FPGA逻辑设计中编程语言最容易忽略的错误

Xilinx近期重点在推的解决方案你知道有哪些吗...

400G 数据包分类与搜索 Renesas 使用基于 Xilinx VCU110 (VU190...

发表于 2018-05-07 11:37 136次阅读
Xilinx近期重点在推的解决方案你知道有哪些吗...

基于FPGA应用设计优秀电源管理解决方案

为FPGA应用设计优秀电源管理解决方案不是一项简单的任务,相关技术讨论有很多。本文一方面旨在找到正确...

发表于 2018-05-07 09:05 601次阅读
基于FPGA应用设计优秀电源管理解决方案

5G通信到底带给半导体厂商哪些挑战?

对于负责设计5G芯片的工程师来说,他们需要处理很多难题。Flex Logix公司首席执行官Geoff...

发表于 2018-05-07 08:52 1097次阅读
5G通信到底带给半导体厂商哪些挑战?

ASIC、FPGA和CPU三者的特点比较

ASIC芯片内部架构较为简单,不可以硬件编程,只能用来专门处理某一种功能,灵活性最差,但是在执行某一...

发表于 2018-05-06 10:50 1249次阅读
ASIC、FPGA和CPU三者的特点比较

通俗讲讲到底什么才是FPGA

FPGA出现之前,所有集成电路都可以看成雕塑家,但是雕成一个成品,往往要浪费很多半成品和原料,这就是...

发表于 2018-05-06 10:47 748次阅读
通俗讲讲到底什么才是FPGA

一文详解FPGA的图像处理技术

基于软件的图像处理方法存在着一些局限性,尤其是计算速度和算法效率方面。所以大家很自然的就想到了FP...

发表于 2018-05-06 01:04 1037次阅读
一文详解FPGA的图像处理技术

DSP/BIOS嵌入式实时操作系统介绍及其引导设...

随着信息技术的发展,DSP在现代电子系统设计中得到了广泛的应用,并且DSP的FLASH自启动在DSP...

发表于 2018-05-05 17:53 125次阅读
DSP/BIOS嵌入式实时操作系统介绍及其引导设...

由TMS320F2808组成的DSP最小系统硬件...

TMS320F2808是德州仪器(TI)公司推出的C2000平台上的定点DSP芯片,具有低成本、低功...

发表于 2018-05-05 14:56 192次阅读
由TMS320F2808组成的DSP最小系统硬件...

超低功耗iCE40 HX系列架构图分析

lattice公司的iCE40 HX超低功耗mobileFPGA系列,和其它任何的CPLD或FPGA...

发表于 2018-05-05 10:26 114次阅读
超低功耗iCE40 HX系列架构图分析

FPGA设计的独热码的使用和调试技巧的详细概述

独热码在状态机里面使用比价广泛,这一块有些人爱用,有些人嫌烦,有时候可以用用格雷码跳转,不过格雷码只...

发表于 2018-05-05 10:15 2197次阅读
FPGA设计的独热码的使用和调试技巧的详细概述

汽车音响改装遇上DSP音效处理器

调完之后亮点是案人声表现出众,各频段衔接流畅,声音透彻耐听,低频结实厚重富有层次,动态优秀,后期有提...

发表于 2018-05-04 10:54 601次阅读
汽车音响改装遇上DSP音效处理器

关于低频数字式相位仪的设计方案

基于AVR单片机与FPGA的低频数字式相位测量仪设计 在工业领域中经常要用到低频数字式相位仪来精确测...

发表于 2018-05-03 14:33 235次阅读
关于低频数字式相位仪的设计方案

中美在AI领域确实存在一定差距,无可否认

近年来,人工智能(AI)技术在中国发展得如火如荼,国内外不时出现“中国将在AI领域赶超美国”的声音。...

发表于 2018-05-03 14:21 589次阅读
中美在AI领域确实存在一定差距,无可否认

英特尔FPGA:理想的加速器之选

以前FPGA没有一个标准的加速卡,或者没有一组标准的软件应用访问接口,每一个公司都要自己开发自己的东...

发表于 2018-05-03 09:09 719次阅读
英特尔FPGA:理想的加速器之选

CAST和Achronix使用无损压缩IP支持从...

2018年5月—基于现场可编程门阵列(FPGA)的硬件加速器器件及嵌入式FPGA(eFPGA)领域内...

发表于 2018-05-03 09:05 1231次阅读
CAST和Achronix使用无损压缩IP支持从...

不用处理器就可以控制FPGA总线的方法你知道吗?

许多FPGA设计使用嵌入式处理器实现控制。典型的解决方案是使用Nios这样的软处理器,虽然内置硬处理...

发表于 2018-05-02 17:38 457次阅读
不用处理器就可以控制FPGA总线的方法你知道吗?

FPGA学习之模块化设计概述

模块化设计是FPGA设计中一个很重要的技巧,它能够使一个大型设计的分工协作、仿真测试更加容易,代码维...

发表于 2018-05-02 14:49 223次阅读
FPGA学习之模块化设计概述

Intel的FPGA加速卡 宣称数据是未来的石油

“我们希望后续还会有其他主流的OEM厂商向大家做这样的公布,请拭目以待,应该会非常快”, Intel...

发表于 2018-05-02 14:18 131次阅读
Intel的FPGA加速卡 宣称数据是未来的石油

中国电科38所发布最强的数字信号处理器——“魂芯...

4月23日,中国电科38所在福州举行的首届数字中国建设峰会上发布了实际运算性能在业界同类产品最强的数...

发表于 2018-05-02 14:11 1181次阅读
中国电科38所发布最强的数字信号处理器——“魂芯...

魂芯和MaPU是走专用路线的一款DSP

在过去几十年,中国工业发展和技术升级中有一大特色就是重复建设,最好的例子莫过于改革开放之初,全国各省...

发表于 2018-05-02 10:35 974次阅读
魂芯和MaPU是走专用路线的一款DSP

基于三层级低开销的系统性的缓解FPGA中MBU问...

延迟时间d首先要保证能够检测到组合逻辑中全部的SET,因此必须大于SET的最大持续时间。随着工艺尺...

发表于 2018-05-02 10:02 371次阅读
基于三层级低开销的系统性的缓解FPGA中MBU问...

FPGA:X-DB异构计算实现百万级TPS的技巧

X-Engine 是集团数据库事业部研发的新一代存储引擎,是新一代分布式数据库X-DB的根基。为了达...

发表于 2018-05-02 08:31 63次阅读
FPGA:X-DB异构计算实现百万级TPS的技巧

工程师设计经验分享:画FPGA开发板所犯的那些错...

这里先截下我最初画这个开发板的一张惨不忍睹的PCB让大家看看。TopLayer如图: BottomL...

发表于 2018-05-01 20:48 543次阅读
工程师设计经验分享:画FPGA开发板所犯的那些错...