无线视频传输系统的方案设计与结果分析

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。

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176×144～702×576，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。

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。

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。

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。