蘇寧，趙利

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，桂林541004）

蘇寧（研究生），研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)；趙利（教授），研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信及網(wǎng)絡(luò)。

引 言

數(shù)字視頻通信系統(tǒng)較傳統(tǒng)模擬視頻通信系統(tǒng)而言，具有抗干擾、抗噪聲能力強(qiáng)、便于計(jì)算機(jī)處理等優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展、特別是高效的音視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻通信系統(tǒng)需要較大帶寬和設(shè)備復(fù)雜的問(wèn)題得到了很好的解決。由于計(jì)算機(jī)與大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，高效能的嵌入式系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，從成本和技術(shù)上為原有模擬視頻傳輸系統(tǒng)的改造提供了基礎(chǔ)。針對(duì)采用模擬技術(shù)體制的某微波視頻傳輸系統(tǒng)，存在占用帶寬寬、鄰道干擾嚴(yán)重、圖像質(zhì)量差等問(wèn)題，需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造。

在保留原系統(tǒng)射頻模塊和主要功能不變的基礎(chǔ)上，以基于Linux的Cortex－A8嵌入式平臺(tái)為核心，完成音視頻數(shù)字化采集、壓縮處理以及收發(fā)處理功能，實(shí)現(xiàn)了高幀率、高分辨率的音視頻采集、壓縮／解壓及微波傳輸?shù)臄?shù)字視頻無(wú)線通信系統(tǒng)。采用mmap視頻采集、多線程、CP－FSK調(diào)制解調(diào)和USB轉(zhuǎn)UART 等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低、易開發(fā)、高速傳輸、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 系統(tǒng)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

①RF通道：發(fā)送端中頻頻率為60MHz，接收端中頻頻率為38 MHz，中頻帶寬為8 MHz。

②數(shù)字調(diào)制：調(diào)制方式為CP－FSK，中心頻率為中頻60或38 MHz，頻偏為±2 MHz，調(diào)制速率為4 Mbps。

③音視頻：音頻編碼格式為L(zhǎng)PCM，視頻編碼格式為H.264，視頻分辨率為640×480，視頻幀率為25fps。

1.2 發(fā)送端技術(shù)方案

在以Linux為操作系統(tǒng)的Cortex－A8嵌入式平臺(tái)上，采用USB攝像頭和麥克風(fēng)分別實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的數(shù)字化采集，同時(shí)進(jìn)行本地視頻回放。對(duì)采集所得的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264壓縮處理，并與音頻進(jìn)行音視頻組幀發(fā)送。經(jīng)組幀的音視頻數(shù)據(jù)通過(guò)USB 轉(zhuǎn)UART 接口傳送至CPFSK 調(diào)制模塊。USB 轉(zhuǎn)UART 接口采用能實(shí)現(xiàn)高速異步通信的XR21V1410 芯片實(shí)現(xiàn)，CP－FSK 調(diào)制模塊采用體積小、低功耗和控制靈活的AD9959DDS芯片實(shí)現(xiàn)。微波系統(tǒng)的中頻和射頻電路保持不變，實(shí)現(xiàn)一個(gè)傳輸速率達(dá)到4 Mbps的數(shù)字音視頻微波發(fā)送端，發(fā)送端的方案框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)送端方案框圖

三星公司的S5PV210處理器具有高性能的圖像處理器SGX540，支持USB2.0 接口，有豐富的接口、完善的BSP、齊全的開發(fā)文檔，最高可支持1080p＠30fps硬件解碼視頻流暢播放，格式可為MPEG4、H.263、H.264等［1］，因此高清視頻的采集與壓縮可以采用S5PV210處理器。

異步串行通信相比于同步串行通信，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、使用方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。單純地使用開發(fā)平臺(tái)上的UART 接口無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)傳輸速率的設(shè)計(jì)要求，可以通過(guò)USB轉(zhuǎn)UART 方式來(lái)提高串口傳輸速率。采用單片XR21V1410實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)UART，傳輸速率最高可達(dá)4 Mbps，且該芯片體積小、硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

為了抑制帶外輻射、避免領(lǐng)道干擾，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)，選用頻帶利用率高、帶外衰減快的CP－FSK 調(diào)制方式。為了滿足高達(dá)4 Mbps的高速CP－FSK 的技術(shù)要求，采用DDS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)CP－FSK 全數(shù)字調(diào)制。ADI公司的AD9959 DDS芯片具有功耗低、體積小、控制靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以執(zhí)行高達(dá)16階的頻率、相位或幅度調(diào)制（FSK、PSK、ASK），很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)全數(shù)字調(diào)制，成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CPFSK 全數(shù)字調(diào)制的一個(gè)選擇。

1.3 接收端技術(shù)方案

原有系統(tǒng)中，中頻及射頻電路保持不變。采用由SAW 和補(bǔ)償放大器組成的鄰道濾波器抑制鄰道干擾；采用中頻CP－FSK 解調(diào)方式，中心頻率為38 MHz，頻偏±2 MHz，實(shí)現(xiàn)速度為4 Mbps的FSK 解調(diào)；解調(diào)電路采用集成PPL的單片NE564芯片實(shí)現(xiàn)；異步串行通信接收采用基于XR21V1410芯片的USB 轉(zhuǎn)UART 接口實(shí)現(xiàn)；音視頻的接收和解碼采用以S5PV210 芯片為主處理器的Linux嵌入式平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并完成音視頻的本地回放。接收端的框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 高速異步串口模塊設(shè)計(jì)

XR21V1410有自己的內(nèi)部時(shí)鐘，可精確產(chǎn)生任何波特率，提供大容量FIFO，可實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)12Mbps的異步串行數(shù)據(jù)通信［1］。圖3為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 XR21V1410內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

電路設(shè)計(jì)需注意：

①芯片的工作電壓為2.97～3.63V，所以引腳VCC接3.3V 電源，如果沒有合適的電源，需多加一個(gè)電源電路；

②引腳USBD＋和USBD－與開發(fā)板的USB 接口連接；

③RX和TX為UART 的異步串行收發(fā)引腳；

④可以加一個(gè)ESD 保護(hù)電路，保護(hù)USBD＋和USBD－這兩條高速數(shù)據(jù)免受靜電放電和其他瞬變的影響；

⑤Lowpower引腳接一個(gè)外部上拉電阻，兩個(gè)GND引腳接地，同時(shí)SDA、SCL、GPIO0～GPIO5引腳懸空。

2.2 CP－FSK調(diào)制電路設(shè)計(jì)

CP－FSK 調(diào)制電路選用ADI公司的AD9959DDS芯片，該芯片是一款4通道、內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)500 MHz的直接數(shù)字頻率合成器芯片。每個(gè)通道均可提供獨(dú)立的頻率、相位和幅度控制，這種靈活性可用于校正信號(hào)之間由濾波、放大等模擬處理或PCB 布局失配而引起的不平衡問(wèn) 題［2－3］。CP－FSK 調(diào) 制 器 采 用 微 控 制 器 與AD9959構(gòu) 成的硬件電路實(shí)現(xiàn)，其中Atmel公司的微控制器ATmega32用于DDS的配置，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以60 MHz為中心、±2 MHz的兩個(gè)副載波頻率之間的高速切換，并保持碼元間相位的連續(xù)。此外，DDS的輸出是高速D／A 轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，含有較多高次諧波分量，需外接低通濾波器（LPF）剔除信號(hào)中的雜波和噪聲。

CP－FSK 調(diào)制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 CP－FSK調(diào)制器的硬件結(jié)構(gòu)圖

其中，P0～P3用于控制調(diào)制方式的選擇，IO＿UPDATA 為寄存器刷新線，SCLK 為串口同步信號(hào)，MARST＿RESET 為復(fù)位信號(hào)。

2.3 CP－FSK解調(diào)電路設(shè)計(jì)

CP－FSK 信號(hào)的解調(diào)方式有很多種，內(nèi)部有電壓比較器、有與TTL電平相匹配的輸入／輸出端、集成了鎖相環(huán)的NE564芯片是一種很好的選擇方案。芯片NE564 由輸入限幅器、鑒相器、壓控振蕩器、放大器、直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器6部分組成［4］。圖5為CP－FSK 解調(diào)電路。從射頻電路接收到的FSK 信號(hào)經(jīng)聲表濾波器（SAW）和補(bǔ)償放大電路（ERA）處理后，接入NE564芯片的6引腳進(jìn)行解調(diào)處理。

圖5 CP－FSK解調(diào)電路

中心頻率為38 MHz的CP－FSK 解調(diào)電路的電路參數(shù)取值，關(guān)鍵要確定4、5引腳和12、13引腳處的電容值，其他外圍器件大小的變化不大，影響比較小。計(jì)算方法如下：壓控振蕩器的固有頻率與接在12、13 端的定時(shí)電容CT＝C6＋C7有關(guān)：

中心頻率f0為38MHz，可得CT＝11.96pF，則可以選擇6.8pF和20pF的可調(diào)電容來(lái)調(diào)節(jié)VCO的中心頻率。通過(guò)可變電容調(diào)節(jié)VCO的頻率到所需要的中心頻率。

對(duì)于影響環(huán)路濾波器的接在4、5引腳上的C3、C4容值的選擇，可以根據(jù)芯片資料推導(dǎo)出計(jì)算方法如下：當(dāng)規(guī)定環(huán)路的增益k＝0.5，芯片供電電壓為5V，且調(diào)節(jié)2引腳電位器使其對(duì)應(yīng)電流I2為200μA后，可計(jì)算電容來(lái)調(diào)節(jié)中心頻率。此時(shí)，4、5引腳的電容大小，可用下式計(jì)算得到：

其計(jì)算值為4.67pF。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架

軟件系統(tǒng)包括：應(yīng)用程序、庫(kù)、操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序，其層次關(guān)系略——編者注。系統(tǒng)在應(yīng)用層可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集、壓縮／解壓和顯示，聲音采集和播放，視頻格式轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送接收等應(yīng)用。使用到的庫(kù)有進(jìn)行H.264視頻編解碼的編解碼庫(kù)等，系統(tǒng)采用的內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux－3.0.8，驅(qū)動(dòng)程序有USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)、音頻驅(qū)動(dòng)、7寸LCD彩色觸屏驅(qū)動(dòng)和USB轉(zhuǎn)UART 接口驅(qū)動(dòng)等。

3.2 關(guān)鍵軟件模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

V4L2是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。在Linux系統(tǒng)中，視頻設(shè)備以設(shè)備文件的形式存在于／dev目錄下，視頻的采集可以通過(guò)對(duì)視頻設(shè)備文件進(jìn)行讀寫等操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)V4L2 接口編寫視頻圖像采集程序，主要包括打開設(shè)備文件、取得設(shè)備功能信息、設(shè)置圖像格式、向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)幀緩沖、申請(qǐng)物理內(nèi)存、采集圖像數(shù)據(jù)、停止采集和關(guān)閉設(shè)備等［5］。流程圖略——編者注，具體操作如下：

①打開視頻設(shè)備文件，獲取攝像頭基本信息，并設(shè)置采集視頻的格式等參數(shù)。

②向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)幀緩沖，并將申請(qǐng)到的幀緩沖映射到用戶空間。

③將申請(qǐng)到的幀緩沖全部放入隊(duì)列，并啟動(dòng)視頻采集。

④開始視頻采集，把采集到的視頻數(shù)據(jù)幀緩沖從buf中出隊(duì)列，獲得視頻數(shù)據(jù)，處理完畢后，將空的緩沖再次放入隊(duì)列，循環(huán)往復(fù)采集連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)。

⑤停止視頻的采集和關(guān)閉視頻設(shè)備。

3.2.2 視頻硬件編解碼

S5PV210處理器采用了強(qiáng)大的信號(hào)處理擴(kuò)展集，為H.264等媒體編解碼提供加速。根據(jù)S5PV210處理器的用戶手冊(cè)，H.264編碼的具體步驟、流程圖略——編者注。

解碼部分的步驟與編碼大致相同，具體步驟、流程圖略——編者注。

3.2.3 音頻采集

脈沖編碼調(diào)制PCM 是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)每個(gè)采樣值進(jìn)行量化編碼。在Linux－3.0.8中，已經(jīng)存在音頻驅(qū)動(dòng)，可以很方便地對(duì)音頻文件進(jìn)行讀寫操作，從而進(jìn)行音頻應(yīng)用程序的開發(fā)。使用系統(tǒng)的設(shè)備文件接口為“／dev／dsp”，聲 音 采 集 的流程步驟大致如下：①打開設(shè)備文件；②配置參數(shù)，包括采樣頻率、量化位數(shù)和聲道數(shù)目等；③采集聲音；④停止采集并關(guān)閉設(shè)備。流程圖如圖6所示。

具體編程時(shí)，用ioctl（）函數(shù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)用和配置生效，采集函數(shù)使用read（），播放函數(shù)使用write（）。

圖6 聲音采集流程圖

3.2.4 音視頻數(shù)據(jù)發(fā)送與接收處理

（1）數(shù)據(jù)的組幀與分段

音視頻組幀方式采用聲音＋視頻的方式，每個(gè)音視頻幀的前端放聲音，后面加入視頻數(shù)據(jù)。為了便于進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)的串口收發(fā)和接收后對(duì)音視頻數(shù)據(jù)的后續(xù)操作，傳輸前需對(duì)音視頻幀數(shù)據(jù)分段處理。采用每次串口發(fā)送512字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行分段。每次串口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中有3個(gè)字節(jié)的幀頭和3個(gè)字節(jié)的幀尾，2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表示數(shù)據(jù)幀實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（最多可為504字節(jié)），數(shù)據(jù)幀合計(jì)共512個(gè)字節(jié)。具體的示意圖如圖7所示。

圖7 組幀與分段示意圖

另外，在對(duì)音視頻幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分段時(shí)需要考慮兩種情況：一是數(shù)據(jù)能整除劃分；二是數(shù)據(jù)不能整除劃分。整除劃分的可以直接發(fā)送，不能整除的音視頻幀需要在音視頻幀的最后一段數(shù)據(jù)塊N 補(bǔ)夠相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，湊夠504個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后方可傳輸。

（2）UART接口的收發(fā)

串口在嵌入式系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。串口屬于字符設(shè)備，同其他設(shè)備一樣，在Linux系統(tǒng)中以設(shè)備文件的形式存在，可以利用文件操作調(diào)用，包括常用的open（）、close（）、read（）、write（）等，比如以讀寫方式打開串口（int fd＝open（"／dev／ttyUSB0"，O＿RDWR）；）。

最基本的設(shè)置串口包括波特率、校驗(yàn)位和停止位設(shè)置，主要是設(shè)置structtermios結(jié)構(gòu)體的各成員值。read（）、write（）用來(lái)實(shí)現(xiàn)串口的收發(fā)數(shù)據(jù)功能。實(shí)現(xiàn)串口收、發(fā)的基本流程圖略——編者注。

3.3 USB轉(zhuǎn)UART驅(qū)動(dòng)移植

基于XR21V1410芯片的USB轉(zhuǎn)UART 接口驅(qū)動(dòng)屬于Linux 的 字 符 設(shè) 備。Linux－3.0.8 內(nèi) 核 版 本 無(wú)XR21V1410芯片的驅(qū)動(dòng)，需要從芯片廠商提供的源碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)移植。驅(qū)動(dòng)移植和制作新鏡像可以進(jìn)行如下操作：

①把下載所得的適合該版本內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)放到／Linux－3.0.8／driver／usb／serial／下；

②修改／Linux－3.0.8／driver／usb／serial／下的Kconfig和Makefile文件；

③切換到Linux－3.0.8 主目錄下，在終端執(zhí)行命令cp mini210＿linux＿defconfig.config；

④Linux－3.0.8主目錄下，在終端執(zhí)行命令make menuconfig，在圖形界面中找到需要選中的名稱進(jìn)行配置；

⑤在終端執(zhí)行命令make zImage；

⑥ 編 譯 完 成 后，進(jìn) 入 到／Linux－3.0.8／arch／arm／boot／下即可看到新生成的zImage文件，這就是剛編譯好的鏡像。

結(jié) 語(yǔ)

該數(shù)字微波視頻傳輸系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)以及Cortex－A8內(nèi)核的處理器S5PV210，利用其內(nèi)部集成的H.264硬件編／解碼器，極大地提高視頻編碼效率。在分辨率為640×480、幀率為25fps的情況下，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試結(jié)果表明，音視頻的無(wú)線微波傳輸可靠、圖像清晰流暢、實(shí)時(shí)性良好，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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