基于ZYNQ的无线视频流发送设计

时间：2024-05-04

尹雅君，李毅航，张宽，唐立军

（长沙理工大学物理与电子科学学院，长沙 410114）

0 引言

无线视频传输在工业和生活中有着极大的应用[1]，随着视频分辨率的提高，在进行无线视频传输时，对处理视频数据流的嵌入式系统有了更高的要求。Xilinx公司推出的可扩展性处理平台ZYNQ-7000系列产品，是双核ARM Cortex-A9处理器系统（PS）和FPGA可编程逻辑单元（PL）集成的SOC[2]，在扩展嵌入式系统结构的同时，也提升了系统的性能和集成度，该平台实现了视频数据流传输的模块化、低功耗以及传输的高速稳定。本文提出基于ZYNQ-7000平台和集成调制芯片的无线视频传输设计，可满足视频数据流的无线发送。

1 系统整体框架

基于ZYNQ的无线视频流发送设计结构如上图1所示，发射端由ZYNQ视频处理平台、集成调制芯片IT9517、SD卡、DDR3存储器、VDMA组成。发射端先将TS格式的数据流通过读卡器存放SD卡中，由DDR3存储器对TS数据流进行读取缓存，VDMA通过MM2S将DDR3中的数据读取出来并经过格式处理传给集成调制芯片IT9517进行无线发送，ARM与IT9517通过IIC进行通信，并通过IIC设置调制芯片的工作参数。

图1 基于ZYNQ的无线视频流发送设计结构图

ZYNQ平台包括了PS端和PL端，PS端集成了两个ARM Cortex-A9处理器、内部存储器、外部存储器接口和外设。这些外设主要包括USB总线接口、以太网接口、SD/SDIO接口、I2C总线接口、CAN总线接口、UART接口、GPIO等，PL端包括LUT（查找表）、DSP单元、可编程I/O模块等传统的FPGA资源。与一般的SOC相比，ZYNQ平台内部PS端与PL端的通信更完善，主要有EMIO、共享内存、AXI互联总线等。

AXI互联总线是PS和PL的主要数据交换通道，包括四个 AXI_GP、一个 AXI_ACP、四个 AXI_HP。AXI_GP包含了两个32位主接口和两个32位从接口，用于PS和PL的直接通信；AXI_ACP提供了64位从接口，连接到PS的侦测控制单元SCU（Snoop Control Unit），用于 CPU和 PL之间的高速缓存一致性；AXI_HP用于在PS存储器和PL主设备之间提供一个高吞吐量数据通道，每个接口最大位数可达64位，对于读和写操作，提供1KB容量的数据FIFO，可消除长延迟传输，适合高数据带宽的视频流数据传输[3]。

2 系统硬件设计

2.1 集成调制芯片IT9517

IT9517是一款专用于无线图传设备和数字高清电视的OFDM[4]调制发射芯片，芯片内部集成了完整的TS数据流处理转换和射频相关电路，输入的TS流数据首先通过内部的PID滤波器处理电路，再通过PSB多路复用控制流处理，然后进行ISDB-T或DVB-T转换，进一步通过内部的数模转换、低通滤波、本地振荡器，混频器后输出的射频信号频率范围是50MHz-950MHz[5]，将基带信号变频到 VHF（174MHz-470MHz）和 UHF（470MHz-862MHz）这两个频段,输出信号带宽可从1MHz-8MHz进行配置，射频信号通过无线信道传输。以下是IT9517芯片的控制接口示意图。

图2 IT9517芯片的控制接口示意图

ZYNQ通过IIC接口控制调制器的工作状态，TS流数据也是通过ZYNQ传输至调制器。IT9517共有以下四种工作模式，见表1。

在TS/USB控制模式下，TS是输入数据流，USB是两线的控制信号；在TS/IIC控制模式下，TS是输入数据流，IIC是两线的控制信号；在TS/USB控制模式下，USB为控制接口，输入信号仍为TS数据流；在IIS模式下，IIS值做音频数据输入，控制接口可选择IIS或者USB。

表1 IT9517工作模式表

本设计主要是用于视频图像传输，而TS数据流作为广泛使用的视频数据传输流，所以选用TS/IIC模式。

2.2 TS 流协议

无线视频传输到信道过程受到多种噪声的影响，在MPEG-2标准中，有两种码流输送到信道，一种是适用于没有误差产生的节目码流，如DVD等存储介质；另一种是适用于信道有噪声产生的传输流（Transport Stream，TS）[6]，所以本系统中用到TS流进行视频无线传输。

TS数据文件分为三层：TS层、PES层（Packet Elemental Stream）、ES层（Elementary Stream）。ES层就是音视频数据，PES层是在音视频数据上加了时间戳等对数据帧的说明信息，TS层就是在PES层加入数据流的识别和传输必须的信息，图3是TS文件的结构图。

图3 TS流文件结构图

TS数据包大小固定为188字节，TS层分为ts header、adaptation field、payload 三个部分。ts header固定4个字节，adaptation field可能存在也可能不存在，主要作用是给不足188字节的数据做填充；payload是PES数据。

视频编码后的裸数据ES通过分割打包加入PES头形成为PES流，PES包是可变长度的，PES头中最重要的是显示时间标记（Presentation Time Stamp，PTS）和解码时间标记（Decode Time Stamp，DTS），有了 PTS和DTS，在加上节目时钟参考PCR，解码器就能从TS流中重建视频流。

传输包流包含头和有效载荷，一个单元的头和有效载荷固定长度为188Btye，TS流固定包长度的好处是便于找到帧的起始位置，这样有利于从包丢失中恢复，因此，TS流适用于信道有噪声产生的场合[7]。

3 软件设计

以下是基于ZYNQ的无线视频流发送的软件设计流程，如图4。

（1）系统模块进行初始；

（2）SD卡中的TS数据流写入DDR3；

（3）设置VDMA的循环读写模式和缓存区大小；

（4）VDMA读取DDR3中的数据，并将TS数据模式改为八位并行输出；

（5）等待IT9517的参数初始化设置成功后；

（6）将TS数据流传入IT9517进行调制发送。

图4 软件设计流程图

3.1 VDMA初始化

VDMA IP核进行配置时要使能读写操作、内存映射数据位宽、TS流数据位宽等，VDMA的初始化主要通过对其寄存器进行配置的，其中初始化中主要用到的寄存器为写入通道s2mm状态寄存器0x34，控制器存器0x30、帧缓存起始地址寄存器0xA0-0XE8、帧演示跨度期存器0xA8和读通道mm2s的状态寄存器0x04、控制寄存器0x00、帧缓存起始地址寄存器0x5C-0x98、帧延时跨度寄存器0x58等。

3.2 集成调制芯片IT9517初始化

在对集成调制芯片IT9517进行初始化时，设置芯片与SOC主控制器的通信模式为TS/IIC模式，IIC为控制器，TS流为输入信号。IIC的地通信址由芯片外部引脚的高低电平决定，在进行硬件设计的时候就将芯片的IIC通信地址设置为0x38（读）/0x39（写）。首先通过写命令0x0022读取芯片固件版本，有Linux和OFDM两个寄存器版本，并在访问参数设置寄存器时，readRegister（）和 writeRegister（）的处理参数应设置为Processor_OFDM。主要配置的寄存器为输出信号带宽（Bandwidth）控制寄存器 0xF713、调制星座（Constellation）模式控制寄存器 0xF721、编码速率（Code rate）控制寄存器 0xF723、保护间隔（GuardInterval）寄存器0xF725等。

初始化的主要参数设置：信号输出带宽为6MHz、调制模式设置为QPSK、编码速率设置为5/6、保护间隔设置为1/8和信号输出格式为DVB-T。

4 实验结果与分析

EW300是一款专用于接收数字地面信号的调谐器模块，用于对本设计进行发送验证。

EW300输出的TS流数据主要由TS_Sync、TS_Data与TS_Valid三个信号信号组成，TS_Sync单周期内传输一个TS数据包，TS_Valid单周期内传输一个字节TS数据。为验证数据传输的完整性，通过逻辑分析仪采集EW300输出的TS流数据，图5为逻辑分析仪采集的TS数据图，从数据的波形可知符合理论上EW300的TS流数据传输流程，能够验证方案的可行性。

图5 逻辑分析仪采集信号图