（信号与信息处理专业论文）多模式无线视频通信硬件系统的研究与设计.pdf

摘要 在多媒体数字信号处理技术迅猛发展的同时，无线网络的可利用带宽越来越大， 覆盖范围越来越广。然而目前单一模式的无线传输由于受网络覆盖及传输带宽等因素 的影响，应用范围受到了限制，例如：g s m 、g p r s 、c d m a l x 网络几乎全国覆盖， 但是可用带宽很窄，而拥有较高带宽的w l a n 又受到覆盖范围小的限制。所以研制 集多种传输模式于一体的无线多媒体通信系统具有重要的研究和应用价值。 实现多模式无线多媒体通信终端必需有多种软硬件技术支持，如高性能的d s p ， 多种无线通信接口，视频编码技术，嵌入式操作系统及相关网络组件等。本文的主要 工作就是研制基于高性能多媒体d s p p n x l 3 0 x 硬件平台的，采用h 2 6 3 视频压缩标准， 可用于g s m 、g p r s 、c d m a l x 和w l a n 无线网络的无线视频通信终端系统。 本文根据p n x l 3 0 x 的内部结构和外设接口特性，提出了利用p n x l 3 0 x 的丰富接口 将基于p n x l 3 0 x 的视频编码与控制主板和无线通信接口板分离的技术方案，其要点是 用p c i 接口连接w l a n 无线网卡，用p c 一x i o 接口扩展串口，连接g s m g p r s 无 线模块m c 3 5 和c d m a 模块q 2 3 5 8 ，使p n x l 3 0 x 能同时通过多种模式连接到无线网 络。之后详细介绍了适用于g s m g p r s c d m w l a n 网络的无线视频通信终端的硬 件设计，适用于g p r s c d m a 网络的p p p 驱动，以及系统远程控制的设计等。 本文对实现的p n x l 3 0 x 核心板、无线通信接口板、p p p 驱动和在此基础上构建的 无线视频编码器进行了实际视频传输测试。测试结果表明，该硬件系统工作稳定，p p p 驱动性能良好，达到了预期的设计目标。文章的最后讨论了目前设计中值得改进的问 题，并提出了进一步完善的方向。 d s p 关键词：无线视频通信，多模式，g s m ，g p r s ，c d m a ，w l a n ，p n x l 3 0 x a b s t r a c t w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i ad i g i t a ls i g n a lpr o c e s s i n g t e c h n o l o g y , t h e s p r e a da r e aa n da v a i l a b l eb a n d w i d t ho fw i r e l e s sn e t w o r ka r eb e c o m i n gw i d e ra n dw i d e r h o w e v e r , c u r r e n ts i n g l e m o d et r a n s m i s s i o ni ss t i l lr e s t r i c t e de i t h e rb yi t sn e t w o r ks p r e a d o rb yi t sb a n d w i d t h f o re x a m p l e ，g s m ( g p r s ，c d m a ) n e t w o r kc a na l m o s te x t e n dt ot h e w h o l ec o u n t r y , b u ti t sb a n d w i d t hi sn a r r o w o nt h ec o n t r a r y , w l a nn e t w o r kc a l lp r o v i d e w i d e rb a n d w i d t h ，w h i l ei t ss p r e a da r e ai ss m a l l s oi ti s v e r yi m p o a a n tt od e v e l o pa m u l t i m o d ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l t or e a l i z et h em u l t i m o d ew i r e l e s sm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l ，s o m e s o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g i e sa r en e c e s s a r y , s u c ha sh i g hp e r f o r m a n c ed s p , m u l t i - i n t e r f a c eo fw i r e l e s sn e t w o r k ，v i d e oc o d i n gt e c h n o l o g y , e m b e d d e do sa n di t s n e t w o r km o d u l e t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e dt od e s i g nap m xl3 0 xb a s e d w i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l ，w h i c ha d o p t sh 2 6 3r e c o m m e n d a t i o n ，a n dc a nb e u s e do v e rg s m ，g p r s ，c d m aa n dw l a nw i r e l e s sn e t w o r k a f t e rab r i e f i n t r o d u c t i o no f t h ei n t e r n a ls t r u c t u r ea n dp e r i p h e r a li n t e r f a c e so f p n x l 3 0 x ， w eb r i n gf o r w a r daf l e x i b l ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m e ，w h i c hs e p a r a t e st h ep n x l 3 0 xm a i n b o a r df r o mt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb yt h ep n x l3 0 xp c i p c i x i oi n t e r f a c e i nt h i ss c h e m e ，t h ew l a nc a r di sc o n n e c t e dt ot h es y s t e mb yt h ep c ib u s ，a n dt h e p c i x i ob u si su s e dt oe x t e n du a r t p o r t ，w h i c hc o n n e c t sg s m g p r s w i r e l e s sm o d u l e m c 3 5a n dc d m aw i r e l e s sm o d u l eq 2 3 5 8 t h e r e f o r e ，p n x l 3 0 xc a nb ec o n n e c t e dt ot h e w i r e l e s sn e t w o r kw i t hd i f f e r e n ta c c e s sm o d e sa tt h es a r n et i m e a f t e r w a r d s ，w eg i v et h e i m p l e m e n t a t i o nd e t a i l so f p n x l 3 0 xm a i nb o a r d ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb o a r d ，p p pd r i v e r f o rt h eg p r s c d m ae n v i r o n m e n t ，a n dt h ed e s i g no fr e m o t es y s t e mc o n t r 0 1 t h ep r a c t i c a lt e s t sp r o v et h a tt h ep n xl3 0 xm a i nb o a r d ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb o a r d ， p p pd r i v e ra n dt h ew h o l ev i d e oc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l yw i t h s a t i s f a c t o r yq u a l i t y f i n a l l y , w ed i s c u s ss o m ep r o b l e m si nc u r r e n ti m p l e m e n t a t i o na n d f u t u r ei m p r o v e m e n t s k e yw o r d s ：w i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n ，m u l t i - m o d e ，g s m ，g p r s ，c d m a ， w l a n ，p n x l 3 0 x ，d s p i i 南京邮电学院硕士研究生学位论文缩略语 缩略语 a a a ，a u t h e m i c a t i o n ，a c c o u n t i n g ，a u t h o r i z a t i o n ，鉴权、计费、授权 a d i ，a n a l o gd e v i c e s ，美国模拟器件公司 a r p ，a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议 a u c ，a u t h e n t i c a t i o nc e m e r ，鉴权中心 b i o s ，b a s ei n p u t o u t p u ts y s t e m ，基本输入输出系统 b i u ，b u si n t e r f a c eu n i t ，总线接口单元 b s c ，b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，基站控制器 b s p ，b o a r ds u p p o r tp a c k e t ，板级支持包， b s r ，b o u n d a r ys c a nr e g i s t e r ，边界扫描寄存器 b t s ，b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ，基站收发信机 c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址 c h a p ，c h a l l e n g e h a n d s h a k ea u t h e n t i c a t i o np r o t o c o l ，挑战握手验证协议 c p l d ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ，复杂可编程逻辑器件 c p u ，c e n t e r p r o c e s s u n i t ，中央处理器 c r c ，c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ，循环冗余码校验 c s d ，c i r c u i ts w i t c hd a t a ，电路交换数据 c t s ，c l e a rt os e n d ，清除发送 d c e ，d a t ac o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t ，数据通信设备 d m a ，d m a d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接存储器存取 d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器 d s r ，d a t as e tr e a d y ，数据准备好 d t e ，d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ，数据终端设备 d t r ，d a t at e r m i n a lr e a d y ，数据终端就绪 d v o ，d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ，数字多功能光盘 e e p r o m ，e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ，电可擦除的只读 存储器 e i a ，e l e c t r i c a li n d u s t r y a s s o c i a t i o n ，电子工业协会 e t s i ，e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲通信技术委员会 f a ，f o r e i g na g e n t ，外地代理 f c s ，f r a m ec h e c ks e q u e n c ，帧检验序列， g r i p s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务 g s m ，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ，全球移动通信系统网络 南京邮电学院硕上研究生学位论文 缩略语 g u i ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，图形用户界面 h a ，h o m ea g e n t ，归属代理 h d l c ，h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制， h l r ，h o m el o c a t i o nr e ：g i s t e r ，归属位置登记器 i i c ，i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ，内部综合电路 i p c p ，i pc o n t r o lp r o t o c o l ，i p 控制协议 i p x ，i n t e r n e t w o r kp a c k e te x c h a n g e ，网间分组交换 i s a ，i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工业标准结构 i s l ，i n t e r f a c es p e c i f i cl a y e r ，特定接口层， i s o ，i n t e m a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织 i s p ，i n t e r a c ts e r v i c ep r o v i d e r ，因特网服务提供商 i s r ，i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，中断服务程序 i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟 j e d e c ，l o i n te l e c t r o nd e v i c ee n g i n e e r i n gc o u n c i l ，电子元件工业联合会 j t a g ，j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组 l a c ，l i n k a c c e s sc o n t r o l ，链路接入层 l c p ，l i n kc o n t r o lp r o t o c o l ，链路控制协议 l s r ，l i n es t a t u sr e ：g i s t e r ，线路状态寄存器 m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，媒质接入层 m o s f e t ，m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，金属氧化物半导体场 效应晶体管 m p e g ，m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专家组 m r u ，m a x i m u mr e c e i v eu n i t ，最大接收单元 m s r ，m o d e ms t a t u sr e g i s t e r ，m o d e m 状态寄存器 m s ，m o b i l es t a t i o n ，移动台 m s c ，m o b i l es w i t c h i n g ，移动交换中心 n c p ，n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c o l ，网络控制协议 n i ，- n e t w o r ki n t e r f a c e ，网络接口层 n t s c ，n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e ，全国电视系统委员会制式 o m c ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ec e n t e r ，操作维护中心 o s i ，o p e ns y s t e m si n t e r c o r m e c t i o ，开放系统互联 p a l ，p h a s e a l t e r n a t i n gl i n e ，逐行倒相制式 p a p ，p a s s w o r da u t h e n t i c a t i o np r o t o c o l ，密码认证协议 p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ，个人计算机 p c b 。p r i n t e dc i r e u i tb o a r d ，印刷电路板 p c f ，p a c k e tc o n t r o lf u n c t i o n ，分组控制功能 g l 南京邮电学院硕士研究生学位论文缩略语 p c i ，p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，外围原件扩展接口 p d p ，p a c k e td a t ap r o t o c o l ，包数据协议 p d s n ，p a c k e td a t as e r v i c en e t w o r k ，分组数据服务器 p d u ，p r o t o c o ld e s c r i p t i o nu n i t ，协议描述单元 p l l ，p h a s e l o c k e dl o o p ，锁相环 p s t n ，p u b l i es w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共电话交换网络 r t i r ，r e c e i v eh o l d i n gr e g i s t e r ，接收保持寄存器 r i s c ，r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ，精简指令集 r p c ，r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ，远程程序呼叫 r t s ，r e a d yt os e n d ，发送请求 s d r a m ，s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，同步动态随机存储器 s g r a m ，s y n c h r o n o u sg r a p h i c sr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，同步图形随机存储器 s p d i f ，s o n y p h i l i p sd i g i t a li n t e r f a c e ，数字音频接口 s m c ，s h o r tm e s s a g ec e n t e r ，短消息中心 s m s ，s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，短信息业务 s m s c ，s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心 s s i ，s y n c h m n o u ss e r i a li n t e r f a c e ，同步串行通信接口 s s p ，s e r v i c es w i t c h i n gp o i n t ，业务交换点 u a r t ，u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ，通用异步接收器发送器 u s b ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线 t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分多址接入 t i ，t e x a si n s t r u m e n t s ，德州仪器公司 t h r ，t r a n s m i t t e rh o l d i n gr e g i s t e r ，发送保持寄存器 w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网 v l d ，v a i l a b l el e n g t hd e c o d e r ，可变长解码器 v l r ，v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，拜访位置寄存器 v l i w ，v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ，超长指令字 v m iv o i c em a i l b o x ，语音信箱系统 x d r ，e x t e r n a ld a t ar e p r e s e n t a t i o n ，外部资料表示法 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 摊 日期：兰生生! 厂 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名： 盎挫导师签名螂 南京邮电学院硕士研究生学位论立第一章绪论 第一章绪论 随着市场需求的日新月异和数字技术的突飞猛进，人们可利用的通信信道带宽越 来越大，芯片处理能力越来越强。随着“9 1 1 ”，“s a r s ”等突发事件的发生，视频 通信所具有的高效率、安全便捷的优势瞬时显现出来，它成为视频通信市场的兴奋剂。 视频通信业务首先是在固定网络上开展起来，比如基于i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e d i g i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 、p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公 共电话交换网络) 、e 1 专线的可视电话、视频监控系统等等。它们的优势在于通信链 路的带宽资源比较充足，传输质量比较好，但是，视频通信的双方必须在固定的场所 进行。 随着无线通信技术的飞速发展，各种新的技术趋向融合，无线视频通信业务的开 展呈现出无限的生机和可能性。继g r p s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无 线业务) 和c d m a l x ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 等2 5 代移动通信 系统在我国成功商用之后，第三代( 3 g ) 移动通信系统也呼之欲出，与此同时，下 一代移动通信4 g 的研制也取得了令人瞩目的进展。 在公共移动通信技术和业务取得巨大发展的同时，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，无线局域网) 标准化已经相继完成了i e e e8 0 2 1 l a ，b ，g 等规范，可提供 速率从1 m b p s 到5 4 m b p s ，成为无线接入的另外一个重要的手段。据一些研究机构预 测，w l a n 由于在传输速率、基站建设成本上的优势，其发展前景甚至可能超过被 人们基于厚望的3 g 通信，与4 g 一道成为未来无线通信的发展方向。一般认为，目 前的公共无线移动网络g s m 、g p r s 、c d m a i x 等提供了大范围低码率的无线移动 接入通信网络，而w l a n 提供了在较小范围内的高速无线接入i n t e m e t ，两者相互补 充，为无线多媒体视频流的传输提供了必要的网络通信基础。 由上述技术产生的无线口和无线视频业务必将成为未来移动通信业务新的增长 点。在此种情况下，人们很自然地会联想到将视频技术与移动通信技术相结合。移动 通信技术摆脱了有线的束缚，成为追求自由通信的重要手段。无线视频通信使得人们 能够对移动目标进行大范围、实时、全天候监控调度。例如，对地域广泛、机动性强、 数量众多的移动目标有效监控、紧急救援和各种信息服务的需求，在客运、公安、银 行、物流管理等行业表现得尤为突出。 南京邮电学院硕：i ：研究生学位论文第一章绪论 然而，视频通信业务的数据量非常大，视频信号携带的很多信息是无法用其他形 式的信号( 如文本、音频甚至静止图像等) 加以描述的，因此传输视频信息要求网络 提供较高的带宽。对于移动通信系统来说，无线信道的带宽资源是一种宝贵的资源， 想要在有限的带宽情况下传输大量的数字视频信号就需要采用某种极低比特率的视 频压缩编码算法，实现高效压缩。 视频压缩技术在近十多年取得了很大的发展，i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟) 和i s o ( i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织) 制定了许多视频压缩编码标准，如i t u t 的h 2 6 1 、 h 2 6 3 和i s o i e c 的m p e g 1 和m p e g 一2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专 家组) ，及其两大组织最近联合推出的h 2 6 4 。这些标准覆盖了很大的视频速率范围 和应用领域，支持不同速率、不同图像质量要求的视频业务，能够满足包括电视会议、 视频电子邮件、可视电话、广播级视频应用等不同要求的业务。 为了达到实时视频编码传输，必须采用相应的媒体处理器。t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ， 德州仪器公司) 、a d i ( a n a l o gd e v i c e s ，美国模拟器件公司) 、p h i l i p s 等公司已纷纷 推出各种高性能的多媒体应用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 芯片。 以p h i l i p s 公司的n e x p e f i a 系列多媒体数字信号处理器为例，它集成一个高性能的 v l i w ( v e r y l o n g i n s t r u c t i o n w o r d ，超长指令字) 结构的d s p c p u ( c e n t e r p r o c e s s u n i t ， 中央处理器) 和多个专门用于多媒体信号输入输出和通信的外设接口，另外还提供了 完善的开发平台，因此n e x p e r i a 系列d s p 在视频通信和视频处理领域得到了广泛的 应用。 虽然目前在视频编码、媒体信号处理器等技术方面已经可以满足实时传输的要 求，但是目前移动网络的状况限制了无线视频传输的应用范围。当前中国移动的 g s m g p r s ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l e ，全球移动通信系统网络) 覆盖范围最广，但 其实际传输速率仅约1 0 2 0 k b p s ；中国联通的c d m a 网络覆盖次之，提供的速率约 3 0 9 0 k b p s ，而w l a n 网络一般为企事业单位的内网和电信部门设定的热点地区， 速率可达数百k b p s 以上，但覆盖范围最小。可见，利用单一无线接口的通信必将受 到网络覆盖及传输带宽的限制，覆盖范围广的网络通信带宽有限，高带宽的网络覆盖 范围有限。如果能设计一个高效的、集多种无线通信接i l l 于一身的、能适应各种不同 无线网络传输、甚至能在多种无线网络间智能切换的多模式无线视频通信系统无疑具 有重要的研究意义和应用前景。这即是本文研究工作的动机。 南京邮电学院坝士研究生学位论文第一章绪论 本文设计了一个拥有g s m 、g p r s 、e d m a 和w l a n 无线网络接口的、能够智 能选择当前可利用的高带宽无线网络的多模式无线视频通信硬件实验系统，系统框架 如图1 1 所示。它的优点在于它拥有g s m 、g p r s 、c d m a 和w l a n 多种无线网络 接口，可以同时工作于g s m 、g p r s 、c d m a 和w l a n 网络的任一、任意二者或三 者的组合( g s m 和g p r s 不可以同时工作) 。加上上层软件的控制，可以实现一个能 够智能选择当前可用高带宽网络完成视频传输的终端系统。 圈1 1 多模式无线通信系统框架 本文以p h i l i p s 公司的多媒体数字信号处理器p n x l 3 0 0 为硬件平台，设计并实现了 可用于g s m 、g p r s 、c d m a 和w l a n 多种无线网络的硬件系统，并在此基础上实 现了基于h 2 6 3 协议的无线视频通信终端。 作者在实现本文设计的过程中涉及了硬件和软件两方面的工作。硬件上设计了一 块p n x l 3 0 0 核心编解码板，一块多模式通信接口板及g s m g p r sm o d e m 和c d m a m o d e m 。在软件方面，设计并实现了适用于g p r s 和c d m a 网络的p s o s 通信接口 层p p p ( p o i n tt op o i n tp r o t o c o l ，点到点协议) 驱动软件，并研究了如何利用w e b s e w e r 和短消息实现远程控制的方法。 本文的内容是这样安排的：在第二章中首先介绍媒体处理器，并着重分析了本文 设计选用的p n x l 3 0 0 芯片的各组成单元，其中重点介绍了p c i p c i x i o 接口的工作机 制：第三章详细介绍了p n x l 3 0 0 编码板和通信接口板的硬件设计及硬件设计中注意的 事项；第四章详细介绍了g p r s 和c d m a l x 网络及p p p 协议；第五章给出了g p r s 和c d m a 网络下编码端通信接口层软件p p p 驱动的设计：第六章研究如何利用 w e b s e e r 和短消息实现系统远程控制；第七章介绍了调试过程和试验结果，第八章 总结了本文的工作并提出了后续研究的设想。 南京邮i 也学院硕1 1 研究生学位论文第二章无线视频终端的硬件系统方案 第二章无线视频终端的硬件系统方案 本章首先简要介绍了媒体处理器的发展，重点讲述了p h i l i p s 公司的p n x l 3 0 0 芯 片和它的主要接口，最后描述了本文设计的硬件方案。 2 1 媒体处理器 传统的通用d s p 芯片由于缺乏音视频的外围接口，并且缺乏针对图像位和字节操 作的专门指令，使高速的d s p 处理器在视频处理方面难有出色表现。而采用固定的 专用芯片实现的设备，在更新换代和软件升级方面都十分困难。 正是考虑视频处理方面的需要，一种新型的d s p 芯片媒体处理器( m e d i a p r o c e s s o r ) 应运而生，并很快得到业界的广泛关注。飞利浦、a d i 、t i 等半导体供应 商都十分看好媒体处理器市场，并推出了具有竞争力的产品。高处理能力芯片的出现 给视频通信带来更小的延迟和更高的帧频。与通用d s p 和专用芯片相比，它们集成 了丰富的多媒体信号接口，针对多媒体信号的特点优化了处理器结构，甚至内嵌了特 殊协处理器用于进行专门操作，缓解通用处理器的压力，例如图像协处理器和视频编 码中的变长编解码器等。 目前比较著名的媒体处理器芯片有p h i l i p s 的t r i m e d i a 和n e x p e f i a 系列、t i 的c 6 4 x 和t m s 3 2 0 d m 6 4 x 系列、a d i 的b l a c k f i n 处理器、e q u a t o r 的m a p c a 和b s p 系列等， 它们以各自的技术特色得到市场的广泛应用。 2 2 核心处理器关键部件简介 p h i l i p s 公司先后推出了t r i m e d i a 系列和n e x p e r i a 系列多媒体音视频处理器，主 要产品有t m l 3 0 0 、p n x l 3 0 0 、p n x l 5 0 0 、p n x l 7 0 0 。n e x p e f i ap n x l 3 0 0 系列是其中一款 高性能多媒体音视频处理器，是t r i m e d i a 系列的增强型产品，能提供更快速的时钟 频率和内存接口频率，与t r i m e d i a t m l 3 0 0 系列软硬件兼容【1 】。n e x p e f i a 系列能够 进行高质量的音频和视频以及媒体流处理，跟其它的媒体处理器相比，它提供了更强 大的媒体处理能力和更灵活的软硬件配置能力，它也是目前市面上性能价格比最优的 多媒体处理器之一。 p n x l 3 0 0 的核心是3 2 位的处理器，时钟频率最高可达2 0 0 m h z ，能够进行3 2 位 4 南京邮电学院硕l 研究生学位论文 笫二章无线视频终端的硬件系统方案 的线性寻址。p n x l 3 0 0 内部集成了丰富的专为多媒体处理的模块，如图像协处理器、 可变长解码器( v a r i a b l el e n g t hd e c o d e r ，v l d ) 、d v d 解码器( d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ， 数字多功能光盘) 、视频输入输出接口、音频输入输出接口、s p d i f 数字音频接口 ( s o n y p h i l i p sd i g i t a li n t e r f a c e ) 、同步串行通信接口( s y n c h r o n o u ss e r i a lin t e r f a c e ， s s i ) 、主存传输控制接口、p c i p c i x i o ( p e f i p h e m lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，外围原 件扩展接口) 总线接口以及i i c ( i n t e r i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 接口等。其内部功能框图如 图2 1 所示。 圈2 1p n x l 3 0 0 内部结构框图 在下面各小节中，我们将对p n x l 3 0 0 的主要组成单元作简单介绍。 2 2 1v l l w 处理器( d s pc p u ) p n x l 3 0 0 的核心是采用v l i w 指令集的3 2 位d s p c p u 。一条v l l w 指令可以包 含s 个并行的操作，每个操作又相当于数个r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e t c o m p u t i n g ， 精简指令集) 的操作。从而可以在较低的时钟频率下达到很高的处理速率。此外，该 芯片还根据多媒体处理的特点，提供了一些针对多媒体处理的专用指令，采用这些指 南京邮电学院硕上研究生学位论立 第二幸无线视频终端的硬件系统方案 令，可以使多媒体处理算法的指令数大大减少，结合v l l w 超长指令字结构，可以极 大地提高对多媒体的处理速度。p n x l 3 0 0 的指令结构如图2 2 所示。 广 r c p 删钟 图2 2p n x l 3 0 0 指令结构 2 2 2 内存接口和c a c h e p n x l 3 0 0 强大的多媒体信号处理能力与其高速、高效的内存结构体系是密切相关 的。p n x l 3 0 0 内部包括一个高性能的内存接口，提供从内部高速数据总线到外部符合 j e d e c ( j o i n te l e c t r o nd e v i c ee n g i n e e r i n gc o u n c i l ：电子元件工业联合会) 标准的 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ：同步动态随机存储器) 或 s g r a m ( s y n c h r o n o u sg r a p h i c sr a n d o ma c c e s sm e m o r y ：同步图形随机存储器) 的无 缝连接。内存接e 1 的数据宽度为3 2 位，最高工作时钟频率为1 8 3 m h z ，支持多种内 存组织结构。内存接口示意图见图2 3 ： s d r a m p n x l 3 0 0 蒜器 c h i ps e l e c t s # c s 拌 a d d r e s s ， c l o c ke n a b l e s ， a d d r e s s ，c o n t r o l l 堕! 三! ! l r a s # ，c a s # ，w e # ， 高速数据总线 b y t ee n a b l e s 3 ：o d q m 3 ：0 】 i c l o c k c = 卜+c l k 片上外设d a t a 3 1 ：o d q 3 1 ：0 图2 3p n x l 3 0 0 的内存接口 如此高速的内存接口速度对接收和发送音视频数据的d m a ( d m a d i r e c t m e m o r ya c c e s s ，直接存储器存取) 外设单元( 如v i 、v o ) 来说是足够了，但还是 不能满足d s p c p u 存取数据和指令的速度要求。这样d s p c p u 必须通过加入等待状 南京邮电学院硕，【研究生学位论文第二章无线视频终端的硬件系统方案 态才能实现对s d r a m 的正常访问，这样就降低了d s p c p u 的使用效率。为了解决 d s p c p u 和内存接口工作速率不匹配的问题，充分利用d s p c p u 的处理能力，p n x l 3 0 0 引入了c a c h e 缓冲区机制。在d s p c p u 和内存接口之间采用了3 2 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 。c a c h e 由s r a m 组成，访问速度可以与d s p c p u 相当，当 d s p c p u 访问c