基于多模組3G視頻傳輸終端的硬件設計與仿真

劉曉春，胡東平，簡毅彬

（1.長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710061；2.中興通迅股份有限公司西安研究所，陜西 西安 710065；3.陜西電信西安分公司，陜西 西安 710082）

0 引言

隨著中國3G技術的大規模商業化應用，在視頻監控行業中，3G技術已經成為目前無線視頻監控的最佳方案。依托3G無線通信網絡，通過集成視音頻壓縮、流媒體管理、數據傳輸等技術，以無線傳輸方式攻克了目前固定式監控方式中線路設施投資大、不易更改設備位置以及現有移動監控設備需通過大存儲器定期轉存數據的3大難題[1-2]。但是，由于中國通信3G網絡建設的原因，存在一些客觀問題，主要表現在城鄉之間網絡信號覆蓋不均衡，信道傳輸帶寬分配不均衡，數據信號傳輸帶寬不夠理想[3]。特別是在偏遠地區，存在3G視頻監控信號在傳輸中由于信道帶寬不夠，導致視頻圖像不流暢，質量差等現象。筆者針對3G無線視頻傳輸在監控行業中出現的一些缺陷，設計了一種基于S3C2440為核心的，通過USB硬件擴展方式實現的多模組3G無線視頻傳輸終端硬件平臺，在該硬件平臺上結合相應的算法和系統軟件，可以很好地解決3G無線視頻監控信號傳輸質量問題。

1 系統硬件方案設計

1.1 系統方案及工作原理

筆者設計的多模組3G無線視頻傳輸終端系統，主要由CPU小系統、前端視頻采集單元和USB擴展小系統、以太接口和3G無線通信模塊等構成，如圖1所示。

系統基本工作原理是：前端視頻采集模塊將采集到的視頻信息經過壓縮、編解碼后送給CPU小系統進行處理，根據設計需求CPU小系統主要對前端采集的信號按照一定的算法協議對信息包分割成片，分別送給多個3G無線發射模塊進行多信道的無線傳輸，如在視頻接收端（視頻服務器端）。根據相應的算法協議，對分片的信號進行恢復，形成源端的視頻信號數據包，從而提高信號的傳輸帶寬，增加實時圖像的傳輸質量。系統中，以太網口是聯系本系統和上位機的關鍵接口，通過以太接口上位可以對3G無線傳輸終端進行管理與控制。

1.2 前端視頻采集傳輸總線的設計

系統中的前端采集單元主要實現視頻數據采集，并進行編解碼。前端視頻采集和處理單元與CPU模塊之間用USB接口通信（接口類型主要由前端模塊來確定）。硬件設計必須考慮接口設計穩健性，能保證數據可靠傳送，以及接口在經常插拔過程中保持連接的可靠性，系統電路如圖2所示。

圖2 USB信號傳輸接口電路設計

電路中RV102，RV103最好選取小電容類型的壓敏電阻器，可以有效實現電路的EMC防護?？梢詤⒖糀MOTECH公司的ALVC18S02003，或者EPCOS公司的B72590T7900V60。設計USB接口電路，最大提供電流不超過500 mA。

1.3 CPU小系統設計

1.3.1 CPU芯片的選型

CPU小系統模塊是本系統的核心模塊。CPU芯片的選型是關鍵，總體原則是：盡量考慮低功耗，高速率的內部數據處理能力，足夠的總線帶寬處理實時視頻信號以及系統有較強的抗干擾能力。

三星公司的S3C2440芯片能比較好地滿足系統的設計需要,S3C2440是基于ARM9內核ARM920T的一款低功耗的SoC芯片，典型主頻為400 MHz，0.13 μm的CMOS工藝標準單元和存儲單元復合體。并且采用了新的總線構架（AMBA），其內核為32 bit的先進處理器。提供的主要接口有：2路USB Host接口和1路設備USB接口；外部存儲器控制接口單元；4路定時器；1路內部計數器和看門狗；RTC時間日志功能等功能接口。

1.3.2 CPU外圍存儲電路設計

在CPU小系統設計中，CPU外部存儲系統是關鍵點。本設計中所有的Memory芯片都通過Local Bus總線掛接到CPU上，Flash芯片在設計中使用2片，Flash1芯片用來存儲ARM啟動代碼和系統文件，采用可靠性高、存儲容量小的SST39VF1601芯片實現。Flash2采用存儲容量大、成本低、可靠性相對比較低的S29GL128P11FFI010來實現。內存SDRAM芯片選用2片數據位寬16 bit的EM63A165TS-6G實現，存儲容量256 Mbit的SDRAM存儲器并聯使用，構成32 bit位寬的外部存儲總線。系統設計中將總線時鐘位置為166 MHz。那么內存的總線帶寬為（166×32/8）Mbyte/s=664 Mbyte/s，可以滿足系統的要求。如圖3所示，CPU對不同芯片的片選信號的選擇進行分時訪問操作，設計的主要點為：

圖3 CPU外部存儲總線設計示意圖

1）正確配置CPU芯片。硬件配置CPU的OM[1：0]的狀態，在系統復位器件采用配置信息來決定系統從NOR Flash啟動，還是從NAND Flash啟動，本系統配置從NOR Flash啟動。

2）正確選用總線控制片選CS。存儲啟動代碼的Flash1選用CS0信號，SDRAM選用CS6或者CS7作為片選信號，Flash2可以選用CS2～CS5之間任何一個。

3）正確設計地址信號。由于Local Bus總線上各個芯片數據總線位寬不一致，CPU和芯片的地址互聯不是直接一一對應關系，需要仔細考慮。

4）正確配置SDRAM控制控制信號。2片SDRAM芯片配置成總存儲容量512 Mbyte的系統內存，單片SDRAM的Bank容量是64 Mbyte，故使用CPU的A[25：24]作為SDRAM的BANK選擇信號，為保障時鐘信號的完整性，有CPU獨立提供時鐘信號CLK1，CLK2。

1.3.3 CPU調試接口電路設計

由于CPU不直接提供MII/GMII等網絡通信接口，筆者選用DM9000芯片作為以太網口的PHY芯片，即通過配置DM9000芯片使其通過LOCAL_BUS總線實現與CPU的通信?？紤]到系統調試的方便同時設計RS-232串口，JTAG接口方便調試與數據的加載。同時必須注意，產品化以后，調試接口需要經常插拔，特別是網口需要增加防護電路，防護標準參考電信產品CLASS C標準進行設計。

1.4 CPU對3G無線通信模塊控制與管理策略

系統設計中采用多個3G無線通信模塊，最大支持4個模塊，采用各個模塊相互獨立，通過CPU集中進行管理的設計思想。在視頻監控行業中，采用多模組3G視頻傳輸終端系統。在實際使用過程中不總是所有模組都同時工作，客戶在使用該系統過程中將根據監控場景、資費情況的不同進行選擇。同時還需要考慮到系統異常情況下的可恢復性問題，系統功耗與節能等問題。有必要利用CPU芯片豐富的I/O實現用戶對3G模塊進行控制和管理，使系統變得靈活可控。CPU與3G反射模塊接口設計如圖4所示。主要控制與管理策略有：

1）通過CPU的GPIO實現對3G模塊的獨立復位控制與管理；

2）通過CPU的GPIO實現對3G模塊的無線射頻功能進行使能控制與管理；

3）通過CPU的GPIO實現對3G模塊的電源使能控制與管理；

4）通過CPU的GPIO實現對USB通信鏈路進行連接與關斷控制與管理。

1.5 3G模塊的接口外圍電路設計

聯通的WCDMA是國內3G移動通信的一種，具有技術成熟、帶寬大等優點，筆者以華為WCDMA無線通信模塊EM770W為例來說明3G無線通信模塊外圍接口電路的設計。

目前國內主要3G發射模塊供應商都采用了USB物理接口，早期也采用UART接口，傳輸模塊的基帶信號。筆者采用USB HUB來橋接3G無線通信模塊和CPU小系統，進行信號基帶傳輸。USB HUB芯片采用TI2707芯片，擴展出7個USB口，筆者使用其中的4個USB口。

對于3G模塊的外圍電路設計中，SIM卡電路設計是關鍵。如圖5所示，SIM卡接口速率典型值在3.25 MHz左右，因此USIM卡座應該距離模塊接口較近的位置，避免因走線過長，使波形嚴重變形，從而影響信號的通信。USIM-CLK和USIM-I/O信號的走線需包地處理。

在USIM-VCC上加一個0.1 μF或0.22 μF的電容，其余的USIM-CLK，USIM-I/O，USIM-RESET上面對GND網絡加33 pF電容，濾出天線信號的干擾。此外，4個信號都通過TVS管用來ESD防護。

1.6 看門狗與系統復位電路的設計

硬件看門狗電路的應用能使使用穩健，設計硬件看門狗電路實現對CPU程序進行實時監控，如果出現程序異常后看門狗實時對系統進行復位，喂狗時間大于1 s小于2.25 s，典型1.6 s；復位脈寬滿足負責芯片最低要求。其中多個3G無線通信模塊的復位由CPU進行集中控制，也可以通過手動進行系統全局復位，復位脈沖寬度一般要求大于50 ms小于200 ms。系統復位方案如圖6所示。

1.7 3G無線通信模塊的電源電路設計

國內主流3G無線通信模塊外部輸入電壓規格為3.0～3.6 V，典型值為3.3 V。實驗表明在網絡信號很弱時，3G天線通信模塊會加大功率發射，模塊的瞬態電流會有1.6～2.7 A不等。所以推薦使用1.6 A以上的LDO或開關電源。此外必須考慮到大功率發射時到能導致的電壓跌落，在模塊的電源端口處加上一個較大的超級電容，盡量添加220 μF以上的大電解電容。多模組同時工作需要仔細考慮系統整體功耗問題，有必須進行降額處理，增加系統的可靠性。詳細設計電路如圖7所示，其中，CPU通過ON/OFF信號實現對電源模塊的控制與管理，在模塊不工作時，通過CPU關斷其工作電源節省空耗。

2 關鍵信號的信號完整性問題

2.1 高速數字系統與信號完整性

信號完整性問題已經成為硬件設計中不可回避的一個問題，處理好SI問題是硬件工程師必須面對的挑戰[4]。在本系統中，主要的考慮SI敏感關鍵型號分別有CPU與SDRAM之間的高速總線、USB傳輸信號線、全局復位信號RST信號、高速芯片電源去耦等關鍵因素。影響這些信號的SI問題的主要因素有阻抗不連續、多負載總線的拓撲結構選擇不合理、布局布線等因素。在硬件具體設計中，借助于業界優秀的仿真軟件Candence對關鍵型號進行前/后仿真?？紤]到仿真時間成本、人力成本與仿真信號的重要程度之間的平衡。下面對本系統非常關鍵的幾組信號選取代表性的信號進行仿真設計。

圖7 3G模塊電源供電原理圖（截圖）

2.2 關鍵信號的SI問題及其仿真

在硬件設計中，信號完整性問題主要表現為有信號反射、SSN和信號串擾。在本設計對SDRAM和CPU之間的總線進行設計后仿真，圖8～圖10分別是時鐘信號CLK、地址信號A2和數據信號D0的仿真波形。從仿真波形和數據中不難發現，信號上下沿單調，信號無上沖和下沖等反射。硬件系統中Clock信號的周期性特點往往成為EMI問題的罪魁禍首，圖11中對SDRAM總線的1 332 MHz的時鐘信號的EMI仿真結果，按照FCC CLASS A標準定義，結果表明沒有明顯EMI超標問題。

圖8 SDRAM時鐘信號SI仿真波形圖（截圖）

圖9 SDRAM地址總線信號SI仿真波形圖（截圖）

圖10 SDRAM數據總線信號SI仿真波形圖（截圖）

圖11 SCLK信號EMI仿真波形圖（截圖）

3 小結

筆者針對3G視頻監控應用中存在的問題，設計了一個多模組的3G無線視頻傳輸終端硬件平臺。配合軟件成功解決了當前3G無線視頻監控存在的網絡傳輸帶寬問題。在硬件平臺設計過程中，引入SI，EMC等前仿真和后仿真技術，使得硬件設計問題盡量早的在設計階段就突出出來，并實施有效的控制手段。在實際項目的實施中極大提高了單板的一版成功率，極大地降低了產品設計成本及其研發成本。該硬件平臺已經產品化并穩定運行在電力設備監測、無線應急指揮等系統中。

[1]黃帥，許雪梅，徐蔚欽，等.嵌入式3G無線視頻監控系統硬件設計與信號完整性仿真[J].計算機應用，2010，30（9）：2535-2540.

[2]夏振華，張正炳.基于3G移動通信的無線視頻監控的設計[J].電視技術，2010，34（3）：94-95.

[3]吳彥文.移動通信技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4]邵鵬.高速數字系統設計與仿真[M].北京：清華大學出版社，2008.