基于BSP_15的视频会议终端硬件设计及实现

摘要：介绍了一款嵌入式视频会议终端，其以Equator的DSPBSP_15进行音视频编解码处理；描述了BSP_15结构和终端硬件设计原理，详细给出了视频接口、音频输入输出接口以及PCI总线接口的设计，该终端基于IP通信网，具有高清晰度、低成本等特点。

关键词：视频会议终端；BSP_15；音/视频编解码

引言

随着多媒体通信技术的迅猛发展，单纯的语音通信已经不能满足人们的需要。视频通信由于可实时进行图像、语音及数据的交流，因此具有广泛的应用前景，而高效实用的视频会议终端设备一直是通信领域研究的主要方向之一。

BSP_15

BSP-15是高速宽带信号处理器BSP系列中的一款，它是专门以视频应用为主而设计的高效DSP，以高度集成的单芯片满足宽带产品的需要。在400MHz的时钟频率下，其处理能力为40GO/s(每秒400亿次整数运算)。

BSP_15主要包含一个超长指令字处理器内核(VLIW core)、一个可编程位流协处理器(VLx)、视频滤波协处理器、显示刷新控制器和丰富的数字I/O接口等。BSP_15支持各种用软件实现的视频、图像以及信号的压缩和解压缩，这种软件实现的方法相对硬件实现有很大的优越性，升级非常方便。BSP_15的硬件接口包括视频输入输出接口、音频输入输出接口、PCI总线接口、SDRAM接口、显示控制器接口、I²C接口、ROM控制器接口和标准的在线可编程JTAG接口等。

终端硬件设计

基于BSP_15的视频会议终端硬件构成如图1所示，可分为4大模块：PCI通信处理模块、视频处理模块、音频处理模块及显示模块。


终端从CCD摄像头摄取模拟视频图像或外部其他视频源经视频解码芯片转换为数字图像，然后经过BSP_15进行编码处理送到网络，从网络送来的音视频流经过BSP_15处理分别送到显示模块和音频处理模块转换成模拟电视图像信号和声音信号。

根据实际应用需要，该系统的主要功能有：

(1)能完成编码/解码，图像格式：编码QCIF/CIF，解码QCIF/CIF/4CIF；帧频：25帧/s。(2)能接收两路复合视频输入，一路来自摄像头，一路外接视频源。(3)输出一路复合视频，用于外接电视机。(4)两路音频输入，两路音频输出。(5)提供以太网接口。(6)音频处理支持标准：G711/G722/G723。即时适应回声抵消，回声抵消处理频率范围在50-7000Hz，拖尾时间270ms，收敛时间250ms。自动增益控制：最大12dB，自动噪声抑制20dB，支持编码参数调节等命令。(7)音频CODEC可以调节增益，响应频率8kHz采样40-3800Hz，16kHz采样40-7700Hz。

系统硬件设计

BSP_15单元模块
BSP_15完成H.323协议处理和音视频处理。

BSP_15及外围基本电路构成BSP_15单元模块，对外提供一个Ethernet接口。BSP_15通过PCI总线与Ethernet接口连接，通过IIS总线与音频处理器通信。

视频输入接口电路设计
BSP_15有两个视频输入口、一个模拟视频输出口和一个数字视频输出口，每一个输入口都支持MPEG-2传输通道接口(TCI)或ITU_RBT.601/656信号格式。输出口支持ITU_RBT.601/656兼容信号。这几个视频输入输出口还可以作为通用的数据传输端口。

在TCI接口模式下，视频输入接口可以按串行或并行方式输入视频数据包。默认情况下，串行数据在tci_data[0]输入，并行数据在tci_data[7：0]输入，TCI接口能智能判断输入数据包中的同步位，或者利用外部的tci_cynC信号同步输入数据。一旦检测到同步信号，BSP_15就会把数据送到片内的存储器中。视频输入输出接口支持单独的H/V 同步(ITU_RBT.601)或者内嵌同步(ITU_RBT.656)信号，可以无缝地实现与NTSC/PAL 视频编码器的接口。同样可以采用系统自带ITURBT.656的I²C总线来控制NTSC/PAL 视频编码器。

在该设计中，对于ITU_RB RT.601/656的输入信号外部接一个视频编码器，把NTSC/PAL 制式的信号转换成ITU_RBT.656信号，编码器用系统自带的I²C总线来控制。使用VIDEO_B 作为SAA7113A视频输入接口，VIDEO_A接口暂不使用。视频处理模块由SAA7113A芯片担任，对外提供两路复合视频输入，其中一路接外部视频源，另一路接外部摄像头。

在编码方向两路模拟视频信号经过SAA7113选择其中一路，A/D转换成CCIR656数字视频，送到BSP_15进行编码压缩通过PCI总线和RTL8139通信，从而把编码数据传送到网络上；在解码方向，解码器接收到BSP_15从PCI总线上传来的视频，进行解码，然后和从本地接收的视频合成，从而完成画中画功能；解码输出的视频经过进行D/A转换输出一路复合视频，另一路VGA视频直接连接到内置显示器上。

音频输入输出接口电路设计
BSP_15支持多种音频接口格式，它有一个IEC958音频接口和一个I²S接口。其中IEC958 音频接口支持索尼、飞利浦数字接口S/PDIF、AES/EBU 接口以及TOSLINK接口。I²S接口主要用于家庭影院中高质量的音频D/A转换器上，BSP_15的I²S接口符合标准的串行协议，最多可接3个立体声DAC和1个DAC，支持48 kHz，44.1kHz和32kHz的音频采样频率，通过硬件配置还可支持8 kHz，16kHz采样频率。该接口还支持主、从两种工作模式。

TLV320AIC23(以下简称AIC23)是一款高性能立体声音频CodeC芯片，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN 两种输入方式(二选一)，且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23的模数转换(ADCs)和数模转换(DACs)部件高度集成在芯片内部，可以在8~96kHz的频率范围内提供16bit，20bit，24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB 和100dB。在此次设计中用TLV320AIC23作为音频的输入输出接口芯片，音频处理模块提供1路传声器输入、1路线路输入和1路线路输出、1路功放输出。通过I²S与BSP_15通信。通过串行口编程可以选择通信协议、比特时钟、采样率等工作状态。如图2所示。



传声器采集到的音频信号经过放大，输入到AIC23，AIC23完成A/D转换，然后完成串行化，输出I²S音频到BSP15；另一方面，BSP15输出I²S音频数据到AIC23，AIC23完成D/A转换，输出模拟音频到线路接口，同时经过音频放大器，从而可以直接连接到扬声器上。AIC23由BSP15通过I²C总线来控制。在该设计中支持8kHz，16kHz采样频率。模拟语音信号经TLV320AIC23采样并经A律或μ律压缩后转换成PCM数据，通过接口送到BSP_15，进行G.711，G.722，G.723语音编解码运算，回声抵消的运算后送到存储器中存储起来；回放时，从存储器读取压缩数据，送回BSP_15进行解码，再送到TLV320AIC23进行D/A转换，输出模拟语音信号。需要传输的语音编码信号经RTP打包处理后通过网络输出。

PCI总线接口电路设计
BSP_15的PCI总线接口与PCI2.1规范完全兼容，最高工作时钟高达66MHz。PCI接口中的配置寄存器在芯片上电时由ROM控制其初始化。BSP_15的PCI接口作为PCI总线的目标设备时，通过PCI接口可以访问BSP_15内部的SDRAM，还可以访问一些相对程序员透明的控制寄存器、PIO空间等。作为PCI主控器，PCI接口可以用超长指令字内核(VLIW core)、协处理器来初始化PCI总线请求，还可以发起内存、I/O和配置命令。

笔者在设计中用RTL8139为外部网络接口芯片。RTL8139是Realtek公司的以太网接口芯片，大量应用在PC机的网卡上，芯片支持10/100M自适应网口，内置快速EthernetMAC，PHY。BSP_15通过PCI接口访问该芯片，完成网络接口功能。在此网络接口上，软件可进行TCP/IP协议处理。

LCD显示控制器接口电路设计
该单板支持两种视频输出：模拟VGA输出和模拟复合视频输出。由于BSP_15内置DAC可以完成模拟VGA信号的输出，该信号是独立的，无需外置芯片，只需将其连接出来即可。

复合视频输出：利用BSP15的NTSC_OUT端口，将数字视频输出，外置一片ADV7171完成数字视频的DAC转换，从而输出复合视频。ADV7171由BSP_15通过I²C总线来配置。

结束语

选用BSP_15芯片进行视音频的系统设计具有3方面优势：其一，BSP_15是专为视频图像处理而设计的，能够提供高质量的视频效果；其二，BSP_15具有丰富的片上I/O接口，不必添加过多的外围设备，可降低整个系统的成本和设计的复杂度；其三，完全采用C语言编程，没有汇编语言要求，升级方便，灵活性高。从实际实现结果来看，该设计能够达到预定的目标。