無線視頻通信作為第三代移動通信關鍵技術得到了廣泛關注。但其是為遠距離多用戶服務的，開發難度大，需要眾多輔助技術支持。然而，近距離無線視頻通信可以采用較為成熟的技術實現，它可以應用于視頻監控中不易連線的部分以及近距離巡視，它不同于3G技術中的視頻傳輸，具有易于開發、傳輸距離近等特點。要實現無線視頻傳輸，就要應用大壓縮比的視頻壓縮編碼滿足無線傳輸速率的苛刻要求，MPEG-4編碼是基于圖像內容的第二代視頻編碼方案，并將對象合成的編碼方案也結合在標準中，它根據圖像的內容將圖像分割為不同的視頻對象(VO)。在編碼過程中，前景和背景對像采用不同的編碼策略：前景對像的編碼壓縮盡可能保留壓縮對像的細節和平滑性；對背景視頻對像，采用大壓縮比的編碼策略，而在解碼端用其他的背景拼成新的的背景。因此它可以實現大壓縮比的視頻編碼，不僅解決了塊效應，同時解決了無線傳輸時的帶寬限制問題，因此MPEG-4被作為無線通信系統中主要的視頻編碼標準。
1 系統硬件總體方案
圖1所示為無線視頻傳輸系統框圖。采用專用MPEG-4編碼器，可以獲得良好的性價比，因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是較好的MPEG-4視頻壓縮解決方案；同時采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片實現無線傳輸，它們不僅具有高達2Mbit·s-1的無線空中速率，而且后者帶有增強型8051內核和USB2.0協議的無線Soc芯片，較好地解決了與PC機的連接問題；控制器采用廣泛使用的低功耗FPGA來協調控制視頻流的無線傳輸以及對OV7620和ML86410進行控制和模式配置，FPGA準確地邏輯性保證了傳輸的可靠性。
從圖中可以看出，在視頻采集電路中，FPGA是整個系統的核心控制器。它的作用是無線接收配置參數，對圖像CMOS傳感器和ML86410進行初始化配置；當開始圖像采集后，其負責接收MPEG-4視頻數據，并進行無線傳輸。設計重點是實現了視頻的無線傳輸，采用具有nRF24系列芯片，具有2Mbit·s-1的空中速率；這樣的速率對一般視頻數據流是不能實現無線傳輸的，所以要采取具有高壓縮率的MPEG-4視頻編碼，其要求的傳輸速率較低，當圖像分辨率為176×144時，速率為4800～64000 bit·s-1。
1.1 視頻采集模塊電路
1.1.1 OV7620
OV7620是一種CMOS圖像傳感器，被廣泛應用于網絡攝像頭、攝像手機等產品中。它是一種CMOS彩色/黑白圖像傳感器，支持連續和隔行兩種掃描方式，VGA和QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30f·s-1；數據輸出格式包括YUV、YcrCb和RGB這3種，能夠滿足一般圖像采集系統的要求。OV7620內部具有可編程功能寄存器，設置有上電模式和SCCB編程模式，設計中采用了SCCB編程控制協議，連續掃描，8位YUV數據輸出。
1.1.2 ML86410壓縮芯片
ML86410是日本OKI公司面向監視攝像機、網絡攝像機等圖像監控設備開發的一種能夠實時進行MPEG-4圖像壓縮(編碼)處理的單芯片。以往面向網絡監視攝像機的視頻編碼方式一般采用Motion-JPEG方式，存在著壓縮率低的問題。在網絡上進行視頻傳輸時，受網絡帶寬的影響，使得傳輸圖像的尺寸縮小，并帶來畫質下降和動畫圖像的幀率降低等限制。于是，OKI采用MPEG-4視頻編碼國際標準，開發了具有高壓縮率的高畫質視頻MPEG-4編碼器芯片ML86410。它采用了獨創的專用加速器，無需高速CPU、DSP，與以往方式相比實現了低功耗，并大幅度降低了產品成本。
ML86410由視頻接口、MPEG-4編碼器、主機接口電路、鎖相環PLL和DRAM存儲器控制組成。其特性如表1所示。
1.1.3 SDRAM存儲器
SDRAM存儲器在電路中主要完成對攝像頭采集到的大量數據進行緩存，以使ML86410的。MPEG-4編碼器部分進行有序編碼。設計中采用三星公司K4S643232F系列SDRAM實現，它是2×32 MbitSDRAM存儲器，采用32位數據總線進行存取，工作頻率最高166MHz，可以滿足ML86410對緩存的要求。它是一個具有67108864bit的同步高數據率的動態RAM存儲器，由4塊512×32 kbit組成。
1.1.4 連接電路
ML86410和OV7620、SDRAM的連接電路圖如圖3所示。
1.2 無線傳輸方案
1.2.1 nRF24L01及其連接電路
下位機的無線連接采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01。它是一款新型單片射頻收發器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，采用GFSK調制，硬件集成OSI鏈路層，最高空中速率達到2Mbit·s-1，采用SPI接口連接控制器。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊并融合了增強型ShockBurst技術，其輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，有125個頻道。nRF24L01功耗低，在以功率為-6dBm發射時，工作電流只有9mA；接收時，工作電流為12.3mA。
采用SPI接口與控制器FPGA進行連接，負責開機時接收各個器件的配置信息，完成配置后進行視頻數據流的無線發送。其中，CE是發射和接收切換引腳，CSN為片選，IRQ為中斷信號輸出引腳，連接電路圖如圖4所示。
1.2.2 nRF24LU1及其應用電路
nRF24LU1+是Nordic推出的一款將高性能射頻收發器與單片USBdongle功能結合起的無線收發芯片，它可實現無線數據到USB數據形式的轉換，這樣就實現了與PC機的連接。nRF24LU1+內含1個增強型8051MCU內核、無線收發模塊、符合全速USB2.0標準的器件控制器。nRF2ALU1+顯著地增強了抗寬帶干擾和互調失真(IMD)性能。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16MHz晶振、去耦電路、匹配網絡和天線。USB工作電源電壓范圍4.0～5.25 V。nRF24LU1+是單片結構，外形尺寸5mm×5mm。它的最高速率2Mbit·s-1，兼容所有nRF24系列芯片；使用Enhanced ShockedBust技術可以實現數據包的自動打包/解包和傳輸處理；使用MultiCeiver技術可同時支持6個無線裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數可通過射頻寄存器進行編程調節，電路圖如圖5所示。
1.2.3 PA和LNA
單獨只采用nRF芯片只能近距離的無線通信，為增加無線視頻傳輸的距離，需要加入PA。從增加數據通信距離考慮，還需要增加芯片輸入端的接收靈敏度，選用合適的LNA和濾波器成為必然。設計選用Maxim公司的MAX2240和MAX2644，連接電路如圖6所示。
MAX224O專為2.4～2.5 GHz頻段的應用而設計，符合Bluetooth、HomeRF、802.11標準以及其他FSK調制系統的要求。MAX2644是一款專為WLAN，Bluetooth等工作在2.4GHz頻段內的設備設計的高三階交調點的低噪聲放大器。放大電路中，微波開關采用Hittite公司生產的低成本SPDT微波開關，型號HMC545，該開關特別為3G和ISM頻段工作的設備設計，其插入損耗僅有0.25dB，采用SOT封裝、體積小，可用CMOS或TTL電平控制。利用nRF芯片的VDD_PA引腳控制無線發送和接收的切換。
2 控制器FPGA設計
FPGA選用Altrea公司的EP2C8208。其硬件連接電路如圖7所示。
3 初始化配置及工作流程
(1)初始化配置方式。
1)OV7620配置。OV7620的控制采用SCCB(Serial Camera Control Bus)協議。它是簡化的I2C協議，SIO-1是串行時鐘輸入線，SIO-0是串行雙向數據線，分別相當于I2C協議的SCL和SDA。SCCB的總線時序與I2C基本相同。OV7620功能寄存器的地址為0x00～0x7C。通過設置相應的寄存器，可以使OV7620工作于不同模式。
2)ML86410配置。對ML86410進行配置需要對其寄存器進行配置，通過地址生成器產生地址XA0～9，然后通過數據總線XD0～15對相應寄存器進行寫值。由于無線速率最高為2Mbit·s-1，所以一定要對Bits Rate Setting Register(0x18C)進行設置，有可變速率壓縮和固定速率壓縮兩種方式。
3)nRF24L01配置。對nRF24L01進行配置通過對其內部的寄存器進行寫值完成，通過SPI總線完成數據的寫入。其需要用戶配置的寄存器地址為00～17，共18個8bit寄存器，當要進行發送和接收的切換時，同樣要寫入相應的寄存器值。
(2)工作流程。
1)開機配置：首先測試無線連接，連接成功后由PC端下傳參數模式配置命令；下位機接到命令后，由配置參數配置邏輯解析到參數模式后，通過控制邏輯對ML86410和OV7620進行初始化配置，成功后即開始視頻采集，失敗發送錯誤到PC端。
2)視頻無線發送：視頻采集開始后，視頻流在ML86410的控制下有序進入FPGA緩沖，緩沖采用乒乓緩沖操作，然后數據經過并串轉換，再通過SPI口送入nRF24L01無線發送。
3)視頻無線接收：nRF24LU1+接收到視頻流后，經過緩沖，即送入USB2.0協議槽通過USB接口傳入PC進行顯示。
4)視頻顯示：PC采用VC++編寫程序調用Windows自帶的視頻播放器，同時調入MPEG-4視頻流，解碼后顯示。
4 上位機軟件設計
上位機采用VC++編寫成熟的視頻監控軟件，和通用的視頻監控軟件相同，接收來自USB端口的數據進行解壓縮顯示即可。效果圖如圖9所示。
5 結束語
采用具有可靠邏輯功能的FPGA協調MPEG-4視頻流到無線數據流的轉換和發送，可以保證無線視頻傳輸的性能；同時在終端采用帶有無線功能和USB2.0協議的SOC芯片來實現與PC連接，不僅保證了無線傳輸的可靠性，還使得電路小型化，方便使用。測試表明，無線速率低于2Mbit·s-1時，可以實現無線視頻的可靠傳輸。
作者：關曉磊 李志強 來源：《電子科技》2011年06期