基于網絡的嵌入式IP可視電話設計方案

引 言

由于成本和視頻通信質量的因素，可視電話從推出到現(xiàn)在，一直受到用戶的冷落?，F(xiàn)在因為技術的進步和寬帶因特網的普及，可視電話呈現(xiàn)出新的生機。業(yè)內專家預測，未來幾年內，可視電話不僅可與電信固話、小靈通、移動/聯(lián)通手機互聯(lián)，還可與3G 手機互通?？梢曤娫拰⒊蔀楠毩⒌漠a業(yè)，發(fā)展前景良好。

筆者基于TI公司的單顆600 MHz TMS320DM643（簡稱為DM643）數(shù)字媒體處理器，開發(fā)了一套性能優(yōu)異、價格低廉的嵌入式IP可視電話，實現(xiàn)點對點網絡音視頻實時通信。

1 基于TMS320DM643的硬件設計

DM643數(shù)字媒體處理器[1]集成了一系列外設，以適應視頻和影像技術的發(fā)展。其中包括3個可配置視頻端口，1個10/100 Mbps的以太網MAC（EMAC），1個面向音頻應用的串行口（McASP），1個串行口（McBSP）以及一些其他外設。C64x核內有8個并行的處理單元，采用VLIW（甚長指令集）結構，處理能力高達4800MIPS,并在C6OOO公共指令集的基礎上擴展了88條指令。這些指令使C64x能夠更方便地執(zhí)行圖象處理中的算法。

基于單顆DM643的嵌入式IP可視電話的組成如圖1所示。從攝像機輸入的視頻信號和從麥克風輸入的音頻信號經A/D轉換后送入DSP,DSP對音/視頻信號進行壓縮、編碼、合流；然后通過局域網或因特網將數(shù)據傳輸出去，同時將從網絡上接收的數(shù)據分流，并分別進行視頻信號的解碼顯示和音頻信號的解碼播放。系統(tǒng)中，還通過DM643的McBSP/UART 口外接了一個鍵盤，以實現(xiàn)電話的撥號功能。

圖1 嵌入式IP可視電話的組成

1.1 視頻采集電路

本系統(tǒng)采用的視頻解碼芯片是Philips公司的SAA7l15.從攝像機輸入的全電視信號在SAA7l15內部經過鉗位、抗混疊濾波、A/D轉換、YuV分離電路之后，在YuV到YCrCb的轉換電路中轉換成BT.656視頻數(shù)據流，通過DM643的視頻口VPo輸入到壓縮核心單元DM643中。視頻數(shù)據的行/場同步信號包含在BT.656數(shù)字視頻數(shù)據流的EAV（End of Active Video）和SAV（Startof Active Video）時基信號中，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號。SAA7l15內部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過1 C總線進行。視頻采集接口的原理如圖2所示。

圖2 視頻采集接口原理

DM643將解碼后的視頻數(shù)據通過視頻口VP1通道送給SAA7121顯示輸出。SAA7121是Philips公司的一款視頻編碼芯片，可實現(xiàn)數(shù)字視頻的D/A 變換。SAA7121的工作模式由其內部的控制寄存器決定，控制寄存器的初始化通過1 C總線完成。DM643利用自身具有的1 C總線模塊，作為主控制器，對SAA7121進行參數(shù)編程控制。

1.2音頻輸入/輸出電路

本系統(tǒng)采用TI的高性能立體聲編/解碼器TI V320AIC23（簡稱AIC23），實現(xiàn)音頻信號的采集和播放。AIC23與DM643的I/0電壓兼容，可實現(xiàn)與DM643的McASP接口無縫連接。

在本系統(tǒng)中，AIC23工作于主模式，左右聲道的采樣字寬均為16位。數(shù)據接口為DSP mode模式。通過12 C總線設置內部寄存器的工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息。

由于網絡傳輸?shù)墓逃刑攸c，音頻數(shù)據和視頻數(shù)據傳輸?shù)浇邮辗綍r不可能是均勻的。如果發(fā)送方不作任何糾正處理，則很難保證音/視頻的同步輸出。為了實現(xiàn)音頻和視頻的采樣同步，利用鎖相環(huán)PI I 1708.從SAA7115的U C引腳輸出27 MHz時鐘，經PLI 1708的SCKO 3引腳輸出默認時鐘頻率18.433 MHz,作為AIC23的輸入主時鐘MCI K.AIC23內部采用的時鐘可通過設置寄存器由主時鐘MCLK分頻得到。由于音視頻采樣信號采用同一個時鐘源，因此不會出現(xiàn)音/視頻不同步的問題。

1.3 以太網接口電路

本系統(tǒng)用LXT971作為快速以太網物理層自適應收發(fā)器。LXT971支持IEEE 802.3標準，提供MII（MediaIndependent Interface）接口，可以支持MAC;而DM643內部正好集成有MAC控制器，所以LXT971可與DM643實現(xiàn)無縫連接。連接電路如圖3所示，其中BH1102為1:1的隔離變壓器。

圖3 網絡接口原理

1.4存儲器擴展電路

DM643通過EMIF接口擴展了2片32 MB的SDRAM來存放原始圖像數(shù)據，1片4 MB的Flash來存放應用程序。二者都映射到DM643的外部數(shù)據空間。

2 軟件實現(xiàn)和優(yōu)化

在本系統(tǒng)中，視頻編/解碼算法采用H.264標準[2],音頻編解碼算法采用G.723.1a,回音消除采用G.167,媒體協(xié)議采用RTP/RTCP,網絡協(xié)議采用TCP/UDP/IP,通信協(xié)議采用H.323v.4;另外還軟件實現(xiàn)了靜音、電話功能，并運用抖動緩沖媒體同步技術實現(xiàn)了各種網絡狀況下的音唇一致。操作系統(tǒng)采用基于DSP/B10S的TI參考架構5（RF5）?；赗F5操作系統(tǒng)的應用程序模塊主要包括：音/視頻采集模塊、音/視頻編解碼模塊、UART控制模塊和網絡傳輸模塊。

本系統(tǒng)采用的H.264編/解碼可大大提高圖像質量或降低像通信帶寬。同等圖像質量，H.264算法比H.263算法碼流降低了5O ;但同時H.264算法比H.263算法復雜得多，需要更強的處理能力，以及做更多的軟件優(yōu)化工作。H.264算法在DM643上的實現(xiàn)和優(yōu)化是整個系統(tǒng)軟件設計的難點和重點。下面以它為例說明軟件的開發(fā)、優(yōu)化工作。

DM643上的軟件開發(fā)過程可分為3個階段：

第1階段是開發(fā)C代碼，然后使用profiling工具確定代碼可能存在的低效率段。為進一步改進代碼性能，需進入第2階段。

第2階段是優(yōu)化C代碼。利用內聯(lián)函數(shù)、編譯器的外殼選項等方法進一步優(yōu)化C代碼。再次使用profiling工具檢查其性能，如果代碼仍達不到所期望的效果，須進入第3階段。