基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式IP可視電話設(shè)計(jì)方案

引 言

由于成本和視頻通信質(zhì)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?yàn)榧夹g(shù)的進(jìn)步和寬帶因特網(wǎng)的普及，可視電話呈現(xiàn)出新的生機(jī)。業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè)，未來幾年內(nèi)，可視電話不僅可與電信固話、小靈通、移動(dòng)/聯(lián)通手機(jī)互聯(lián)，還可與3G 手機(jī)互通?？梢曤娫拰⒊蔀楠?dú)立的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景良好。

筆者基于TI公司的單顆600 MHz TMS320DM643（簡(jiǎn)稱為DM643）數(shù)字媒體處理器，開發(fā)了一套性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的嵌入式IP可視電話，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)通信。

1 基于TMS320DM643的硬件設(shè)計(jì)

DM643數(shù)字媒體處理器[1]集成了一系列外設(shè)，以適應(yīng)視頻和影像技術(shù)的發(fā)展。其中包括3個(gè)可配置視頻端口，1個(gè)10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC（EMAC），1個(gè)面向音頻應(yīng)用的串行口（McASP），1個(gè)串行口（McBSP）以及一些其他外設(shè)。C64x核內(nèi)有8個(gè)并行的處理單元，采用VLIW（甚長(zhǎng)指令集）結(jié)構(gòu)，處理能力高達(dá)4800MIPS,并在C6OOO公共指令集的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(jī)輸入的視頻信號(hào)和從麥克風(fēng)輸入的音頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP,DSP對(duì)音/視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮、編碼、合流；然后通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸出去，同時(shí)將從網(wǎng)絡(luò)上接收的數(shù)據(jù)分流，并分別進(jìn)行視頻信號(hào)的解碼顯示和音頻信號(hào)的解碼播放。系統(tǒng)中，還通過DM643的McBSP/UART 口外接了一個(gè)鍵盤，以實(shí)現(xiàn)電話的撥號(hào)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(jī)輸入的全電視信號(hào)在SAA7l15內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、YuV分離電路之后，在YuV到Y(jié)CrCb的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成BT.656視頻數(shù)據(jù)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(jù)的行/場(chǎng)同步信號(hào)包含在BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的EAV（End of Active Video）和SAV（Startof Active Video）時(shí)基信號(hào)中，視頻口只需視頻采樣時(shí)鐘和采樣使能信號(hào)。SAA7l15內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過1 C總線進(jìn)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(jù)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(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的D/A 變換。SAA7121的工作模式由其內(nèi)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(duì)SAA7121進(jìn)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(jiǎn)稱AIC23），實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集和播放。AIC23與DM643的I/0電壓兼容，可實(shí)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(jù)接口為DSP mode模式。通過12 C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器的工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息。

由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓逃刑攸c(diǎn)，音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮辗綍r(shí)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(shí)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(shí)鐘，經(jīng)PLI 1708的SCKO 3引腳輸出默認(rèn)時(shí)鐘頻率18.433 MHz,作為AIC23的輸入主時(shí)鐘MCI K.AIC23內(nèi)部采用的時(shí)鐘可通過設(shè)置寄存器由主時(shí)鐘MCLK分頻得到。由于音視頻采樣信號(hào)采用同一個(gè)時(shí)鐘源，因此不會(huì)出現(xiàn)音/視頻不同步的問題。

1.3 以太網(wǎng)接口電路

本系統(tǒng)用LXT971作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器。LXT971支持IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，提供MII（MediaIndependent Interface）接口，可以支持MAC;而DM643內(nèi)部正好集成有MAC控制器，所以LXT971可與DM643實(shí)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(wǎng)絡(luò)接口原理

1.4存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

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

2 軟件實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化

在本系統(tǒng)中，視頻編/解碼算法采用H.264標(biāo)準(zhǔn)[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(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/UDP/IP,通信協(xié)議采用H.323v.4;另外還軟件實(shí)現(xiàn)了靜音、電話功能，并運(yùn)用抖動(dòng)緩沖媒體同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)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(gòu)5（RF5）?；赗F5操作系統(tǒng)的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

本系統(tǒng)采用的H.264編/解碼可大大提高圖像質(zhì)量或降低像通信帶寬。同等圖像質(zhì)量，H.264算法比H.263算法碼流降低了5O ;但同時(shí)H.264算法比H.263算法復(fù)雜得多，需要更強(qiáng)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(shí)現(xiàn)和優(yōu)化是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。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(gè)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(jìn)一步改進(jìn)代碼性能，需進(jìn)入第2階段。

第2階段是優(yōu)化C代碼。利用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、編譯器的外殼選項(xiàng)等方法進(jìn)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(dá)不到所期望的效果，須進(jìn)入第3階段。