基于TM1300的可視電話終端研究

關鍵詞：TM1300 H.324 G.723.1 H.263

引言

1996年ITU-T制訂了在PSTN上傳輸多媒體信息的H.324系列標準建議，主要包括視頻編解碼（Video Codec）H.263標準、信息流分組復用（Multiplex）H.223標準、通信控制規(guī)程（Control）H.245標準、低碼率語音編碼（Speech Codec）G.723.1標準以及調制解調器（Modem） V.34bis標準等。其中G.723.1協(xié)議可將64Kb/s的PCM語音信號壓縮至6.3Kb/s甚至5.3Kb/s，H.263協(xié)議可將視頻信息壓縮到20Kb/s左右；因此，壓縮后的語音和圖像信號的碼速率低于28.8Kb/s，而V34調制解調器已實現了PSTN上的33.6Kb/s碼速率的傳輸。這樣，就可以在普通模擬電話網絡（PSTN）上利用V.34調制解調器實現實時傳輸多媒體信息。

H.324終端可以有兩種實現形式：基于PC機支持的可視電話終端和無需PC機支持的“獨立式”可視電話終端。前者需要PC機、攝像頭、視頻捕獲卡、內置或外置Modem；后者需要將顯示器、攝像頭、普通電話集成一體，形成一獨立的小型可視電話終端。本文介紹的可視電話終端屬于后者。它是以Philips公司的TM1300多媒體DSP為核心來實現的，主要包括話音和圖像的采集、編解碼、顯示、回放，碼流復用及通信控制等功能模塊。

1 TM1300處理器簡介

TM1300是Philips公司于1997年以來推出的系列多媒體DSP Trimedia的最新一款性能優(yōu)良的多媒體處理芯片。它以多媒體處理和通信功能為主，融合了CPU芯片原有的計算功能，已廣泛應用于多媒體專用設備、家電及寬帶通信設備。TM1300結構框圖如圖1所示。

TM1300特別針對數字視頻和音頻應用進行了結構優(yōu)化，集成視頻輸入、輸出接口，音頻輸入、輸出接口以及通信線路接口等圍設備。其核心32位的處理器，能夠進行32位的線性尋址，尋址能力可達到4GB；同時，它含有128個通用寄存器，這些寄存器不像其它DSP的寄存器那樣分段，所有的操作都可以使用這些寄存器，其核心處理器采用的是VLIW（Very Long Instruction Word）超長指令字結構，可以在每一個時鐘周期內同時進行5個操作。VLIW結構還可以減少處理器的工作量，核心CPU的運行由實時操作系統(tǒng)內核進行控制。相互獨立的多媒體輸入、輸出單元可以接收和輸出格式化數據。TM1300提供4個通用的定時器，其中三個可被編程用來產生CPU時鐘周期、數據/指令斷點、Cache跟蹤、音頻/視頻時鐘等等。其SPDIF輸出單元可輸出高速的串行數據流，主要應用于向外部音頻設備輸出SPDIF格式的數字音頻數據。由于數據流內容完全由軟件控制，因此，SPDIF輸出單元也可用作通用的高速輸出設備，如UART。TM1300內部有專用的16KB的數據高速緩存和32KB的指令高速緩存，并且數據高速緩存是雙端口的，允許同時進行雙向訪問。此外，TM1300還帶有一些專用的協(xié)處理器和專用的多媒體指令，其內部和功能單元之間通過一個高性能的總線和存儲系統(tǒng)進行通信，開發(fā)者可以充分利用TM1300硬件體系結構的特性，提高視頻、音頻編解碼算法的運算速度。變長解碼協(xié)處理器（VLD COPROCESSOR）可以完成H.261、H.263、MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4碼流的哈夫曼解碼；圖像協(xié)處理器ICP（Image Coprocessor）可以在不需CPU參與的情況下對圖像進行縮放和濾波處理。

多媒體應用要求系統(tǒng)資源和活動得到高效的管理，TM1300處理器支持pSOC實時多任務操作系統(tǒng)內核，pSOS操作系統(tǒng)由美國ISI（Integrated System Inc）公司開發(fā)。它基于開放式操作系統(tǒng)標準，并且針對多媒體應用作了專門的優(yōu)化。pSOS真正實現了搶先式、基于優(yōu)先級的任務調度及合理的中斷處理。內核保證在任務時刻，正在運行的任務在所有準備好的任務中具有最高的優(yōu)先級，更高優(yōu)先級的外部事件可以搶先改變調度的行為，通過改變搶先特性，或調度任務時間片，用戶可以改變調度的行為。PSOS還具有以下特點：動態(tài)的、基于對象的多任務及動態(tài)的存儲分析；靈活的計時管理和時鐘服務；先進的錯誤處理和故障恢復等。pSOS操作系統(tǒng)在內核層將與硬件有關的操作放在一個模塊中，對系統(tǒng)服務層以上則屏蔽了具體的硬件特性。

2 可視電話終端構成與工作原理

2.1 系統(tǒng)框圖和工作原理

圖2是基于TM1300的“獨立式”可視電話終端的基本框圖。圖2右邊的的EEPROM、Flash存儲器和SDRAM可分別看作PC中的BIOS、HARDDISK（硬盤）和RAM（內存），V.34/ISDN為通信端口。在給終端加電后，TM1300首先從EEPROM中讀取系統(tǒng)啟動的一些重要信息，例如CPU工作的時鐘頻率，外圍SDRAM的大小等信息。然后CPU從EEPROM中把啟動程序讀入SDRAM，再由啟動程序把FLASH MEMORY中的主程序讀入SDRAM并開始執(zhí)行。圖2左邊的視頻輸入/輸出（VI/VO）單元和音頻輸入/輸出（AI/AO）單元功能描述如下：

（1）視頻輸入/輸出單元（Video in/Video out）

視頻輸入單元接收符合CCIR601/CCIR656標準的YUV 4：2：2格式的數據。數據在輸入后先被拆分成獨立的Y、U、V數據，然后送入SDRAM中。另外，可根據需要對輸入的視頻數據進行水平方向的亞采樣。視頻輸出單元輸出符合CCIR601/CCIR656格式的視頻數據，它還可對輸出的數據進行內插，以使亞采樣后的數據恢復為640點/行或720點/行。

（2）音頻輸入/輸出單元（Audio in/Audio out）

音頻輸入/輸出單元分別與串行的ADC（模數轉換）、DAC（數模轉換）芯片相連，采樣時鐘受TM1300控制，采樣頻率可從直流到100kHz。輸入輸出的數據可是8位或16位的串行單聲道立體聲數據。

本終端工作過程簡述如下：首先，本地A機攝像頭輸入數據，經視頻解碼器解碼轉換為符號CCIR601/CCIR656標準的YUV4：2：2格式的數據，同時麥克風輸入的數據經音頻編解碼器解碼完成A/D轉換。解碼后的音頻、視頻數據隨即傳送給TM1300的音頻、視頻輸入端品，TM1300將輸入的數據分別按G.723.1和H.263協(xié)議編碼，然后以H.223標準實現對音頻、視頻數據流復用，再按H.245規(guī)程將復用后的數據流經V.34或ISDN通信端口發(fā)送至傳輸網，傳送到遠端B機。B機收到A機傳送過來的數據后，先以H.223標準對音頻、視頻數據流解復用，然后分別完成基于G.723.1和H.263協(xié)議的音頻、視頻解碼，再由音頻、視頻輸出端口發(fā)送給音頻、視頻編碼器，經編碼轉換后由喇叭、電視機輸出。B機傳送給A機的數據處理過程如此相同，這樣通信的雙方就實現了可視電話通信。

2.2 外圍芯片的選擇

在本終端中，TM1300的主要外圍芯片的選取情況如下：

①視頻解碼器。本方案選用了Philips公司的SAA7113，實現視頻A/D變換，反混迭濾波，線性相位鎖定，行、場同步信號檢測，數字亮度分離等功能；能夠將NTSC、PAL或CVBS等模擬視頻信號解碼為符合CCIR601/CCIR656標準的YUV4：2：2格式的數字視頻信號。

②視頻編碼器。選用Philips公司的SAA7121，將輸入的數字YUV視頻數據編碼為NTSC、PAL或CVBS等模擬視頻信號輸出。

③音頻編解碼器。選用Philips公司的UDA1344，該芯片將A/D和D/A轉換功能集于一身，可以對麥克風輸入的模擬聲音信號進行A/D轉換成為數字信號，形成串行數字音頻流送到TM1300的音頻輸入口。同時，它也可將從VO輸入的數字信號進行D/A轉換成模擬立體聲信號，然后輸出至喇叭；

④SDRAM。選用三星公司的K4S641632E_TI/P75，其存儲結構為1M16Bit4Banks，工作速度可達到133MHZ，選用高速、大容量的SDRAM可為今后的系統(tǒng)升級提供方便；

⑤Flash。用于存儲主程度，它是一種高密度、高穩(wěn)定性、低成本、可快速擦寫的非易失性存儲器。它與ROM、EPROM相比，提供了更高的性能，更大的靈活性；與SRAM、EEPROM相比，它有更高的密度和更合理的價格。這里選擇是AMD公司的AM29LV400BT芯片，它內部有32個128位可擦除塊，存儲容量為32M位，數據線可選擇為8位或16位。

結語

由于實時多媒體數據處理算法比較復雜，運算量大，因此它對DSP的處理能力有很高的要求。TM1300運算能力可達6.5BOPS（每秒十億次操作），具有良好的內部接口，靈活的外部接口和強大的多媒體處理能力，因而它完全可以滿足多媒體數據處理實時性的要求。在選定了DSP之后，我們選擇了它的外圍芯片并進行了電路設計。但是由于實時多媒體數據處理算法比較復雜，運算量大，因此為獲得更好的圖像和語音質量，僅僅依賴硬件的高效是不夠的，還需不斷改進視頻、音頻數據處理的算法，同時對TM1300的程序代碼進行優(yōu)化。