基于ADSL的視頻傳輸系統(tǒng)

引言

信息技術的不斷發(fā)展使得人們不再滿足于文字、語音等通信手段，融合文字、語音、圖片、視頻等媒介的多媒體通信應運而生，適應了當前人們的通信需求。而目前adsl接入網技術已經成熟，并得到了廣泛的應用，隨之成為人們相互交流、獲取各種信息的有效途徑。adsl接入網帶寬大，為實時可靠地傳輸視頻提供了很好的硬件基礎。因此在adsl網絡上的視頻傳輸成為了一個迫切需要解決的難點。

本文討論基于ip2022的adsl接入網視頻傳輸系統(tǒng)。將本地的視頻圖像傳送到internet上，使連接到internet的遠程主機可以隨時隨地地瀏覽本地視頻。我們按照mpeg-4視頻壓縮標準，在dsp芯片上實現(xiàn)高效視頻壓縮處理；根據(jù)pppoe、ppp、tcp/ip等協(xié)議，使用ip2022網絡處理芯片，提出了通過adsl網絡傳輸視頻的完整解決方案，并對系統(tǒng)的硬件接口以及軟件設計做了詳細的描述，經實際測試，此系統(tǒng)實用性強，將在網絡視頻會議、小區(qū)家居智能化以及安防監(jiān)控等領域具有非常好的應用前景。

系統(tǒng)模型

圖1是本文討論的系統(tǒng)模型。攝像頭獲取的圖像以mpeg-4標準在dsp中進行壓縮處理，生成低碼流的視頻數(shù)據(jù)，經過ip2022打包處理，由adsl調制解調器發(fā)送到internet上。

工作流程可概括如下：

(1)本地pc通過rs232串口，將用戶名、密碼、遠程主機的ip地址及端口等信息寫入ip2022的內部flash中保存下來。

(2) ip2022讀出flash中的數(shù)據(jù)，配置相關的網絡參數(shù)，使用adsl用戶名和密碼按照pppoe協(xié)議進行adsl撥號連接。

(3) 撥號連接成功后，ip2022通過spi數(shù)據(jù)接口接收視頻數(shù)據(jù)，經過tcp、ip、ppp和pppoe層等各層打包處理后，將數(shù)據(jù)通過10base-t以太網接口傳送給adsl調制解調器，由其發(fā)送到internet上。

(4) 連接到internet的遠程主機（視頻接收端），通過接收軟件可以實時瀏覽本地視頻。

系統(tǒng)設計

硬件設計

ip2022是美國ubicom推出的一顆功能強大的網絡通信處理器，處理器速度可達120~160mips，片上有64k flash、16k sram(program)、4k sram(data)、10位adc。它采用軟件模塊的方式在芯片上實現(xiàn)多種通信接口，是業(yè)界領先的單芯片網絡通信處理器，可以實現(xiàn)802.11b、802.11g、802.11a、bluetooth、homeplug、ethernet、 usb、 mii、 i2c、 spi、gpsi、 uart等協(xié)議，適用于無線通信和embedded internet的應用。ip2022內含全雙工硬件串/并(serdes)模塊，能直接與各種常用網絡接口連接?？蓪崿F(xiàn)片內10base-t 以太網( mac 和phy)usb，以及其他各種快速串行協(xié)議。由于其內含兩個serdes部件，能方便地從一種格式轉換為另一種格式，所以也能作協(xié)議轉換器。ip2022的工作頻率為100mhz，大多數(shù)指令均為單周期執(zhí)行，其吞吐量能滿足各種新型網絡連通應用的要求。ip2022以軟件模塊(ipmodules) 形式實現(xiàn)外設通信和控制功能，比傳統(tǒng)硬件具有更大的系統(tǒng)設計靈活性，還提供了傳輸控制協(xié)議、網際協(xié)議、網絡協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必須的附加軟件。

系統(tǒng)時鐘模塊為硬件系統(tǒng)提供工作所需要的時鐘脈沖，這部分比較簡單，我們選擇4.8mhz的無源晶振，經測試可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
程序的寫入和調試是通過在線編程接口實現(xiàn)的，ip2022支持在線編程和調試，該部分主要把ip2022的編程接口引出，加以適當?shù)母綦x保護，并通過spi和主機并口的轉換電路與調試主機的并口相連接。

在本系統(tǒng)中，內部電壓有兩種，一種是接口設備所需要的3.3v，另一種是ip2022內核所需要的2.5v。這兩種電壓是經過電源轉換模塊轉換而成。
dsp視頻處理器主要負責采集攝像頭獲取的圖像，并對其進行壓縮編碼，得到低碼率的視頻數(shù)據(jù)，通過內部的主spi接口模塊把視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給ip2022網絡處理器。

軟件設計

軟件設計的主要任務是按照pppoe協(xié)議、ppp協(xié)議、tcp/ip協(xié)議實現(xiàn)adsl網絡接入，包含有本地rs232串口配置、撥號連接、spi口數(shù)據(jù)接收處理、tcp層數(shù)據(jù)傳輸?shù)人膫€部分。首先對所使用的相關協(xié)議作一簡單介紹，然后分別詳細闡述軟件四個組成部分的功能及實現(xiàn)。

涉及協(xié)議介紹

adsl（asymmetrical digital subscriber line，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路）是一種能夠通過普通電話線提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務的技術，是目前極具發(fā)展前景的一種接入技術。adsl接入技術中，核心的是pppoe協(xié)議。

pppoe（point to point protocol over ethernet）是以太網上傳送ppp數(shù)據(jù)包的協(xié)議，它提供了在廣播式的網絡（如以太網）中多臺主機連接到遠端的訪問集中器（我們對目前能完成上述功能的設備為寬帶接入服務器）上的一種標準。pppoe協(xié)議共包括兩個階段，即pppoe的發(fā)現(xiàn)階段（pppoe discovery stage）和pppoe的會話階段（pppoe session stage）。在發(fā)現(xiàn)（discovery）過程中，用戶主機以廣播方式尋找可以連接的所有的接入集線器，并獲得其以太網mac地址。然后選擇需要連接的主機并確定所要建立的ppp會話識別標號。在會話階段，用戶主機與接入集線器根據(jù)在發(fā)現(xiàn)階段所協(xié)商的ppp會話連接參數(shù)進行ppp會話。依次進行ppp層的lcp包的配置、pap包的配置、ipcp包的配置，在協(xié)商好ppp協(xié)議的各選項之后，就可以進行ip數(shù)據(jù)包傳輸了。為保證視頻傳輸?shù)母呖煽啃?，我們采用tcp/ip協(xié)議傳輸視頻數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件的四個重要組成模塊

（1）本地串口配置軟件模塊

接收pc機通過rs232串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括ip2022網絡處理器的mac地址、ip地址、子網掩碼等網絡參數(shù)，還包括需要連接的遠程主機的ip地址、端口號等信息，同時還有adsl撥號上網的用戶名及密碼等數(shù)據(jù)；接收正確后，ip2022將這些數(shù)據(jù)存儲在它內部的flash中，便于掉電或系統(tǒng)重啟后能按原有的配置模式正常工作。

（2）撥號連接軟件模塊

按照pppoe協(xié)議，初始化ip2022網絡處理器的網絡設置，選擇ppp協(xié)議的各項參數(shù)，使用有效的adsl用戶名和密碼連接到internet網絡上，如果一次未能連接上，則延時后自動重連，直到連上為止；若由于網絡擁塞或遠程主機故障導致網絡連接斷開，則需要延時后繼續(xù)嘗試連接。此軟件模塊主要就是負責建立與internet之間的連接鏈路。

（3）spi數(shù)據(jù)接收處理軟件模塊

作為spi從設備，以中斷方式接收dsp視頻處理器發(fā)送過來的視頻數(shù)據(jù)，存放在ip2022的內部存儲區(qū)內，當一個數(shù)據(jù)塊接收完成后，再讀出視頻數(shù)據(jù)并發(fā)送到網絡上。此軟件模塊主要完成與dsp視頻處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，為確保數(shù)據(jù)不丟失，dsp在發(fā)數(shù)據(jù)前先給ip2022發(fā)送請求信號，ip2022開辟一定大小的存儲空間成功后，判斷dsp發(fā)來的請求信號，并反饋一個確認信號，通知dsp可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)了；而dsp數(shù)據(jù)發(fā)送完成后會等待ip2022的確認接收完成信號。這樣的交互過程可以保證數(shù)據(jù)準確可靠地通過spi口傳輸。其時序圖如圖3。

系統(tǒng)撥號連接到internet之后，根據(jù)遠程主機的ip地址和端口號請求與其建立tcp連接，此過程包括定義并初始化tcp_socket，發(fā)送建立tcp連接請求，若成功則允許系統(tǒng)將spi口接收到的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到網絡上，否則釋放tcp_socket占用的內存空間并將其刪除，延時后再次新建tcp_socket并請求建立tcp連接，如此反復直到tcp連接建立成功。若由于其他原因tcp連接斷開了，則此軟件模塊在判斷并確認連接斷開后，自動請求再次建立tcp連接，以確保視頻數(shù)據(jù)不間斷地傳送到遠程主機。
系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

經過實際測試，系統(tǒng)的視頻處理部分能以每秒20幀以上的速度實時處理視頻圖像，對于視頻質量的評測，我們采用foreman序列作為固定的視頻源輸入進行相應的測試，圖像質量良好，其psnr值平均大于34db以上如圖5所示；系統(tǒng)在512kbps帶寬下實測的幀率統(tǒng)計，如圖6所示。