媒體信號處理器MAP-CA及其應用實例

摘要：介紹一種高性能媒體信號處理器MAP-CA。它具備對視音頻信號進行壓縮處理的優(yōu)化結構和多種方便的標準視音頻接口。以MAP_CA為核心處理器設計了一個視音頻壓縮處理子系統(tǒng)，可應用于需要對視音頻進行編解碼的不同領域，并給出一個實現脫機DVR設備的實例。 關鍵詞：媒體信號處理器 數字視頻記錄系統(tǒng) DVR 能愛畜數字信號處理器雖然具有很高的運算速度，但在多媒體信號處理領域，特別是視頻處理方面，通常需要復雜的接口，性能不到充分發(fā)揮。媒體信號處理器針對多媒體應用優(yōu)化了內核結構并提供豐富的媒體接口。與通用的數字信號處理器相比，媒體信號算是器在多媒體應用領域，性能更強大，使用更方便。本文介紹一種典型的媒體處理器MAP-CA，它是由美國Equator公司和日本日立公司聯合開發(fā)的寬帶高速媒體處理器；介紹應用MAP-CA設計的一個對視頻、語音進行實時編解碼處理的多媒體信號處理子系統(tǒng)，它與另一個嵌入式控制子系統(tǒng)配合，實現了一個完整的數字視頻記錄系統(tǒng)（DVR）。圖1 MAP-CA功能結構框圖1 媒體信號處理器MAP-CA簡介 媒體信號處理器MAP-CA（Media Accelerated Processor for Consumer Appliances）是Equator公司繼MAP1000、MAP1000A以后推出的一款高集成度的寬帶數字信號處理芯片，特別適用于多媒體信號處理器的產品，如機頂盒、數字電視、視頻會議系統(tǒng)、醫(yī)用圖像產品、數字視頻編輯設備和辦公自動化產品。MAP-CA是針對MPEG1、MPEG2、JPEG、H.263以及語音編碼而優(yōu)化設計的。由于媒體信號處理的核心算法都是基于MAP-CA的軟件平臺，可以通過增加、刪除或者增強一些功能模塊，比較容易對最終系統(tǒng)進行升級和改進。因此，MAP-CA是多媒體信號處理應用的一個現成有效的解決方案。 1.1 MAP-CA處理器結構 MAP-CA具有一個高度流水線的超長指令字（VLIW）結構的內核，每個時鐘周期可以進行四次操作。具有支持32位和64位的數據運算單元以及專用多媒體運算而設計的128位運算單元。MAP-CA擁有較大容量的片內存儲空間，包括32KB的指令緩存和32KB的數據緩存。它具一個非常性能的DMA控制器（DataStreamer）和兩個為視頻信號處理而設計的協處理器：一個可用來進行變長編、解碼，另一個用來實現視頻濾波。 MAP-CA的功能結構框圖如圖1所示。 MAP-CA媒體信號處理器自身擁有PCI總線、SDRAM總線和Flash ROM信號的接口，這些使它可以方便地構成一個獨立的系統(tǒng)或者構成一個計算機的子系統(tǒng)，通過PCI總線與計算機主CPU通信。 1.2 MAP-CA處理器功能特性 區(qū)別于通用數字信號處理芯片，MAP-CA媒體信號處理器具有兩個特性： （1）針對多媒體信號處理設計的內核。工作在300MHz時，MAP-CA可以實現1800MIPS的運算能力。同時，它對多媒體信號處理的支持包括可以實現有兩個為視頻編、解碼而設計的協處理器——一個變長編碼協處理器和一個視頻濾波協處理器；提供對視頻層疊加的直接支持；同時它具有強大的DMA控制器（DataStreamer），為多媒體的大數據量提供了足夠的帶寬保證。 （2）豐富的媒體接口。包括視頻和語音標準接口，如：ITU-R BT.256/601格式的輸入、輸出；MPEG-2的傳輸層接口輸入TCI（Transport Channel Interface）；IEC958和IIS數字音頻輸入、輸出接口；支持外接RGB監(jiān)視器。 由這兩個特性可以看出，MAP-CA媒體信號處理器為以多媒體信號處理為中心的設計提供了一個非常強大又方便的解決方案；同時，作為一款數字信號處理芯片，它繼承了DSP設計方案所擁的可以軟件升級、靈活的優(yōu)點。圖2 數字視頻記錄系統(tǒng)原理框圖 2 基于AMP-CA的數字視頻記錄系統(tǒng)設計 數字視頻記錄系統(tǒng)DVR（Digital Video Recorder）是隨著信息技術，特別是多媒體技術的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。它可以應用于任何需要對場景進行記錄或監(jiān)控的場所。視頻記錄系統(tǒng)包括模擬視頻記錄系統(tǒng)和數字視頻記錄系統(tǒng)。新一代的數字視頻記錄系統(tǒng)一般可以分為兩類：一類是基于計算機（或工控機）的視頻記錄系統(tǒng)；另一類是脫機獨立的（或嵌入式的）視頻記錄系統(tǒng)。后一種方案更加靈活、方便，可以實現DSP層面上的軟件編、解碼，針對不同的應用領域，給予特別的編碼支持，實現最優(yōu)效果。數字視頻記錄系統(tǒng)要求實現的主要功能包括視頻、語音的采集、編碼、存儲、播放，并對記錄下來的視頻、語音的壓縮信息進行解碼、檢索、回放。 采用MAP-CA媒體信號處理器，設計了一個脫機獨立的視頻記錄系統(tǒng)。根據功能需要要，將本系統(tǒng)劃分為兩個子系統(tǒng)：一個是以MAP-CA處理器為中心的媒體信號處理子系統(tǒng)；另一個是用嵌入式芯片實現的控制子系統(tǒng)。圖2為本系統(tǒng)的原理框圖。 嵌入式控制子系統(tǒng)主要實現對系統(tǒng)工作流程的控制，實現數據記錄、查詢功能，提供用戶交互接口和擴展通信接口。 以MAP-CA為中心的媒體處理子系統(tǒng)主要實現視頻、語音信號的采集、播放和編碼、解碼。下面對媒體處理子系統(tǒng)做成一步的說明。 筆者充分利用了MAP-CA媒體處理芯片在多媒體應用方面的強大其內部結構對視頻、語音信號編、解碼的優(yōu)化；提出了高效的視頻編碼方案；利用它提供的方便的視頻、語音信號接口，實現了這個既可獨立應用，又可以嵌入到主控系統(tǒng)媒體信號處理子系統(tǒng)。圖3為系統(tǒng)的原理框圖。圖3 基于MAP-CA的媒體處理子系統(tǒng)原理框圖本系統(tǒng)可在實現一路視頻的編碼、解碼的同時，進行一路語音的編、解碼工作。它包括兩個子進程；編碼進行和解碼進程。編碼進程工作原理：采集視頻信號并轉換成ITU-R BT.656格式數字碼流，輸入給MAP-CA芯片，對視頻進行編碼；同時采集語音信號并轉換成IIS格式碼流，輸入給MAP-CA芯片，對語音信號進行編碼；將視頻和語音編碼數據通過PCI總線傳遞給控制子系統(tǒng)。解碼進程工作原理是：將控制子系統(tǒng)傳遞過來的視頻音頻碼流進行解碼，并轉換成相應的ITU-R BT.656和IIS格式碼流，傳送給輸出接口芯片，轉換成相應的復合視頻和模擬音頻并播放。本系統(tǒng)還支持VGA顯示，可直接連接監(jiān)視器。 為使本系統(tǒng)更好地工作，選用了64MB的SDRAM，供視頻和語音編、解碼使用。另外，選用了2MB的Flash ROM，用以存放系統(tǒng)的編、解碼軟件，使系統(tǒng)既可以作為一個子系統(tǒng)與主控系統(tǒng)配合工作，也可成為一個獨立的系統(tǒng)。 系統(tǒng)的視頻編、解碼算法使用了為監(jiān)控領域設計的多層量化和預測器DIPMEQ（Discrete-Partitioned Multilayer Estimator and Quantizer）的壓縮算法國。語音部分的編、解碼算法使用了GSM壓縮算法。