基于嵌入式系統(tǒng)的無線視頻傳輸性能測試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周虎，李波，蔡敏捷，何婧

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，視頻業(yè)務(wù)也越來越多地通過無線信道進(jìn)行傳輸，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議也更注重視頻在無線信道上的傳輸質(zhì)量。然而，一個(gè)新協(xié)議或改進(jìn)協(xié)議的性能如何，必須經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。但現(xiàn)實(shí)中的無線視頻傳輸性能測試，不但需要無線網(wǎng)卡等設(shè)備和開闊的測試空間，實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，不便于對系統(tǒng)進(jìn)行有效而快捷的在線調(diào)試，而且往往需要大量的人力物力投入。因此本文依據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于嵌入式無線信道模擬器的無線視頻傳輸測試平臺(tái)(以下簡稱測試平臺(tái))，用于模擬測試視頻數(shù)據(jù)在無線信道上的傳輸性能。

1 測試平臺(tái)整體介紹

測試平臺(tái)由主機(jī)控制程序和嵌入式無線信道模擬器兩部分組成。其工作流程如圖1所示。主機(jī)向嵌入式無線信道模擬器發(fā)送經(jīng)過編碼的視頻數(shù)據(jù)，模擬器根據(jù)指定的無線信道模型，對其進(jìn)行模擬傳輸處理(即產(chǎn)生相應(yīng)的誤幀)。最后，經(jīng)過處理的視頻數(shù)據(jù)，被送回主機(jī)進(jìn)行解碼顯示并評測傳輸性能。

圖1 無線視頻傳輸測試平臺(tái)工作流程

主機(jī)控制程序使用Visual C++實(shí)現(xiàn)，擁有友好的用戶界面。其主要功能為：視頻編解碼、信道模型參數(shù)設(shè)置、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、視頻顯示等。其中編碼模塊采用H.264協(xié)議作為彩色運(yùn)動(dòng)圖像序列的壓縮編碼方法，將來可以根據(jù)需要，對協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。解碼模塊將經(jīng)過無線信道模擬器處理后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。為了驗(yàn)證信道誤幀性能，解碼時(shí)不對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理。在主機(jī)控制程序中，通過檢測解碼圖像的峰值信噪比(PSNR)，實(shí)現(xiàn)對無線信道傳輸性能的客觀評測，通過將解碼圖像與原始圖像進(jìn)行顯示對比，實(shí)現(xiàn)對無線信道傳輸性能的主觀評測。另外，主機(jī)控制程序可以通過用戶界面，對無線信道模擬器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)不同無線信道環(huán)境下，視頻數(shù)據(jù)傳輸性能的測試。

嵌入式無線信道模擬器，分為嵌入式系統(tǒng)與無線信道模擬器兩個(gè)模塊。其中嵌入式系統(tǒng)采用 ARM 處理器，聯(lián)合Linux操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無線信道模擬器是在其上構(gòu)建的信道模擬程序。嵌入式無線信道模擬器是本文的工作重點(diǎn)，下面將分別對兩模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 嵌入式系統(tǒng)

2.1 硬件部分

嵌入式系統(tǒng)硬件部分采用三星公司的S3C2440A[1]作為處理器。它是一款基于ARM920T的32位RISC微處理器，主頻為400MHz，具有較強(qiáng)的任務(wù)處理能力。以太網(wǎng)接口功能通過DM9000A[2]實(shí)現(xiàn)，DM9000A 是DAVICOM 公司推出的一款高度集成，功能強(qiáng)大的以太網(wǎng)接口芯片。其基本特征是：集成 10/100M 物理層接口；內(nèi)部帶有 16K 字節(jié)SRAM 用作接收發(fā)送的 FIFO 緩存；支持 8/16位兩種主機(jī)工作模式；10ns的 I/O讀寫時(shí)間；遵循IEEE 802.3 以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。

本系統(tǒng)中DM9000A工作在16位模式。其數(shù)據(jù)線SD0至SD15分別與S3C2440A的數(shù)據(jù)線低16位D0至D15連接。寄存器選擇管腳CMD與S3C2440A的地址線A2相連，該管腳為高電平時(shí)選擇 DATA端口寄存器，低電平時(shí)選擇INDEX端口寄存器。S3C2440A通過讀寫上述兩個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)對 DM9000A的配置與數(shù)據(jù)傳輸。片選管腳 nCS與S3C2440A的nGCS3連接，將DM9000A映射到ARM處理器的0x18000000地址空間。S3C2440A與DM9000A的主要管腳連接見圖2。

圖2 S3C2440A與DM9000A的主要管腳連接

2.2 軟件部分

2.2.1 Linux操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)是一款多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，自其誕生以來就以源代碼開放、功能強(qiáng)大、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。而將Linux用于嵌入式領(lǐng)域更是因其具有內(nèi)核小、效率高、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的主流。因此，本嵌入式系統(tǒng)采用 Linux發(fā)行版Ubuntu9.04作為操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2.6.30。該內(nèi)核包含DM9000系列以太網(wǎng)芯片的驅(qū)動(dòng)程序，只需簡單的修改配置便可實(shí)現(xiàn)對DM9000A的驅(qū)動(dòng)。

Linux網(wǎng)絡(luò)通信需要通過socket套接字實(shí)現(xiàn)。套接字是支持TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元?？梢詫⑻捉幼挚醋鞑煌鳈C(jī)間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)，它構(gòu)成了單個(gè)主機(jī)內(nèi)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的編程界面。應(yīng)用層通過傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，TCP和UDP可能需要同時(shí)為多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程提供并發(fā)服務(wù)，而為每個(gè)進(jìn)程綁定相應(yīng)的套接字，則完善地解決了這個(gè)問題。

2.2.2 數(shù)據(jù)交互程序

嵌入式系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?？紤]到視頻數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，傳輸層使用 UDP協(xié)議。Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)創(chuàng)建套接字接口，綁定指定 IP和端口，調(diào)用recvfrom()函數(shù)等待接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信道模擬器處理后，Linux調(diào)用 sendto()函數(shù)將其發(fā)回主機(jī)。主機(jī)在準(zhǔn)備進(jìn)行無線信道傳輸測試時(shí)，首先創(chuàng)建套接字接口，將編碼后的視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送至嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)從嵌入式系統(tǒng)接收，經(jīng)無線信道模擬器處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼顯示。具體流程如圖3所示。

圖3 測試平臺(tái)中嵌入式系統(tǒng)與主機(jī)數(shù)據(jù)交互流程

3 無線信道的模擬器

3.1 無線信道模型簡介

無線信道是指信號通過無線電波從發(fā)送端到接收端的傳輸路徑。相對有線信道，無線信道更為復(fù)雜，也更容易受環(huán)境影響。例如在無線信道中，由于反射會(huì)導(dǎo)致多徑效應(yīng)，由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致多普勒效應(yīng)。一般來說，無線信道對信號產(chǎn)生的影響，可分為3類[3]：(1) 傳播路徑損耗模型。主要考慮接收信號的功率，隨著傳播距離的增加而減小，而傳播路徑損耗則隨傳播距離增加而增加的特性；(2) 大尺度傳播模型。關(guān)注信號經(jīng)過長距離傳播的變化特性，主要討論各類地形與地物對傳播信號所產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)；(3)小尺度傳播模型。用來描述在很短的距離內(nèi)，接收信號功率所呈現(xiàn)的快速變動(dòng)。目前主要的無線信道模型，有二狀態(tài)馬爾可夫信道模型[4]、瑞利信道模型[5]、萊斯信道模型[6]等。

二狀態(tài)馬爾可夫信道模型，主要關(guān)注無線信道的誤幀特性。假設(shè)無線信道對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響為突發(fā)連續(xù)性的，即信道衰落會(huì)導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍剡B續(xù)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)。該模型將信道狀態(tài)劃分為“Good”和“Bad”兩種狀態(tài)，當(dāng)信道處于“Good”狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)幀的誤碼率為 0；當(dāng)信道處于“Bad”狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)幀誤碼率為 1。如圖4所示：p代表傳輸前一幀時(shí)信道處于“Good”狀態(tài)而當(dāng)前幀仍處于“Good”狀態(tài)的概率，1-p為前一幀信道處于“Good”狀態(tài)而當(dāng)前幀轉(zhuǎn)為“Bad”狀態(tài)的概率。

圖4 二狀態(tài)馬爾可夫信道模型

(1)式中П為二狀態(tài)馬爾可夫信道模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，(2)式中ε代表該模型下數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤傳輸?shù)母怕省?/p>

3.2 無線信道模擬器的實(shí)現(xiàn)

在無線信道模擬器上實(shí)現(xiàn)了二狀態(tài)馬爾可夫信道模型，模擬無線信道對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行誤幀處理。主機(jī)發(fā)送至嵌入式無線信道模擬器的數(shù)據(jù)有兩種：一種為控制信息，用于配置無線信道的參數(shù)，即修改二狀態(tài)馬爾可夫信道模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率參數(shù)p與q；另一種是需要處理的視頻數(shù)據(jù)。無線信道模擬器對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，對于控制信息，讀取后修改信道模型參數(shù)；對于視頻數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行無線信道傳輸模擬處理。

無線信道模擬器對主機(jī)送來的視頻數(shù)據(jù)根據(jù)，當(dāng)前所處馬爾可夫鏈狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)誤幀或無誤傳輸處理。在具體程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，通過定義靜態(tài)全局變量sign表示馬爾可夫鏈所處狀態(tài)，sign值為1，代表“Good”，為0代表“Bad”。處理數(shù)據(jù)幀前首先產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)R，其取值范圍為：0＜R＜1。若前一數(shù)據(jù)幀傳輸信道狀態(tài)為“Good”(即sign值為1)，且R小于當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率p，則本數(shù)據(jù)幀傳輸信道狀態(tài)仍為“Good”，正確傳輸，若R大于當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率p，則本數(shù)據(jù)幀所處信道狀態(tài)轉(zhuǎn)為“Bad”，傳輸產(chǎn)生誤幀。具體工作流程見圖5。

圖5 無線信道模擬器工作流程

4 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)具體過程：由主機(jī)控制程序向嵌入式無線信道模擬器發(fā)送編碼后的H.264視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬器誤幀處理后送回主機(jī)顯示評測。本實(shí)驗(yàn)采用CIF格式，F(xiàn)oreman序列作為測試對象，進(jìn)行3組測試：第一組信道參數(shù)設(shè)置為p=1，q=0，由(2)式知無線信道誤幀率ε為 0%；第二組參數(shù)設(shè)置為p=0.95，q=0.05，誤幀率ε為5%；第三組參數(shù)設(shè)置為p=0.85，q=0.15，誤幀率ε為15%。圖6為原始視頻圖像，圖7、8、9為3組測試的解碼圖像。

圖6 原始視頻圖像

圖7 誤幀率：0%，PSNR：35.32dB

圖8 誤幀率：5%，PSNR：30.18dB

圖 9 誤幀率：15%，PSNR：24.69dB

由測試結(jié)果可知，無線信道誤幀率為0%時(shí)，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)無線信道傳輸沒有損失，解碼圖像的峰值信噪比為35.32dB，從顯示效果來看與原始圖像基本相同。無線信道誤幀率為5%時(shí)，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)無線信道傳輸產(chǎn)生一定損失，解碼圖像的峰值信噪比降為30.18dB，顯示效果比原始圖像略差。而無線信道誤幀率為15%時(shí)，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)無線信道傳輸損失嚴(yán)重，解碼圖像的峰值信噪比降低至24.69dB，顯示效果相比原始圖像嚴(yán)重失真。經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)，可以看出視頻數(shù)據(jù)經(jīng)無線信道模擬器處理后的誤幀效果，符合無線信道衰落特性，本測試平臺(tái)有效地實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過無線信道傳輸?shù)哪M測試。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于嵌入式無線信道模擬器的無線視頻傳輸性能測試平臺(tái)，并通過實(shí)時(shí)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)對該平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。室內(nèi)環(huán)境中，該平臺(tái)在無須特殊測試設(shè)備的條件下，為視頻數(shù)據(jù)在無線信道傳輸?shù)男阅軠y試，提供了良好的模擬測試環(huán)境，減小了測試開銷，并可以通過軟件升級增加新的無線信道模型，因此具有良好的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。

[1] SANSUNG Electronics.S3C2440A USER’S MANUAL[Z] .Corea: SANSUNG Electronics ,2003.

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