基于OMAP4460 低帶寬無線傳輸控制的設(shè)計與實現(xiàn)

王 艷

(公安部第一研究所，北京 100048)

在山區(qū)或經(jīng)濟不發(fā)達等地區(qū)，無線基站和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備未及時更新?lián)Q代，應(yīng)急指揮和安裝部署的現(xiàn)場環(huán)境異常惡劣，無線網(wǎng)絡(luò)的上行和下行通道的帶寬較窄，在現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸音視頻數(shù)據(jù)常常會出現(xiàn)馬賽克、卡頓和視頻擁塞等現(xiàn)象。因此，無線移動監(jiān)控系統(tǒng)亟需解決在低帶寬情況下實現(xiàn)高清碼流的實時傳輸和流暢播放的問題。音視頻播放不流暢的主要原因是無線網(wǎng)絡(luò)通道常受到多徑效應(yīng)、終端數(shù)量多等環(huán)境因素的影響，數(shù)據(jù)傳輸易導(dǎo)致高誤碼率、傳輸延遲和抖動。在低帶寬的無線通道中傳輸實時音視頻是否能夠達到流暢播放的效果，是衡量無線移動監(jiān)控系統(tǒng)傳輸性能的重要指標(biāo)。

OMAP4460 是專門為便攜式低功耗應(yīng)用而設(shè)計的新一代開放式多媒體應(yīng)用平臺，廣泛應(yīng)用于智能手機、GPS 系統(tǒng)和移動終端等設(shè)備［1］。由于OMAP4460 的I/O 管腳大多為1.8 V，與同性能的雙核芯片相比OMAP4460 具有功耗低的優(yōu)勢。OMAP4460 采用45 nm CMOS 工藝制作芯片，可實現(xiàn)最高級別的處理器性能，是業(yè)界同性能芯片中小體積的芯片。因此，OMAP4460 適合作為低功耗、小體積的無線傳輸嵌入式設(shè)備的平臺。

根據(jù)易隱蔽、功耗低和便攜性強的應(yīng)用需求，本文提出基于OMAP4460 雙核芯片研制小型便攜式音視頻采集設(shè)備，研究壓縮傳輸和流媒體服務(wù)器技術(shù)，解決低帶寬實際應(yīng)用中碼流的中斷、延遲和阻塞等問題，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)信道的音視頻流暢播放。

1 總體方案

OMAP4460 采集設(shè)備處理音視頻信號并對其編碼后，通過無線路由器或手機透傳將碼流實時傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)。碼流傳輸采用控制流和媒體流交換分離的機制，控制流由后臺音視頻監(jiān)控系統(tǒng)的Web 服務(wù)器集中管理，媒體流是通過網(wǎng)絡(luò)的處理交換以分布式的形式分發(fā)至媒體服務(wù)器。這種設(shè)計機制避免了處理媒體流的性能壓力而造成系統(tǒng)瓶頸，可支持多種采集設(shè)備的接入和擴展。其碼流的傳輸框架如圖1 所示。

圖1 采集設(shè)備的無線傳輸框架

2 硬件設(shè)計

OMAP4460 是TI 公司推出架構(gòu)先進的雙核嵌入式處理器。其CPU 主頻為1.5 GHz，GPU 主頻為400 MHz，具有較強的運算能力和較高的控制能力［2］。該芯片具有兩個基于對稱多處理SMP 架構(gòu)的低功耗、高性能的ARM Cortex－A9 MP Core 處理器，雙通道LPDDR2 內(nèi)存控制器和Power VR SG540圖形核心。IVA3 多媒體加速器可在低功耗級別下提供高性能硬編解碼器，提供靈活的可編程DSP，支持全高清的1 080p多標(biāo)準(zhǔn)的音視頻編解碼。根據(jù)設(shè)備活動、操作模式和設(shè)備溫度采用SmartReflex2 技術(shù)對電壓、功率和頻率等進行動態(tài)控制［3］。OMAP4460 芯片的接口框圖如圖2 所示。

圖2 OMAP4460 芯片及其外圍接口

OMAP4460 設(shè)備以音視頻編解碼芯片OMAP4460 為主處理器來實現(xiàn)音視頻編碼。硬件設(shè)計以編碼芯片為核心［4］，由音視頻編碼模塊、電源管理模塊、WiFi 通信模塊、TF 卡存儲模塊和外圍接口模塊構(gòu)成，充分利用OMAP4460 的高速處理能力，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，如圖3 所示。

OMAP4460 通過MIP CSI1/CSI2 或并行MIPI 接入兩路視頻，支持200 萬、300 萬和500 萬像素的攝像頭模塊［5］。媒體處理子系統(tǒng)ISS 采集SL2 接口的原始視頻數(shù)據(jù)，通過SIMCOP、ISP 和BTE 將數(shù)據(jù)處理成指定格式。TWL6041 音頻芯片通過PDM 接口與OMAP4460 傳輸音頻數(shù)據(jù)，ABE 引擎中的AE 子系統(tǒng)完成采樣轉(zhuǎn)換、濾波等操作。WG7500 芯片支持WiFi/BT/FM/GSM 數(shù)據(jù)通信，通過MMC 接口進行通信。電源模塊支持5 V 供電模式，整體功耗小于1 W。5 V 電源接入后LDO 進行配電，由TPS6532 轉(zhuǎn)換供其他芯片和管腳使用。

3 低帶寬碼流傳輸算法

無線通道容量隨基站與移動終端間距離變化波動，由于多徑頻道干擾、陰影噪聲擾動等因素影響，造成無線信道高誤碼率［6］。無線網(wǎng)絡(luò)帶寬受到限制，數(shù)據(jù)發(fā)送速率無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動。突發(fā)性丟包和過長延遲對播放質(zhì)量有較大的影響。因此，低帶寬下高效傳輸實時高清媒體流是無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。針對這一問題，本文設(shè)計低帶寬媒體流傳輸控制機制，基于流媒體的RTP/RTCP 協(xié)議彌補了TCP 不足，實現(xiàn)端到端的實時傳輸和差錯控制，提供擁塞控制、流量控制、時間信息和流同步等功能完成音視頻播放服務(wù)。

為實現(xiàn)低帶寬下無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸高清音視頻，有效降低媒體流的碼率而不影響播放效果是低帶寬傳輸?shù)年P(guān)鍵。碼率控制分為編碼處理和接收反饋兩部分。編碼處理可進行幀級和宏塊級控制［7］。固定比特控制CBR 由復(fù)雜度估計、解碼緩沖和網(wǎng)絡(luò)帶寬動態(tài)調(diào)整QP 值輸出碼率?？勺儽忍乜刂芕BR 由視頻源和運動快慢等調(diào)節(jié)比特率。假設(shè)B 為雙向預(yù)測，P 為前向預(yù)測，I 為幀內(nèi)預(yù)測，優(yōu)化幀間量化值的算法公式為

圖3 硬件電路的正反面設(shè)計

根據(jù)無線信道的帶寬變化的速度修改值，根據(jù)以下改進的公式進行調(diào)整

無線信道帶寬的變化影響QP 值，改進QP 值的計算公式為

QP 值由I 幀和P 幀進行編碼，根據(jù)傳輸延遲合理調(diào)整量化值的控制參數(shù)，調(diào)整參數(shù)的策略如下:

由網(wǎng)絡(luò)帶寬合理計算量化值，設(shè)計音頻播放線程和視頻播放線程，減少了傳輸延遲和數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象。其流程框圖見圖4。

圖4 算法的實現(xiàn)流程圖

4 測試與分析

在應(yīng)急事件和邊遠(yuǎn)山區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，長時間測試研制的 OMAP4460 設(shè)備的實時播放性能和穩(wěn)定性。OMAP4460 設(shè)備的音視頻傳輸流程:

1)OMAP4460 設(shè)備采集音視頻，編碼后實時傳輸至轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。

2)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備24 h 不間斷工作，實時存儲和轉(zhuǎn)發(fā)接收到的音視頻碼流，并將碼流以低碼率傳輸機制分別轉(zhuǎn)發(fā)給后臺服務(wù)器和手機監(jiān)控端。

3)服務(wù)器接收并解碼OMAP4460 設(shè)備采集的媒體流，在PC 端進行實時播放，同時手機對接收的媒體流進行解碼并實時播放碼流。

在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，分別測試研制的OMAP4460 設(shè)備的媒體傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力，見表1。

表1 研制的OMAP4460 設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試結(jié)果

在上行帶寬和下行帶寬共20 Mbit/s 的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中測試該設(shè)備，得出媒體流實時播放流暢，分辨率可達720×576，傳輸延時小于1 s。在惡劣的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，比如網(wǎng)絡(luò)帶寬小于512 kbit/s，基于海思Hi3512 芯片和TI 的DM365 芯片的網(wǎng)絡(luò)攝像機和編碼器實時傳輸音視頻碼流時，出現(xiàn)延遲大、卡頓、馬賽克和播放不流暢等現(xiàn)象。而該設(shè)備采用低碼率傳輸算法實時編解碼媒體流，占用的帶寬可降至2.4 kbit/s以下，有效降低了媒體流的碼率，平均提高幀率3 ～4 f/s(幀/秒)，提高了媒體流傳輸?shù)馁|(zhì)量和播放的流暢度，見表2 ～3。

表2 前期產(chǎn)品海思Hi3512 設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試結(jié)果

表3 前期產(chǎn)品TI DM365 設(shè)備在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試結(jié)果

研制的OMAP4460 設(shè)備實現(xiàn)了實時播放、本地存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、錄像、自動開關(guān)機、遠(yuǎn)程控制和設(shè)備配置等功能，具有視頻監(jiān)控設(shè)備的控制、播放和轉(zhuǎn)發(fā)的性能，其音視頻播放界面和控制界面如圖5 所示。

圖5 音視頻播放界面和控制界面(截圖)

5 結(jié)束語

本文采用OMAP4460 平臺研制小型便攜式無線音視頻設(shè)備，設(shè)計低帶寬數(shù)據(jù)傳輸算法提高媒體流在惡劣無線環(huán)境中的性能表現(xiàn)和適應(yīng)性，充分發(fā)揮OMAP4460 高性能雙核處理器的低功耗和小體積的硬件特性。研制的無線設(shè)備具有良好的便攜性和偽裝性能，具備功能穩(wěn)定和成本低廉等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用在應(yīng)急事件和邊遠(yuǎn)山區(qū)等作戰(zhàn)現(xiàn)場。

［1］TI.Texas OMAP44xx application processor technical reference manual［EB/OL］.［2015－07－12］.http://www.ti.com/lit/ug/swpu235ab/swpu235ab.pdf.

［2］TI. Texas TVP5158 data manual［EB/OL］.［2015－07－12］.http://www.ti.com.

［3］TI. Texas TPS65930 integrated power management data manual［EB/OL］.［2015－07－12］.http://www.ti.com.

［4］張起貴，張勝，張剛. 最新DSP 技術(shù):“達芬奇”系統(tǒng)、框架和組件［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［5］Texas Instruments Inc.Davinci mulimedia application interface［EB/OL］.［2015－07－12］.http://processors.wiki.ti.com/index.php/Davinci_Multimedia_Application_Interface.

［6］LIU Yakun，CHENG Xiaodong.Design and implementation of embedded Web server based on arm and Linux［C］//Proc.2010 2nd Internatioanal Conference on Industrial Mechatronics and Automation.Wuhan:IEEE Press，2010:410－416.

［7］KUANG Shunming，HE Xiaojian.Design and application of CMOS device driver based on S3C2440［C］//Proc.the Tenth International Conference on Electronic Measurement ＆ Instruments.［S.l.］:IEEE Press，2011:113－119.