數(shù)字信號處理器在多媒體通信中的應(yīng)用

1、第四講 數(shù)字信號處理器在多媒體通信中的應(yīng)用Lesson 4 Application of DSP in Multimedia Communication清華大學(xué)電子工程系 張旭東近年來多媒體技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在消費類和通信類產(chǎn)品中占據(jù)了越來越多的比重。多媒體技術(shù)得以廣泛應(yīng)用的一個重要基礎(chǔ)是數(shù)字圖像和數(shù)字視頻的壓縮編碼技術(shù)的突破，使得原來無法廉價地存儲、處理和傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)量信息得到有效的利用。因此靜止圖像和視頻圖像的壓縮編碼技術(shù)，是多媒體產(chǎn)品中的一個非常關(guān)鍵的技術(shù)，也是近十多年學(xué)術(shù)和工業(yè)界非常關(guān)注的熱點領(lǐng)越，發(fā)展非常地迅速，應(yīng)用范圍迅速地擴張。為了規(guī)范多媒體信息的表示，使各生產(chǎn)商的產(chǎn)品可以互

2、相兼容，使工業(yè)界采用盡可能先進的技術(shù)，一些國際組織結(jié)合學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的成果，制定了一系列關(guān)于多媒體應(yīng)用的標準，表1列出了有關(guān)圖像、視頻和多媒體終端的幾個典型標準。(表1轉(zhuǎn)下頁)表1:一些圖像、視頻和多媒體信息標準（略）由于多媒體技術(shù)是發(fā)展中的新型技術(shù)，各種技術(shù)和標準的更新?lián)Q代十分迅速，新標準不斷出現(xiàn)替代舊的標準，一些標準即使沒有被替換，自身也在進行不斷的更新和補充，這給產(chǎn)品的設(shè)計帶來困難。對實現(xiàn)一個標準的產(chǎn)品來說，采用專用芯片來實現(xiàn)往往是最經(jīng)濟的，但專用芯片一般不可編程。當(dāng)一個標準被替換或更新后，原來的專用芯片不再可用，要重新設(shè)計新的硬件系統(tǒng)，因此一些多媒體產(chǎn)品不但更新?lián)Q代十分地快，而且，后續(xù)

3、的維護工作也非常困難。對許多應(yīng)用來講，用戶希望產(chǎn)品的生命期長一些，某些平臺能夠通過軟件升級進行更新?lián)Q代，這就要求系統(tǒng)的硬件平臺是可編程的。通用處理器是可編程的，但因功耗大，系統(tǒng)利用率不高，不太適合于專用設(shè)備的平臺；而單片機和一般的嵌入式處理器因為運算能力較弱，也難以擔(dān)負起可編程多媒體處理平臺的任務(wù)。數(shù)字信號處理器因其運算能力強、功耗低成為可編程多媒體系統(tǒng)最合適的硬件平臺。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理器（DSP）是為一般的信號處理設(shè)計的通用接口，因此，其外圍接口并不直接適用于多媒體系統(tǒng)的應(yīng)用，但由于多媒體信號種類多，有些接口時序復(fù)雜（如模擬視頻信號），利用外部可編程器件（FPGA，CPLD等）設(shè)計的多媒體

4、信號接口增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)成本。因此，為了適應(yīng)多媒體應(yīng)用的需要，近年一些主要的DSP廠家專門設(shè)計了針對多媒體應(yīng)用的DSP，稱之為媒體處理器（Media Signal Processor：MSP）。MSP不但集成了適合于多媒體信號的各種信號接口，也設(shè)計了適用于多媒體通信的接口，并且在CPU內(nèi)部附設(shè)了專用于視頻或圖像處理的輔助單元，是一種非常理想的適用于多媒體產(chǎn)品開發(fā)的可編程硬件平臺。目前，已有多個廠家生產(chǎn)MSP，其中包括TI、Philips和Equator等，并有多個系列產(chǎn)品問世。本文將對TI生產(chǎn)的通用MSP系列DM64X進行簡要介紹，使讀者了解MSP的基本結(jié)構(gòu)和

5、應(yīng)用。MSP也可以分為兩類，一類是針對專用設(shè)備設(shè)計的，接口都已經(jīng)專門化，例如TI針對數(shù)碼相機設(shè)計的專用處理器；另一類是通用MSP，支持比較寬的多媒體應(yīng)用，基本包括了多媒體應(yīng)用所需的各類接口，DM64X就是這種通用MSP，下文以DM642為例，介紹其功能。圖1是DM642的結(jié)構(gòu)框圖。圖1 TMS320DM642結(jié)構(gòu)圖由圖中可以看出，DM642片上包含了如下接口：三個可配置的視頻接口，可以和視頻輸入，輸出或傳輸流輸入無縫連接。VCXO 內(nèi)插控制端口(VIC)10/100Mbps以太網(wǎng)口(EMAC)數(shù)據(jù)管理輸入輸出模塊(MDIO)多通道音頻串行端口(McASP)I2C(Inter-integrate

6、d circuit)總線 模塊兩個多通道有緩存的串口 (McBSPs)三個32-bit通用定時器用戶可配置的16-bit或32-bit的主端口接口(HPI16/HPI32)66Mhz32-bit的PCI接口通用I/O端口(GPIO)64-bit的外部存儲單元接口，支持和同步或異步存儲單元的連接這些接口基本上提供了設(shè)計多媒體系統(tǒng)所需要的外部接口。同時，DM642還針對圖像和視頻處理優(yōu)化其中央處理器（CPU），包括為了滿足視頻和圖象處理的需要，采用VelociTI體系結(jié)構(gòu)。該MSP還采用高級超長指令字結(jié)構(gòu)，使得在一個指令周期能夠并行處理多條指令。DM642 CPU的組成部分：兩個通用寄存器組(A和

7、B，各32個32-bit通用寄存器)8個功能單元(.L1，.L2，.S1，.S2，.M1，.M2，.D1，.D2)兩個從內(nèi)存讀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道(LD1和LD2)兩個寫內(nèi)存的數(shù)據(jù)通道(ST1和ST2)兩個數(shù)據(jù)地址通道(DA1和DA2)兩個寄存器組數(shù)據(jù)交叉通道(1X和2X)DM642的這些功能，使得它非常合適作為多媒體硬件平臺，基于它的各種應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)或正在開發(fā)中，圖2中，可以看到一個基于DM642的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端的設(shè)計例子。圖2 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖此系統(tǒng)各單元的主要功能如下。視頻采集模塊：將從攝像頭采集的視頻流，通過解碼芯片，得到原始YUV視頻流，送入DM642的視頻端口。視頻編碼模塊

8、：片上可運行視頻標準H.264編解碼器。這是當(dāng)前最新一代的視頻編碼標準，具有壓縮比高，視頻質(zhì)量好，抗誤碼能力強，魯棒性高，適宜網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍攸c。此外，該編碼器還提供性能良好的碼率控制功能，能夠向網(wǎng)絡(luò)傳輸速率穩(wěn)定的碼流。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊：DM642提供10M/100M以太網(wǎng)借口，編碼模塊得到的編碼后碼流，經(jīng)過本模塊，由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程網(wǎng)絡(luò)終端。視頻回放模塊：將解碼器得到的實時重建視頻流，通過DM642提供的視頻接口輸出，并通過編碼芯片，將重建視頻流轉(zhuǎn)換成NTSC/PAL制，由電視回放，可以看到重建視頻效果。嵌入式控制模塊：該模塊以一個SOC為核心，通過PCI總線和DM642相連，實現(xiàn)一些控制功能，如實現(xiàn)硬盤讀寫、用戶界面管理和對整個系統(tǒng)的控制工作。由于DSP的可編程性，本系統(tǒng)的核心編解碼算法可以方便的進