基于ADSL的視頻傳輸系統(tǒng)

　　引言

　　信息技術(shù)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(yīng)運(yùn)而生，適應(yīng)了當(dāng)前人們的通信需求。而目前ADSL接入網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，并得到了廣泛的應(yīng)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(wǎng)帶寬大，為實(shí)時(shí)可靠地傳輸視頻提供了很好的硬件基礎(chǔ)。因此在ADSL網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸成為了一個(gè)迫切需要解決的難點(diǎn)。

　　本文討論基于IP2022的ADSL接入網(wǎng)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(yuǎn)程主機(jī)可以隨時(shí)隨地地瀏覽本地視頻。我們按照MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在DSP芯片上實(shí)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(wǎng)絡(luò)處理芯片，提出了通過ADSL網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)做了詳細(xì)的描述，經(jīng)實(shí)際測試，此系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，將在網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議、小區(qū)家居智能化以及安防監(jiān)控等領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)在DSP中進(jìn)行壓縮處理，生成低碼流的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過IP2022打包處理，由ADSL調(diào)制解調(diào)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(yuǎn)程主機(jī)的IP地址及端口等信息寫入IP2022的內(nèi)部FLASH中保存下來。

　　(2) IP2022讀出FLASH中的數(shù)據(jù)，配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使用ADSL用戶名和密碼按照PPPoE協(xié)議進(jìn)行ADSL撥號(hào)連接。

　　(3) 撥號(hào)連接成功后，IP2022通過SPI數(shù)據(jù)接口接收視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)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(wǎng)接口傳送給ADSL調(diào)制解調(diào)器，由其發(fā)送到Internet上。

　　(4) 連接到Internet的遠(yuǎn)程主機(jī)（視頻接收端），通過接收軟件可以實(shí)時(shí)瀏覽本地視頻。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)

　　IP2022是美國UBICOM推出的一顆功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信處理器，處理器速度可達(dá)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(shí)現(xiàn)多種通信接口，是業(yè)界領(lǐng)先的單芯片網(wǎng)絡(luò)通信處理器，可以實(shí)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(yīng)用。IP2022內(nèi)含全雙工硬件串/并(SerDes)模塊，能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口連接。可實(shí)現(xiàn)片內(nèi)10Base-T 以太網(wǎng)( MAC 和PHY)USB，以及其他各種快速串行協(xié)議。由于其內(nèi)含兩個(gè)SerDes部件，能方便地從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式，所以也能作協(xié)議轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)連通應(yīng)用的要求。IP2022以軟件模塊(ipModules) 形式實(shí)現(xiàn)外設(shè)通信和控制功能，比傳統(tǒng)硬件具有更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性，還提供了傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)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。



　　本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心就是IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器，基于IP2022的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。



　　在本系統(tǒng)中，使用了IP2022的兩個(gè)Ser/Des硬件單元、一個(gè)Ser/Des軟件單元以及TCP/IP協(xié)議棧、PPP協(xié)議棧、UART協(xié)議棧、SPI協(xié)議棧等等。其中的一個(gè)Ser/Des硬件單元配置成SPI串口，與DSP視頻處理器連接，接收其發(fā)來的視頻數(shù)據(jù)。另一個(gè)Ser/Des硬件單元配置成10Base-T以太網(wǎng)口，與ADSL調(diào)制解調(diào)器連接，負(fù)責(zé)連接Internet并向其發(fā)送從SPI口接收到的視頻數(shù)據(jù)。還有一個(gè)Ser/Des軟件單元經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路（MAX232）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，與本地的PC機(jī)連接，負(fù)責(zé)配置IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

　　系統(tǒng)時(shí)鐘模塊為硬件系統(tǒng)提供工作所需要的時(shí)鐘脈沖，這部分比較簡單，我們選擇4.8MHz的無源晶振，經(jīng)測試可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

　　程序的寫入和調(diào)試是通過在線編程接口實(shí)現(xiàn)的，IP2022支持在線編程和調(diào)試，該部分主要把IP2022的編程接口引出，加以適當(dāng)?shù)母綦x保護(hù)，并通過SPI和主機(jī)并口的轉(zhuǎn)換電路與調(diào)試主機(jī)的并口相連接。

　　在本系統(tǒng)中，內(nèi)部電壓有兩種，一種是接口設(shè)備所需要的3.3V，另一種是IP2022內(nèi)核所需要的2.5V。這兩種電壓是經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而成。
DSP視頻處理器主要負(fù)責(zé)采集攝像頭獲取的圖像，并對其進(jìn)行壓縮編碼，得到低碼率的視頻數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的主SPI接口模塊把視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是按照PPPoE協(xié)議、PPP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)ADSL網(wǎng)絡(luò)接入，包含有本地RS232串口配置、撥號(hào)連接、SPI口數(shù)據(jù)接收處理、TCP層數(shù)據(jù)傳輸?shù)人膫�(gè)部分。首先對所使用的相關(guān)協(xié)議作一簡單介紹，然后分別詳細(xì)闡述軟件四個(gè)組成部分的功能及實(shí)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(wù)的技術(shù)，是目前極具發(fā)展前景的一種接入技術(shù)。ADSL接入技術(shù)中，核心的是PPPoE協(xié)議。

　　PPPoE（Point To Point Protocol Over Ethernet）是以太網(wǎng)上傳送PPP數(shù)據(jù)包的協(xié)議，它提供了在廣播式的網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）中多臺(tái)主機(jī)連接到遠(yuǎn)端的訪問集中器（我們對目前能完成上述功能的設(shè)備為寬帶接入服務(wù)器）上的一種標(biāo)準(zhǔn)。PPPOE協(xié)議共包括兩個(gè)階段，即PPPOE的發(fā)現(xiàn)階段（PPPOE Discovery Stage）和PPPOE的會(huì)話階段（PPPOE Session Stage）。在發(fā)現(xiàn)（Discovery）過程中，用戶主機(jī)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(wǎng)MAC地址。然后選擇需要連接的主機(jī)并確定所要建立的PPP會(huì)話識(shí)別標(biāo)號(hào)。在會(huì)話階段，用戶主機(jī)與接入集線器根據(jù)在發(fā)現(xiàn)階段所協(xié)商的PPP會(huì)話連接參數(shù)進(jìn)行PPP會(huì)話。依次進(jìn)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(xiàng)之后，就可以進(jìn)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(gè)重要組成模塊

　　（1）本地串口配置軟件模塊

　　接收PC機(jī)通過RS232串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器的MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，還包括需要連接的遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址、端口號(hào)等信息，同時(shí)還有ADSL撥號(hào)上網(wǎng)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(chǔ)在它內(nèi)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(hào)連接軟件模塊

　　按照PPPoE協(xié)議，初始化IP2022網(wǎng)絡(luò)處理器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，選擇PPP協(xié)議的各項(xiàng)參數(shù)，使用有效的ADSL用戶名和密碼連接到Internet網(wǎng)絡(luò)上，如果一次未能連接上，則延時(shí)后自動(dòng)重連，直到連上為止；若由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或遠(yuǎn)程主機(jī)故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接斷開，則需要延時(shí)后繼續(xù)嘗試連接。此軟件模塊主要就是負(fù)責(zé)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(shè)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(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，當(dāng)一個(gè)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(wǎng)絡(luò)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(hào)，IP2022開辟一定大小的存儲(chǔ)空間成功后，判斷DSP發(fā)來的請求信號(hào)，并反饋一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，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(huì)等待IP2022的確認(rèn)接收完成信號(hào)。這樣的交互過程可以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠地通過SPI口傳輸。其時(shí)序圖如圖3。



　�。�4）TCP層數(shù)據(jù)傳輸軟件模塊

　　系統(tǒng)撥號(hào)連接到Internet之后，根據(jù)遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址和端口號(hào)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(wǎng)絡(luò)上，否則釋放tcp_socket占用的內(nèi)存空間并將其刪除，延時(shí)后再次新建tcp_socket并請求建立TCP連接，如此反復(fù)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(rèn)連接斷開后，自動(dòng)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(yuǎn)程主機(jī)。

　　系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。



　　總結(jié)

　　經(jīng)過實(shí)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(shí)時(shí)處理視頻圖像，對于視頻質(zhì)量的評測，我們采用Foreman序列作為固定的視頻源輸入進(jìn)行相應(yīng)的測試，圖像質(zhì)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(shí)測的幀率統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。