第四讲数字信号处理器在多媒体通信中的应用

第四讲 数字信号处理器在多媒体通信中的应用Lesson 4 Application of DSP in Multimedia Communication清华大学电子工程系 张旭东近年来多媒体技术得到了广泛的应用，在消费类和通信类产品中占据了越来越多的比重。多媒体技术得以广泛应用的一个重要基础是数字图像和数字视频的压缩编码技术的突破，使得原来无法廉价地存储、处理和传输的大数据量信息得到有效的利用。因此静止图像和视频图像的压缩编码技术，是多媒体产品中的一个非常关键的技术，也是近十多年学术和工业界非常关注的热点领越，发展非常地迅速，应用范围迅速地扩张。为了规范多媒体信息的表示，使各生产商的产品可以互相兼容，使工业界采用尽可能先进的技术，一些国际组织结合学术界和工业界的成果，制定了一系列关于多媒体应用的标准，表 1 列出了有关图像、视频和多媒体终端的几个典型标准。(表 1 转下页)表 1:一些图像、视频和多媒体信息标准（略）由于多媒体技术是发展中的新型技术，各种技术和标准的更新换代十分迅速，新标准不断出现替代旧的标准，一些标准即使没有被替换，自身也在进行不断的更新和补充，这给产品的设计带来困难。对实现一个标准的产品来说，采用专用芯片来实现往往是最经济的，但专用芯片一般不可编程。当一个标准被替换或更新后，原来的专用芯片不再可用，要重新设计新的硬件系统，因此一些多媒体产品不但更新换代十分地快，而且，后续的维护工作也非常困难。对许多应用来讲，用户希望产品的生命期长一些，某些平台能够通过软件升级进行更新换代，这就要求系统的硬件平台是可编程的。通用处理器是可编程的，但因功耗大，系统利用率不高，不太适合于专用设备的平台；而单片机和一般的嵌入式处理器因为运算能力较弱，也难以担负起可编程多媒体处理平台的任务。数字信号处理器因其运算能力强、功耗低成为可编程多媒体系统最合适的硬件平台。传统的数字信号处理器（DSP）是为一般的信号处理设计的通用接口，因此，其外围接口并不直接适用于多媒体系统的应用，但由于多媒体信号种类多，有些接口时序复杂（如模拟视频信号），利用外部可编程器件（FPGA，CPLD 等）设计的多媒体信号接口增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性，增加了系统成本。因此，为了适应多媒体应用的需要，近年一些主要的 DSP 厂家专门设计了针对多媒体应用的 DSP，称之为媒体处理器（Media Signal Processor：MSP ）。MSP 不但集成了适合于多媒体信号的各种信号接口，也设计了适用于多媒体通信的接口，并且在 CPU 内部附设了专用于视频或图像处理的辅助单元，是一种非常理想的适用于多媒体产品开发的可编程硬件平台。目前，已有多个厂家生产 MSP，其中包括 TI、Philips 和 Equator 等，并有多个系列产品问世。本文将对 TI 生产的通用 MSP 系列 DM64X 进行简要介绍，使读者了解 MSP 的基本结构和应用。MSP 也可以分为两类，一类是针对专用设备设计的，接口都已经专门化，例如 TI 针对数码相机设计的专用处理器；另一类是通用 MSP，支持比较宽的多媒体应用，基本包括了多媒体应用所需的各类接口，DM64X 就是这种通用 MSP，下文以 DM642 为例，介绍其功能。图 1是 DM642 的结构框图。图 1 TMS320DM642 结构图由图中可以看出，DM642 片上包含了如下接口：三个可配置的视频接口，可以和视频输入，输出或传输流输入无缝连接。VCXO 内插控制端口 (VIC)10/100Mbps 以太网口(EMAC)数据管理输入输出模块(MDIO)多通道音频串行端口(McASP)I2C(Inter-integrated circuit)总线 模块两个多通道有缓存的串口 (McBSPs)三个 32-bit 通用定时器用户可配置的 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 的外部存储单元接口，支持和同步或异步存储单元的连接这些接口基本上提供了设计多媒体系统所需要的外部接口。同时，DM642 还针对图像和视频处理优化其中央处理器（CPU），包括为了满足视频和图象处理的需要，采用 VelociTI 体系结构。该 MSP 还采用高级超长指令字结构，使得在一个指令周期能够并行处理多条指令。DM642 CPU 的组成部分：两个通用寄存器组(A 和 B，各 32个 32-bit 通用寄存器 )8 个功能单元 (.L1，.L2，.S1 ，.S2，.M1，.M2，.D1，.D2)两个从内存读数据的数据通道(LD1 和 LD2)两个写内存的数据通道(ST1 和ST2)两个数据地址通道(DA1 和 DA2)两个寄存器组数据交叉通道(1X和 2X)DM642 的这些功能，使得它非常合适作为多媒体硬件平台，基于它的各种应用系统已经出现或正在开发中，图 2 中，可以看到一个基于DM642 的网络视频监控终端的设计例子。图 2 远程视频监控系统原理框图此系统各单元的主要功能如下。视频采集模块：将从摄像头采集的视频流，通过解码芯片，得到原始YUV 视频流，送入 DM642 的视频端口。视频编码模块：片上可运行视频标准 H.264 编解码器。这是当前最新一代的视频编码标准，具有压缩比高，视频质量好，抗误码能力强，鲁棒性高，适宜网络传输等特点。此外，该编码器还提供性能良好的码率控制功能，能够向网络传输速率稳定的码流。网络传输模块：DM642 提供 10M/100M 以太网借口，编码模块得到的编码后码流，经过本模块，由网络传输到远程网络终端。视频回放模块：将解码器得到的实时重建视频流，通过 DM642 提供的视频接口输出，并通过编码芯片，将重建视频流转换成 NTSC/PAL 制，由电视回放，可以看到重建视频效果。嵌入式控制模块：该模块以一个 SOC 为核心，通过 PCI 总线和DM642 相连，实现一些控制功能，如实现硬盘读写、用户界面管理和对整个系统的控制工作。由于 DSP 的可编程性，本系统的核心编解码算法可以方便的进行