（光学工程专业论文）嵌入式音视频信号处理系统在网络通信中的应用.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁的专 用计算机系统。近十几年来，嵌入式系统的发展异常迅速，其应用也越来越 广泛，尤其是在网络技术蓬勃发展的今天，嵌入式系统与网络通信技术的结 合必将成为今后相当长时间内人们研究的热点问题。因此，本文适时的通过 对嵌入式音视频网络信号处理系统的研究与实现，对嵌入式应用系统设计中 的几个关键部分：m p e g - 2 压缩编码系统、基于a r m 微内核的嵌入式网络控制 系统都进行了深入的探索与研究。简而言之，本论文主要介绍了如下几个方 面的内容： ( 1 ) 嵌入式系统概述 这里主要介绍了嵌入式系统的定义、特点、发展趋势与网络连接，并提出本 论文的系统解决方案和思想方法。 ( 2 ) m p e g - - 2 音视频处理部分 这里涉及了信号的模数转换、音视频信号量化和编码以及压缩。 ( 3 ) 嵌入式网络控制部分 这里主要介绍了各个硬件的电气连接、信号的打解包过程、网络化的层次划 分以及各个硬件芯片的使用说明。 ( 4 ) 嵌入式网络设备的m a c 及i p 地址设置 这里主要介绍了把m a c 及i p 地址存放在f l a s h 等存储设备上，嵌入式操作系 统启动后，自动运行一个程序去读取h i a c 及i p 地址并设置它。 ( 5 ) 嵌入式操作系统部分及系统的o o s 分析 这里介绍了本论文所选用的u c l i n u x 系统的特点、应用以及基于u c l i n u x 的 系统开发并对系统的o o s 进行了分析。当然，随着嵌入式系统应用复杂性的 不断提高，嵌入式软件在系统中所占的比重也将不断增加，良好的软件体系 结构和合适的开发方法，对于系统开发的成功具有熏大的意义。嵌入式操作 系统是嵌入式应用系统的灵魂，它担负着任务调度与控制、任务问通信与同 步、存储管理等重要任务。嵌入式操作系统的性能和效率以及基于嵌入式操 作系统的网络开发也己经成为当今嵌入式操作系统研究的发展方向。 关键词：嵌入式系统，嵌入式操作系统，a r m ，m a c ，i p ，m p e g 一2 ，音视频 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sa na p p l i c a t i o ns p e c i f i cc o m p u t e rs y s t e mt h a t f o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o na n di ti sb a s e do nt h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y ，i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sc u t t a b l e t h ed e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e m sisv e r yf a s td u r i n gt h el a s tt e ny e a r s ，f u r t h e r m o r e ， a sa ni m p o r t a n tp a r to fe m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi s u e s e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m sm o r ea n dm o r e ，e s p e c i a l l yi ne m b e d d e d s y s t e md e v i c e sa n dn e t w o r k sd e v i c e s s o ，t h ep a p e ra d d r e s s e ss e v e r a l k e yd e s i g nt e c h n i q u e so fe m b e d d e dv i d e o a u d i oc o m p r e s s i n gs y s t e m s ， r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fm i c r ok e r n e lb a s e do na r m 7i nt i m e i ns h o r t ，al o to fa s p e c t sa r ei n v o l v e di nt h i st h e m s ，t h ef i r s t p a r ti st oa n a l y z et h ed e f i n i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，f u t u r eo fe m b e d d e d s y s t e ma n dli n kw i t hn e t w o r k a n dt h a t ，t h ep a p e rp r e s e n t sa nn e ws c h e m e b a s e do ns y s t e ma n dt h i n k i n g t h es e c o n dp a r ti st oi n a l y z et h ea d c ， c o m p r e s s i n g q u a n t i z a t i o n ，e n c o d e o ft h e a u d i o v i d e os i g n a l s p r o c e s s i n g t h et h i r dp a r ti st oa n a l y z es o f t w a r es y s y e mw i t ht h e e m b e d d e ds y s t e m t h ef o u r t hp a r ti st oa n a l y z eh o wt os e tt h ea d d r e s s o fi pa n dm a c t h ef i f t hp a r ti st oa n a l y z et h ee m b e d d e ds y s t e m sa n d o o so ft h es y s y e m ，a n ds oo i l w i t hi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so fe m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o na n d c o m p l i a c t i o no fe m b e d d e ds y s t e md e s i g n ，n o w a d a y s ，e m b e d d e ds y s t e m a p p l i c a t i o ni sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，a n de m b e d d e ds o f t e r w a r ea c t s am o r ei m p o r t a n tr o l et h a ne v e r ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e d s o f t w a r eh a sb e c o m ear e s t r i c tf a c t o ro fe m b e d d e ds y s t e md e s i g na n d e x p l o i t a t i o n ，ag o o ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds u i t a b l ed e s i g nm e t h o d i sv i t a lt ot h es u c c e s so ft h es y s t e md e s i g n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a r m ，m a c ， i p ，m p e g 一2 ，a u d i o v i d e o 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：煎：坌：至 日期：弘噼乙月2 驴日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 应用的日益普及，信息共享的程度不断提高，网络在人们 日常生活和工作中扮演的角色也越来越重要，出现的频率也越来越高，已经 成为人们生活、工作中不可缺少的部分。同时人们也希望能通过网络来实现 方便的、毫无障碍的信息交流和对一些设备的控制。这些设想在某些领域己 经开始变为现实，例如信息家电：在办公室可以控制家里带有网络功能的微波 炉；网络会议：把摄像机连到网络上，可实现异地的网络会议或网络监控； 便携设备：移动的检测仪器在检测完成后，可随时的插上网线将数据发回基地 等等。这些日常很普通的东西部希望在成本增加很少，操作十分简单，不影 响原有功能的基础上实现与i n t e r n e t 的互联。 这里提到的信息家电、便携式设备以及其它许多应用系统大多都采用的 是单片机或微控制器( m c u ) 系统通称嵌入式系统。目前国内一个普遍被认 同的嵌入式系统定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁 剪，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗都有严格要求的专 用计算机系统。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与 具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。一般而言，嵌入式系统的 构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出( i o ) 和软件，当应用系 统越来越复杂和利用的范围越来越广泛的时候，每添加一项新的功能，都可 能需要从头开始设计，没有操作系统已成为一个最大的缺点。 从上世纪8 0 年代开始，i n t e r n e t 成为社会重要的信息载体，是信息流 通的重要渠道，将这两者结合起来，把嵌入式系统连接到i n t e r n e t 上，实现 方便、低廉地与i n t e r n e t 进行信息的交流，己成为嵌入式系统今后发展的一 个重要的方向，而且也将成为今后嵌入式系统必须的功能之一。因此，对于 以m c u 应用系统为中心的中小型嵌入式设备，如何实现网络化，实现方便的 与i n t e r n e t 的信息交流，己成为当今电子通信世界中的热门话题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题的来源和主要任务 谍题来源于哈尔滨电子计算技术研究所的大屏幕音视频信号网络化传 输项目。由于信号源( p a l 电视信号) 与大屏幕距离相当远( 超过3 千米) ，使 用光纤成本太高，同样通过以太网( 最远传输距离为i 0 0 米) 传输也无法满足 系统要求，所以提出了利用互连网作为传输媒介，来完成音视频信号的网络 化传输。当然这种实现方案也同样具有一定的扩展性，可以在其它音视频信 号传输项目中得以利用。 1 3 作者的主要工作及其创新点 1 3 1 主要工作 基于课题所要完成的任务和对系统的功耗、性价比、安全性等方面的综 合考虑，所以需要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 方案的提出与论证 通过参考和阅读大量嵌入式系统设计方面的资料，借鉴了他人在嵌入式 网络信号处理方面的经验和教训，并对多种方案进行了可行性分析从而提出 了利用1 6 3 2 位处理器( $ 3 c 4 5 1 0 b 并内置了t c p i p 协议) 控制网络的物理层 芯片( r t l 8 2 0 8 ) ，来完成对数字音视频信号的网络化处理( 数字信号转换为 i p 包) 以便于实现嵌入式系统网络化的数据传输。 ( 2 ) 搭建系统的软硬件平台 要使用互连网进行信号传输，必须经过两大过程对信号进行处理：第一 过程是a d c 模数转换( 针对模拟信号来说) 和m p e g 压缩编码的预处理；第二过 程是经过预处理的信号还要在嵌入式系统内转化为i p 包，以便于在网络中传 输。 硬件方面设计： 通过对所需传输与处理的音频信号、视频信号以及控制信号的特点的分 析，从功耗、性价比以及安全性等方面考虑硬件芯片的选择。并且通过p c b 板的设计，完成电路连接和调试。这里主要涉及a d c 芯片、m p e g 芯片、控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器芯片和网卡芯片以及外围的s d r a m 和f l a s h 芯片的系统电路设计和调试。 从而为整个系统搭建硬件平台。 软件方面设计： 主要完成了各个硬件芯片的初始化软件设置，并通过操作系统提供的 a p i 接口完成信号网络化传输的驱动程序开发和基于s o c k e t 开发的与h t t p 服务器连接的下载程序。从而为整个系统的设计提供一个良好的软件平台。 ( 3 ) 系统的0 0 s 分析 通过对信号压缩编码处理部分和嵌入式网络控制部分的0 0 s 进行了分 析。信号压缩编码处理部分主要分析了提高系统的实时性问题以满足q o s 指 标；嵌入式网络控制部分主要分析了通过音视频的同步、降低信号延迟、数 据较低的丢失率、媒体控制软件等方法来解决系统的q o s 问题。 1 3 2 创新点 ( 1 ) 采用高速的1 6 ，3 2 位微控制器直接实现t c p i p 协议 这种方法的实现框图如下图1 1 所示。这种方案可以使嵌入式系统直接 与i n t e r n e t 相连，具有很大的灵活性。避免了系统需要另外增加嵌入式网关 或t c p i p 协议包芯片负责实现t c p i p 协议而带来的经济负担。通常采用网 关的方案，网关和各个嵌入式系统之间的通信同样受到距离和速度的限制。 对于过于分散的嵌入式系统而言，这种方法将很难实现，而采用高速的1 6 3 2 位微控制器直接实现t c p i p 协议则会避免此类问题。 图1 i 连接图 f 2 ) 距离传输的无限性 由高速处理器控制网卡芯片，实现数据的网络化传输。其中借助于互连 网作为传输媒介，可以极大的拓展传输距离，这样可以在很大程度上降低专 用线路传输的成本。由于网卡芯片带有无线接口和u s b 接口，因此在一些特 殊场合，比如说机场等公共场所进行数据实时发送，此系统也会得到很好的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用。 ( 3 ) 良好的扩展性 本系统采用的通信协议是标准的t c p f l p 协议具有良好的兼容性，硬件芯 片的选择也具有一定的通用性，系统的升级也只需要对软件进行更新，不需 要对系统硬件进行更改，因此本系统可大大降低成本，具有极高的性价比。 ( 4 ) 基于v c _ 卜+ 和s o c k e t 实现与h t t p 服务器通话 传统意义上的嵌入式系统实现与网络连接，其实仅仅体现在可以发送和 接受简单的t c p a p 数据包，并没有能与高层( 比如应用层等) 实现互连互通， 因此本设计就是在此方面做了一些工作，具体的说就是：通过创建一个简单 的浏览器，来说明通过s o c 玎、v c + + 和基于h t t p 协议实现h t t p 客户 应用程序。 ( 5 ) 嵌入式网络设备的i p 地址和m a c 地址设置 本论文嵌入式网络设备系统的m a c 及i p 地址设置的基本思想是：把m a c 及i p 地址存放在f l a s h 的未用扇区( 一般在高扇区) ，嵌入式操作系统启动 后，自动运行一个程序去读取m a c 及i p 地址并设置它。用户如何把m a c 及 i p 地址放到f l a s h 中? 作者使用的方法是通过计算机串口与网络设备r s 2 3 2 接口( 即串口) 相连，使用超级终端的方式，运行网络设备中的程序把数据 写入f l a s h 中。针对m a c 及i p 地址的设置，作者编了以下两个运行于嵌入式 操作系统u c l i n u x 上的程序：m y l p ( 处理i p 地址的设置) 和m y m a c ( 处理m a c 地址的设置) 。 1 4 论文的主要内容和安排 本论文集中研究了嵌入式音视频系统的硬件设计、m p e g 一2 标准及实现、 嵌入式操作系统的引入和编译、软件驱动程序的编写，同时对标准t c p i p 协议和系统的q o s 进行了详细分析，从而实现了嵌入式音视频系统与网络的 互联。并设计出了一套音视频传输系统来验证方案的可行性。论文的主要内 容安排如下： 第l 章介绍了课题的来源与研究背景，嵌入式系统的定义、特点和发展趋向， 特别是提出了i n t e r n e t 与嵌入式系统的结合，这也将成为今后和未来发展的 方向。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章介绍了系统原理和设计方法以及从网络层次的高度说明了信号传输的 过程和实现方法。 第3 章介绍了音视频信号压缩编码部分的电路设计和软件编程，说明了如何 实现信号的压缩、量化和编码。 第4 章介绍了嵌入式网络系统部分的基本特性及其p c b 板设计，从电路方面 说明了嵌入式系统部分的网络信号处理过程和具体实现。 第5 章介绍了嵌入式网络设备的m a c 及i p 地址设置，从而可以在网络的高度 去识别嵌入式系统。 第6 章介绍了具有嵌入式特性的u c l i n u x 系统，并且编写了系统调试程序。 第7 章介绍了实现本设计所必须的部分软件初始化和信号传输的驱动程序代 码。 第8 章介绍了对嵌入式系统的q o s 进行分析，以此来改进和提高设计水平。 最后介绍了本论文的总结。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 系统原理图 第2 章系统的原理设计 1 2 c 总线 k 信号压缩编码处理系统一嵌入式网络控制系统_ - 图2 1 系统原理图 2 2 本设计中信号处理过程 ( 1 ) 模拟音视频信号经过a d c 变换为数字音视频信号。 ( 2 ) 数字音视频信号经过m p e g 系统进行量化、压缩编码和复用。 ( 3 ) 经过m p e g 预处理的信号进入$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片内，由于芯片内嵌入了 u c l i n u x 操作系统，且自带t c p i p 网络协议，因此在$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片内完成 对信号的打包解包过程( 也就是给信号加上去除i p 头和t c p 或u d p 头的过 程，以便于在网络上传输) 。同时由于$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片内嵌了一个m a c 控制器 和以太网控制器而没有以太网的接入通道，所以带有网络标识的数据包也被 加入m a c 地址( 芯片的物理地址) ，而转变为数据链路帧。 ( 4 ) 由于$ 3 c 4 5 l o b 芯片内嵌了以太网控制器而没有以太网的接入通道，所以 r t l 8 2 0 8 是作为网络传输中的物理层接口芯片而存在，且具有以太网接口， 因此r t l 8 2 0 8 主要完成对数据链路帧的编码、发送、接收和载波侦听功能。 6 一一堕鲨登垄：l ：圭= | ：垡兰盗一一一 ( 5 ) 经过编码的数据信号( i o m 传输的是n r z 码，1 0 0 m 传输是曼彻斯特码) 经过 网络隔离变压器由r j 4 5 接入网络，而达到在网络上传输的目的。 2 3 实现本系统的网络层次功能 本论文设计嵌入式系统部分涉及了o s i 开放系统互联模型的几个层：物 理层( 对应于r t l 8 2 0 8 芯片) 、数据链路层( 对应于$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片) 、网络层和 传输层等。数据在传输中所经过的网络层次如下所示： 图2 2 信号传输的网络层次 由于u d p 数据包的特点，所以本设计中的音视频数据由u d p 数据包进行封装。 由此可见，网络中的数据格式中由外到内依次为：以太网帧、i p 分组、u d p 报文及数据，如下图2 3 所示： i 坠查旦塑茎l ! ! 垫兰e ! 堕塑塞墨墼塑i 坠查塑塑星l 图2 3 网络中的数据格式 物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基 准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。数据链路层则 提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标 准的数据接口等功能。 数据链路层的芯片一般简称为m a c 控制器，物理层的芯片我们简称为p h y ， 这里采用的p h y 接口芯片为r t l 8 2 0 8 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) m a c 功能 首先我们明确m a c 的功能。以太网数据链路层其实包含m a c ( 介质访问控 制) 子层和l l c ( 逻辑链路控制) 子层。m a c 的作用不但要实现m a c 子层和l l c 子层的功能，还要提供符合规范的界面以实现和c p u 的数据交换。 m a c 收到i p 数据包( 或者其他网络层协议的数据包) 后，将之拆分并重新 打包成最大1 5 1 8 b y t e ，最小6 4 b y t e 的帧。这个帧里面包括了目标m a c 地址、 自己的源m a c 地址和数据包里面的协议类型( 比如i p 数据包的类型用8 0 表 示) 。最后还有一个4 b y t e 的c r c 码。 可是目标的m a c 地址是哪里来的昵? 这牵扯到一个a r p 协议( 介乎于网络 层和数据链路层的一个协议) 。第一次传送某个目的i p 地址的数据的时候， 先会发出一个a r p 包，其m a c 的目标地址是广播地址，里面说到：“谁是 x x x x x x x x x x x x 这个i p 地址的主人? ”因为是广播包，所有这个局域网的 主机都收到了这个a r p 请求。收到请求的主机将这个i p 地址和自己的相比较， 如果不相同就不予理会，如果相同就发出a r p 响应包。这个i p 地址的主机收 到这个a r p 请求包后回复的a r p 响应里说到：“我是这个i p 地址的主人”。 这个包里面就包括了他的m a c 地址。以后的给这个i p 地址的帧的目标m a c 地址就被确定了。 i p 地址和m a c 地址之间的关联关系保存在控制系统里面，叫做a r p 表， 由驱动程序和操作系统完成。收到数据帧的时候也是一样，做完c r c 以后， 如果没有c r c 校验错误，就把帧头去掉，把数据包拿出来通过标准的接口传 递给驱动和上层的协议栈，最终正确的达到我们的应用程序。还有一些控制 帧，例如流控帧也需要m a c 直接识别并执行相应的行为。 由于本设计中的a r m 7 中已经固化了m a c 控制器，所以m a c 另外一端就接 到p h l 芯片上。p h y 芯片又包括m i i g m i i ( 介质独立接口) 子层、p c s ( 物理编 码子层) 、p m a ( 物理介质附加) 子层、p m d ( 物理介质相关) 子层、m d i 子层。而 p h y 芯片是实现物理层的重要功能器件之一，实现了前面物理层的所有的子 层的功能。 ( 2 ) 网络传输的流程 p h y 在发送数据的时候，收到m a c 过来的数据( 对p h l 来说，没有帧的概 念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是c r c ) ，每4 b i t 就增加 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i b i t 的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规 则( 1 0 b a s e d t 的n r z 编码或l o o b a s e d t 的曼彻斯特编码) 把数据编码，之后 把数据送出去，接收数据时的流程反之。 p h y 还有个重要的功能就是实现c s m a c d 的部分功能。它可以检测到网 络上是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲， 再等待一个随机时间后将送数据出去。如果两块网卡碰巧同时送出了数据， 那样必将造成冲突，这时候，冲突检测机构可以检测到冲突，然后各等待一 个随机的时间重新发送数据。这个随机时间很有讲究的，并不是一个常数， 在不同的时刻计算出来的随机时间都是不同的，而且有多重算法来应付出现 概率很低的两台主机之间的第二次冲突。 p h y 不断发出的脉冲信号检测到对端有设备，它们通过标准的“语言” 交流，互相协商并确定连接速度、双工模式、是否采用流控等。 通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的 双工模式。 ( 3 ) p h y 的输出部分 现在来了解p h l 的输出部分。一颗c m o s 芯片工作的时候产生的信号电平 总是大于0 v 的( 这取决于芯片的制程和设计需求) ，但是这样的信号送到1 0 0 米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部网线直接和芯 片相连的话，电磁感应( 打雷) 和静电，很容易造成芯片的损坏。 再就是设备接地方法不同，电网环境不同会导致双方的o v 电平不一致， 这样信号从a 传到b ，由于a 设备的o v 电平和b 点的o v 电平不一样，这样 会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。我们如何解决这个问 题呢? 这时就出现了t r a n s f o r m e r ( 隔离变压器) 这个器件。它把p h y 送出来的 差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦 合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和p h y 之间没有物理上的连接而 传递了信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0 v 电平的设备中传送 数据。 隔离变压器本身就是设计为耐2 k v 一3 k v 的电压的。也起到了防雷感应保 护的作用。一些网络设备在雷雨天气时容易被烧坏，大都是p c b 设计不合理 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 造成的，而且大都烧毁了设备的接口，很少有芯片被烧毁的，就是隔离变压 器起到了保护作用。 ( 4 ) 关于传输介质 隔离变压器本身是个被动元件，只是把p h y 的信号耦合了到网线上，并 没有起到功率放大的作用。那么信号的传输的晟长距离是谁决定的昵? 传输最大距离和与对端设备连接的兼容性主要是p h y 决定的。但是可以 将信号送出超过i 0 0 米的p h y 其输出的功率也比较大，更容易产生e m i 的问 题。这时候就需要合适的t r a n s f o r m e r 与之配合。 r j 一4 5 的接头实现了网卡和网线的连接。它里面有8 个铜片可以和网线 中的4 对双绞( 8 根) 线对应连接。其中1 0 0 m 的网络中1 、2 是传送数据的，3 、 6 是接收数据的。1 、2 之间是一对差分信号，也就是说它们的波形一样，但 是相位相差1 8 0 度，同一时刻的电压幅度互为正负。这样的信号可以传递的 更远，抗干扰能力强。同样的，3 、6 也一样是差分信号。 网线中的8 根线，每两根扭在一起成为一对。制作网线的时候，一定要 注意要让l 、2 在其中的一对，3 、6 在一对。否则长距离情况下使用这根网 线的时候会导致无法连接或连接很不稳定。 现在新的p h y 支持a u t om d i x 功能( 也需要t r a n s f o r m e r 支持) 。它可以 实现r j 一4 5 接口的1 、2 上的传送信号线和3 、6 上的接收信号线的功能自动 互相交换。有的p h y 甚至支持一对线中的正信号和负信号的功能自动交换。 这样我们就不必为了到底连接某个设备需要使用直通网线还是交叉网线而费 心了。 ( 5 ) p h y 和m a c 之间如何进行沟通 下面说明一下p h y 和m a c 之间是如何传送数据和相互沟通的。通过i e e e 定义的标准的m i i g i g a m i i ( m e d i ai n d e p e n d e di n t e r f a c e 介质独立界面) 界 面连接m a c 和p h l 。这个界面是i e e e 定义的。m i i 界面传递了网络的所有数 据和数据的控制。 而m a c 对p h y 的工作状态的确定和对p h y 的控制则是使用s m i ( s e r i a l m a n a g e m e n ti n t e r f a c e ) 界面通过读写p h y 的寄存器来完成的。p h y 里面的部 分寄存器也是i e e e 定义的，这样p h y 把自己的目前的状态反映到寄存器里面， m a c 通过s m i 总线不断的读取p h y 的状态寄存器以得知目前p h y 的状态，例 如连接速度，双工的能力等。当然也可以通过s m i 设置p h y 的寄存器达到控 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制的目的，例如流控的打开关闭，自动协商模式还是强制模式等。 可以看到，不论是物理连接的m i i 界面和s m i 总线还是p h y 的状态寄存 器和控制寄存器都是有i e e e 的规范的，因此不同公司的m a c 和p h y 一样可以 协调工作。当然为了配合不同公司的p h y 的自己特有的一些功能，驱动需要 做相应的修改。 2 ，4 音频和视频信号流的网络参数要求 本设计中在物理层和数据链路层之上，信号传输所涉及的主要是网络层 和传输层的一些协议。t c p 和u d p 是迥异的传输层协议，被设计为做不同 的事情。二者的共性是都使用i p 作为其网络层协议。t c p 和u d p 之间的主 要差别在于可靠往。t c p 是高度可用的，而u d p 是一个简单的、尽力数据 报转发协议。这个基本的差别暗示t c p 更复杂，需要大量功能开销，然而 u d p 是简单和高效的。 u d p 经常被认为是不可靠的，因为它不具有任何t c p 的可靠性机制。 u d p 不可靠，是因为其不具有t c p 的接收应答机制、乱序到达数据的顺序 化，甚至不具有对接收到损坏报文的重传机制。也就是说u d p 不保证数据不 受损害地到达目的端，因此，u d p 最适合于小的发送( 也就是单独的报文) ， 对于数据分成多个报文且需要对数据流进行调节的情况，t c p 更适合。有必 要对u d p 的不可靠性和u d p 的优点作一折衷。u d p 是小的、节约资源的传 输层协议。它的操作执行比t c p 快得多。因此，它适合于不断出现的和时间 相关的应用如i p 上传输语音和实时的视频信号。 由于以太网帧最大传输长度( m t u ) 为1 5 1 8 字节，m a c 头和尾为1 4 字节 以及8 个字节的l l c 头。这样i p 数据分组最大传输长度( m t u ) 为1 4 9 6 个字 节，i p 头为2 0 个字节，这样u d p 最大传输长度( m t u ) 为1 4 7 6 个字节，u d p 头为8 个字节，所以在网络中数据部分最大传输长度( m t u ) 蔓31 4 6 8 个字节。 因为压缩后的音频码速率为9 6 k b p s ，即为6 k b s ，所以每6 0 个字节封装 在一个u d p 中，每秒需要1 0 3 个u d p 数据包。 同理压缩后的视频码速率为4 3 2 m b p s ，即为0 2 7 m b s ，所以每1 4 6 8 个 字节封装在一个u d p 中，每秒需要1 8 7 个u d p 数据包。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本童小结 本章重点讨论了本论文设计的思想方法，给出了系统解决方案和网络参 数要求，介绍了基于网络的m a c 层和p h y 层的功能及其实现。并且说明了整 个系统信号传输过程和信号变换，从而引出了嵌入式信号处理系统与网络的 联系，为后续章节的叙述做了有利的铺垫。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章信号压缩编码处理系统设计 3 。1a d c 部分设计 音视频编解码部分( a d o 主要完成模拟信号到数字信号的转换处理， 以便后面进行压缩和编码处理。 ( 1 ) 模拟电视信号数字化 模拟电视信号数字化的步骤是取样( s a m p l i n g ) 、量化( q u a n t i z a t i o n ) 和编码 化o d i n g ) 。根据n y q u i s t 定理，取样频率必须大于信号带宽的两倍，才能从取 样信号中完全恢复原信号。本设计对p a l 制电视信号进行数字化时的取样频 率采用彩色副载波的四倍，即1 3 5 m h z 。取样频率必须与副载波连锁，这是 为了避免因差拍而产生干扰，从而减少复原图像的噪声。通过取样，把模拟 信号变为时间上离散的脉冲信号。这些脉冲信号的幅度仍然是模拟的，因此 还必须对模拟幅度进行离散纯处理，才能用数码来表示其幅值。这种对幅值 进行分级，并按每级进行舍零取整的过程叫作量化。把量化后的信号，转换 成数字编码脉冲，这一过程被称为编码。然后用1 6 个比特的二进制码来表示 已经量化了的取样值。每一个二迸制数字字节对应一个量化值，再经过排列 后得到由脉冲组成的数字信息流。整个过程如图3 1 所示。 ni 1 _ 1n nn 0 0 0 00 0 0 10 0 1 0 1 1 1 l 图3 1 视频采样量化编码图 这一串数字信息流在d a 转换中，通过相反的过程，重新组成原来的取样值， 再通过低通滤波器恢复原信号。通过a d 变换而获得脉冲串频率等于取样频 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率与量化比特数的乘积，被称为传输数字信号的数码率。本设计使用p a l 制 电视视频信号( 带宽为3 m h z 左右) ，信噪比为3 0 d b ，取样频率为4 倍副载波， 即1 3 5 m h z ，量化比特数为1 6 ，则编码后的数码率就是1 3 5 x 1 6 = 2 1 6 m b p s 。 香农定理：c = b1 0 9 。( i + s n ) ( 3 - - 1 ) 式中c - - - 信道容量，b i t s ；s - - - 信号功率，w ； b - - - 带宽，m h z ； n 一噪声功率，w ； 信噪比：p = i oi g ( s n )( 3 2 ) 式中s - - 一信号功率，w ：n - - - 噪声功率，w ； p _ 一信噪比，d b ； 由式( 3 1 ) 可得b = c 1 0 9 ：( i + s n )( 3 3 ) 所以由( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式可计算出a d 转换后视频信号所需带宽为2 1 8 m h z 。 当然，取样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需要传输设施的 带宽则越宽。 视频转换芯片常用的有s a a 7 i 1 3 和s a a t l l 4 等。本方案中采用p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 4 。s a a 7 1 1 4 有六路模拟输入，内置模拟源选择器可构成 6 c v b s 、2 y c 、2 c v b s 、l y c 和4 c v b s ；两路模拟预处理通道，内 有抗混迭滤波器：c v b s 或y c 通道含完全可编程静态增益控制或自动增益控 制功能，对c v b s 、y c 通道可进行自动钳位控制；能自动检测5 0 6 0 h z 场频， 并可自动在p a l 和n t s c 制式进行切换；能将p a l 、n t s c 和s e a m 信号解码及 模数变换得到符合i t u 一6 0 1 i t u 一6 5 6 的数字电视信号，支持的信噪比为 3 0 d b 。该芯片是目前视频解码芯片中接收视频源的宽容性及视频解码图像质 量最好的一种。其通过1 2 c 接口，进行初始化设置。 ( 2 ) 音频信号的数字化 数字音频的质量取决于a d 与d a 变换的准确性。人耳的特点是：它能感 觉极微小的声音失真而且又能接受巨大的动态范围。由于这个特点，它对变 换过程中所要求的精确度远高于视频的要求。唯一方便之处就是频带较狭。 数字化的第一步是取样。取样时要有一个等幅的脉冲串，音频信号对脉冲串 进行幅度调制，如图3 2 、3 3 所示： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 舢b 图3 2 等幅取样标准值图3 3 脉冲串进行幅度调制 取样频率选在二倍于2 0 k h z 附近，使用的是4 8 k h z ，要求信噪比为9 0 d b 。量 化比特数为1 6 ，则编码后的数码率就是4 8 k x l 6 = 7 6 8 k b p s 。由( 3 2 ) 和( 3 3 ) 式可得a d 转换后音频信号所需带宽为2 4 3 k h z 。电视伴音信号的取样频 率又必需与图像扫描频率连锁，因此所取数值略有出入。音频解码部分考虑 到成本，本系统采用b u r r b r o w n 公司的p c m l 8 0 0 e 。该芯片是双声道单片 型1 6 位a d c 单+ 5 v 电源供电，提供信噪比为9 0 d b ( 典型值) 。内嵌高通滤 波器，支持四种接口方式和四种数据格式。其采样频率为3 2 k h z 、4 4 1 k h z 和4 8 i ( h z 可选。本系统的采样频率为4 8 k h z 。所以该芯片可以满足要求。 3 2m p e g 介绍 3 2 1 概述 m p e g 是运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的简称，其任 务是制定世界通用的视音频编码标准。专家组基于帧内图像相邻像素问及相 邻行间的空间相关性和相邻帧问运动图像的时间相关性，采用压缩编码技术， 将那些对人眼视觉图像和人耳听觉声音不太重要的东西及冗余成分抛弃，从 而缩减了存储、传输和处理的数据量，提高了频谱资源利用率，制定了一系 列m p e g 标准，使数字化正在变为现实。其中，m p e g 一2 是一组用于音视频压缩 编码及其数据流格式的国际标准。它定义了编解码技术及数据流的传输协议； 制定了m p e g - 2 解码器之间的共同标准( m p e g 一2 编码器之间尚无共同标准) 。 本文以m p e g 一2 的系统定义、m p e g 一2 的编码及m p e g - 2 的应用为题，讨论了 m p e g 一2 压缩编码系统的设计。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2m p e g 一2 系统定义 m p e g - 2 系统是将视频、音频及其它数据基本流组合成一个或多个适宜于 存储或传输的数据流的规范，由下图3 4 所示，在视频e s 中还要加入一个节 目时钟基准p c r ，然后，再分别通过各自的数据包形成器，将相应的e s 打包 成打包基本流( p e s ) 包，并由p e s 包构成p e s 。最后，节目复用器和传输复 用器分别将视频p e s 和音频p e s 组合成相应的节目流( p s ) 包和传输流( t s j 包，并由p s 包构成p s 和由t s 包构成t s 。显然，不允许直接传输p e s ，只允 许传输p s 和t s ；就本系统而言p s 或t s 还要封装在i p 包内，以便与在网绍 中传输。 图3 4m p e g 2 系统框图 3 2 3p s 、t s 和p e s 的组成和联系 根据数字通信信息量可以逐段传输的机理，将已编码数据流在时间上以 一定重复周期结构分割成不能再细分的最小信息单元，这个最小信息单元就 定义为数据包，几个小数据包( d a t ap a c k e t ) 又可以打包成大数据包( d a t p a c k ) 。用数据包传输的优点是：网络中信息可占用不同的连接线路和简单 暂存；通过数据包交织将多个数据流组合( 复用) 成一个新的数据流；便于 解码器按照相应顺序对数据包进行灵活地整理。从而，数据包为数据流同步 和复用奠定了基础。因此，m p e g 一2 系统规范不仅采用了p s 、t s 和p e s 三种 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据包，而且也涉及p s 和t s 两种可以互相转换的数据流。显然，以数据包 形式存储和传送数据流是m p e g 一2 系统的要点。为此，m p e g 一2 系统规范定义 了三种数据包及两种数据流：将m p e g - 2 压缩编码的视频基本( e s e l e m e n t a r y s t r e a m ) 数据分组为包长度可变的数据包，称为打包基本流( p e s p a c k e t i z e c e l e m e n t a r ys t r e a m ) 。广而言之，p e s 为打包了的专用视频、音频、数据、 同步、识别信息数据通道。所谓e s ，是指只包含1 个信源编码器的数据流。 即e s 是编码的视频数据流，或编码的音频数据流，或其它编码数据流的统称。 每个e s 都由若干个存取单元( a u - a c c e s su n i t ) 组成，每个视频a u 或音频a u 都是由头部和编码数据两部分组成的。通过打包，就将e s 变成仅含有1 种性 质e s 的p e s 包，如仅含视频e s 的p e s 包，仅含音频e s 的p e s 包，仅含其它 e s 的p e s 包。1 个p e s 包是由包头、e s 特有信息和包数据3 个部分组成。由 于包头和e s 特有信息二者可合成1 个数据头，所以可认为1 个p e s 包是由数 据头和包数据( 有效载荷) 两个部分组成的。 包头由起始码前缀、数据流识别及p e s 包长信息3 部分构成。包起始码 前缀是用2 3 个连续“0 ”和1 个“1 ”构成的，用于表示有用信息种类的数据 流识别，是1 个8b i t 的整数。由二者合成1 个专用的包起始码，可用于识 别数据包所属数据流( 视频，音频，或其它) 的性质及序号。p e s 包长用于包 长识别，表明在此字段后的字节数。 e s 特有信息是由p e s 包头识别标志、p e s 包头长信息、信息区和用于调 整信息区可变包长的填