淺析基于嵌入式DSP的流媒體解決方案

可編程的DSP可用于實現(xiàn)各種現(xiàn)有的編解碼器和將來的編解碼標準。目前的趨勢是每兩年就會發(fā)布新的編解碼標準，每個新標準會需要更多的DSP周期。因此，選擇具有兼容性發(fā)展藍圖的DSP平臺（如ZSP）非常重要，這樣通過系統(tǒng)升級而不是重新設(shè)計即可滿足未來的系統(tǒng)要求。

多媒體將選定的所有元素（包括文字、音頻、靜態(tài)圖像、視頻和圖形）集成到單一媒體對象中。流技術(shù)（Streaming technology）可在媒體對象被讀取、收聽或者觀看的同時實時傳輸這些對象。在RealAudio公司1995年提供首個商用流媒體產(chǎn)品之前，絕大部分的互聯(lián)網(wǎng)媒體文件需要完整下載后才能播放。而現(xiàn)在，不必等到流音頻剪片（clip）下載完成才能播放，而是在傳輸?shù)倪^程中就可以回放。

流媒體數(shù)據(jù)由服務(wù)器端發(fā)送，并由客戶端接收和實時顯示。當接收緩沖器包含足以避免數(shù)據(jù)遺失的足夠多信息時，客戶端就可以開始播放音頻/視頻，以避免信息遺失。專用的多媒體服務(wù)器通常用于實施基于網(wǎng)絡(luò)的流傳輸。多媒體服務(wù)器可以連續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)，而不會出現(xiàn)爆發(fā)式傳輸和長時間的停滯，所以在回放開始之前，客戶端只需要很少的緩沖數(shù)據(jù)。

業(yè)已出現(xiàn)在嵌入式DSP上的音頻/視頻壓縮算法是提供流傳輸所需實時性能的關(guān)鍵。由于它們具有對數(shù)字數(shù)據(jù)進行編碼和解碼的能力，此類算法被稱為編解碼器。

雖然流傳輸通常與分布式計算機網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系最為密切，但是其它形式的數(shù)字通訊同樣需要流傳輸。數(shù)字音頻廣播（如DRM、XMSR、Sirius Satellite Radio）、數(shù)字廣播電視（如Direct TV、韓國的T-DMB）、3GPP手機和藍牙手機等均需要使用編解碼器，以滿足流傳輸要求。此外，編解碼器在存儲壓縮等非流傳輸應(yīng)用中也是非常有用的。

標準化的編解碼器提供最高度的互通性。流傳輸音頻標準有：MPEG1/2、Layer 3（MP3）、數(shù)字杜比AC-3、MPEG2 AAC、WMA和Ogg Vorbis。通用的視頻壓縮標準包括MPEG2、MPEG4 SP/ASP、MPEG4 AVC/H.264和WMV。

標準音頻編解碼器

MP3：MP3原本用于表述MPEG1 Layer 3，但是日常應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)展至包含Layer 1， Layer 2以及Fraunhofer Institute所擴展的MPEG 2.5。MP3是得到最高認知度的編解碼器之一，在互聯(lián)網(wǎng)編解碼器中具有最大的用戶群。但是為達到近CD品質(zhì)音頻，對某些難應(yīng)付的內(nèi)容需要高于192kbps速率。

MPEG1、Part 3 （ISO/IEC 11172-3）：定義了雙聲道，采樣率為32、44.1或者48KHz，編碼率從32 到 384kbps的編解碼方法。此標準描述了三個相關(guān)方法：Layers I、II、和 III。Layer III提供最高的壓縮率，但是復(fù)雜度也最高。

MPEG2、Part 3 （ISO/IEC 13818-3）：對MPEG1標準提供了兩個重要的改進。首先，低比特率需求通過使“低采樣率（LSF）”擴展標準化而得到滿足。該編解碼器提供了16、22.05、和24kHz采樣率編碼方法；其次，MPEG1模式被擴展為支持上至12聲道的音頻數(shù)據(jù)。Fraunhofer的低頻率擴展，即MPEG2.5，提供了MPEG2一半的采樣頻率選擇：8、11.025和12kHz。

數(shù)字杜比（AC-3）：目前，數(shù)字杜比具有最大的多聲道編解碼用戶群。通過將多聲道整合至單一編碼對象中，數(shù)字杜比實現(xiàn)了高品質(zhì)、低復(fù)雜度音頻壓縮。盡管該算法與編碼聲道的數(shù)量無關(guān)，目前的實現(xiàn)方案已經(jīng)接受了SMPTE的建議，即采用了由5個全帶寬音頻聲道和1個用于低音的分帶寬聲道組成5.1聲道：分別為左、中、右、左環(huán)繞、右環(huán)繞和低頻擴展（LFE）。

數(shù)字杜比支持靈活的播放方式：1聲道到5.1聲道，32、44.1或者48KHz采樣率，比特率從32 到640kbps。解碼后的音頻可自動匹配播放系統(tǒng)以提供與音響配置無關(guān)的最佳品質(zhì)的音效。

aacPlus系列編解碼器：Coding Technologies公司已經(jīng)開發(fā)了一系列得到國際標準組織廣泛采用的編解碼器。MPEG2采用了AAC，以128kbps提供接近CD的品質(zhì)，即使對于特別復(fù)雜的內(nèi)容也如此。aacPlus v1被DVD論壇、DVB、Digital Radio Mondiale、3GPP2和ISMA等組織定為標準。aacPlus v2在2004年末開始商用，已被指定為3GPP中的高品質(zhì)音頻編解碼器，aacPlus v 2的所有組件都是MPEG-4音頻規(guī)范的組成部分。

AAC：aacPlus系列編解碼器均是圍繞MPEG2、Part 7（ISO/IEC 13818-7）所描述的AAC核心而建立。AAC提供8、11、12、16、22、24、32、44、 48、63、88或者96kHz的采樣率，以及高達48聲道的音頻，每個聲道比特率可高達288kbps。其定義了三個緊密相關(guān)的方案：低復(fù)雜度（Low Complexity）、Main和可伸縮采樣率（SSR）。低復(fù)雜度的AAC-LC需要非常少的處理器資源，因此通常用于嵌入式應(yīng)用中。

MPEG4、Part 3（ISO/IEC 14496-3）：為MPEG2 AAC增加了知覺噪音替代（PNS）工具，因此定義為MPEG4 AAC。PNS通過對類噪聲信號的參數(shù)化編碼，從而簡化這些信號的表達方法。不能將PNS與MPEG2、MPEG4中的時域噪聲整形（TNS）相混淆。

aacPlus V1：該編解碼器有時被稱為“高效AAC”（HE-AAC）。它整合了基本的AAC編解碼器和頻帶復(fù)制（SBR）技術(shù)。SBR是一種頻帶擴展技術(shù)，可使幾乎任何音頻編解碼器在比特率下降30％時仍能保證音質(zhì)。SBR通過使用頻帶低半部分信息加上一些編碼參數(shù)來表達頻帶的高半部分信息。SBR技術(shù)也可用于其他編解碼器，例如結(jié)合帶MP3的SBR構(gòu)成了MP3Pro編解碼器。

aacPlus V2：在aacPlus V1中增加參數(shù)化立體聲（PS）技術(shù)，形成了aacPlus V2編解碼器。PS技術(shù)使用左聲道和一些額外的編碼參數(shù)，生成右聲道，進一步降低了比特率。aacPlus V2在160 Kbps下可達到DVD5.1聲道品質(zhì)，在48Kbps可達到近CD立體聲品質(zhì)，在32 Kbps下可達到極佳立體聲效果，在24Kbps下可達到娛樂品質(zhì)立體聲效果，在低于16Kbps時可達到高品質(zhì)單聲道效果。aacPlus V2的效率使移動數(shù)字廣播新應(yīng)用成為可能。

WMA：WMA是微軟授權(quán)的Windows Media Series中一系列廣泛使用的音頻編解碼器。此系列中最新版本是WMA9、WMA9 Professional、WMA9 Lossless、WMA9 Voice 和WMA9 Variable Bit Rate（VBR）。在嵌入式應(yīng)用中，WMA9是此系列中最常見的編解碼器；提供16位/320kbps雙通道，采樣率高達48KHz?！癙rofessional”支持24位、96KHz采樣率和高達128到768kbps的7.1聲道。與數(shù)字杜比相同，解碼后的音頻可自動匹配播放系統(tǒng)，以提供和音響配置無關(guān)最佳品質(zhì)的音效。“Lossless”用于CD存檔，壓縮率在2:1和3:1之間。“Voice”用于壓縮語音至20kbps。盡管VBR對于大部分的流應(yīng)用并不理想，但WMA9和“Professional”都能以可變比特率編碼?！癓ossless”則總是使用VBR功能。

Ogg Vorbis：為無需專利費用的開放資源，具有近似于MP3的音質(zhì)?！皁gg”是容器格式，而“Vorbis”為音頻編解碼器。由于它免除了與MP3游戲音樂相關(guān)的按每游戲收取的許可費用，因此Ogg Vorbis在電腦游戲廠商中使用率日益上升。

標準視頻編解碼器

聯(lián)合視頻組（JVT）由ITU的視頻編碼專家組（VCEG）和ISO/IEC運動圖像專家組（MPEG）組成。VCEG開發(fā)自愿性標準，用于會話和非會話類音/視頻應(yīng)用的先進移動圖像編碼。MPEG開發(fā)國際標準，用于移動圖像、音頻及兩者組合內(nèi)容的壓縮、編碼、解壓縮、處理和編碼表達等，以滿足各種應(yīng)用?？傊?，JVT已經(jīng)開發(fā)了包括ITU H.262/MPEG2和H.264/MPEG4 AVC在內(nèi)的最流行的視頻標準。

PEG2 Video/H.262：MPEG2（ISO/IEC 13818-2），也被稱為ITU-T H.262，是目前消費類電子視頻設(shè)備中使用最廣泛的視頻編碼標準。MPE2視頻用于數(shù)字電視廣播：包括陸地，海底電纜和直接衛(wèi)星廣播。它能在25fps（PAL）或者30fps（NTSC）的固定幀率下達到720x576像素成像。此外，它也是DVD-V中必需的編解碼器。

MPEG4-SP/ASP：ISO/IEC 14496-2描述了MPEG4 Simple Profile（SP）/Advanced Simple Profile（ASP）。其中，SP用于下一代便攜式終端和窄帶互聯(lián)網(wǎng)。而ASP增加若干工具，編碼效率提高了1.5到2倍。他們兩個均在市場上獲得越來越多的接受。

MPEG4-AVC/ITU-T H.264：AVC是由ISO/MPEG和ITU-T聯(lián)合技術(shù)委員會開發(fā)的多媒體標準。AVC提供更高的壓縮率、更好的視頻質(zhì)量和比MPEG2更高的容錯性，有望用于互聯(lián)網(wǎng)廣播和移動通訊。

WVM/SMPTE VC-1：WMV9是微軟的多媒體標準，其特性包括支持流處理、變比特率以及與MPEG4-AVC/H.264相媲美的容錯工具。除了用于家庭電腦，WMV9目前也在電影院用于數(shù)字投影。電影中使用的編碼可以是7-12Mbps的恒定比特率CBR或變比特率VBR，并達到DVE分辨率（720x480）。

嵌入式DSP流媒體解決方案

由于一系列原因，DSP成為流媒體編解碼器的理想選擇。首先，各種不同的編解碼器和不斷變革的標準要求解決方案必須是可編程的；其次，大部分的編解碼器是運算密集型，而DSP就是設(shè)計用于高效數(shù)學(xué)運算；另外，功耗和成本是移動流傳輸中的重要考慮，而DSP內(nèi)核提供了低功耗、低成本的最佳組合。

典型的音頻/視頻流媒體系統(tǒng)通常同時使用內(nèi)部存儲器和外部存儲器。內(nèi)部存儲器是以DSP內(nèi)核時鐘速度運行的快速存儲器；外部存儲器比較慢，價格也較便宜。編解碼指令存儲于外部存儲器，但下載到內(nèi)部存儲器中執(zhí)行。由于視頻流數(shù)據(jù)量巨大，除非必須，其通常放在片外，而音頻流數(shù)據(jù)則可片內(nèi)外任意放置，還可以根據(jù)需要將一些IP模塊掛在系統(tǒng)SoC總線上。

前后兼容的DSP平臺

目前的趨勢是每兩年就會發(fā)布新的編解碼標準，每個新標準會需要更多的DSP周期。因此，選擇可按兼容性發(fā)展藍圖來演變的DSP平臺非常重要，這樣通過系統(tǒng)升級而不是重新設(shè)計即可滿足未來的系統(tǒng)要求。ZSP則提供了適應(yīng)多媒體標準不斷變革所必需的靈活性和性能。

LSI邏輯公司的ZSP產(chǎn)品部門提供全系列可綜合的軟件兼容DSP內(nèi)核，并提供廣泛的音/視頻標準代碼，產(chǎn)品發(fā)展藍圖內(nèi)的內(nèi)核是代碼兼容的。廣泛的第三方合作伙伴網(wǎng)絡(luò)確保新的標準將迅速可用?；赯SP的音/視頻系統(tǒng)可輕松地與新興的音/視頻標準相適應(yīng)。

各代（G1/G2/G3）的ZSP都基于易編程的架構(gòu)。ZSP內(nèi)核專門為低功耗應(yīng)用優(yōu)化，是個人音/視頻播放器等移動應(yīng)用的理想選擇。ZSP具有16/32位數(shù)據(jù)通道，支持高質(zhì)量音頻處理和視頻處理所需的控制性能。

G2內(nèi)核具有強大的協(xié)處理器接口，支持嵌入到內(nèi)核執(zhí)行流水線的硬件加速器。硬件加速器可以松散或者緊密地耦合于ZSP執(zhí)行流水線。緊耦合加速器可視為ZSP的指令集擴展，這使它們易于編程和使用，即使是基于C代碼。

ZSP內(nèi)核擁有卓越的編譯器，不僅支持匯編代碼的高效開發(fā)，還支持C代碼的高效編譯；再加上現(xiàn)成可用的標準代碼，保證了最快速的系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。