基于無線公網(wǎng)的廣播級(jí)視音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無線公網(wǎng)的廣播級(jí)視音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的廣播通信方式，如衛(wèi)星、微波、光纖等，存在成本高、系統(tǒng)龐大、操作復(fù)雜等問題。在具體工作中，需要許多經(jīng)過培訓(xùn)的專家和技術(shù)人員進(jìn)行操作，這很難滿足快速傳輸?shù)男枨?。隨著移動(dòng)通信和寬帶無線接入技術(shù)的迅猛發(fā)展,通過無線公網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)變得更加容易。視音頻信號(hào)一旦轉(zhuǎn)換成多媒體數(shù)據(jù),只要在無線公網(wǎng)的覆蓋區(qū)內(nèi),記者就能隨時(shí)隨地傳輸采集到的視音頻信號(hào)。但是,目前的廣播級(jí)攝像機(jī)都沒有配置無線網(wǎng)絡(luò)傳輸接口,不能通過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸信號(hào)。本文提出了一種基于無線公網(wǎng)的廣播級(jí)視音頻傳輸系統(tǒng),通過視音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換編碼,采用同時(shí)接入多個(gè)商用無線網(wǎng)絡(luò)的方法,對(duì)視音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行并發(fā)傳輸,從而能保證實(shí)時(shí)地將視音頻信號(hào)傳送回電視臺(tái),提高電視節(jié)目的時(shí)效性。1系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)1.1實(shí)現(xiàn)嵌入式編碼設(shè)備本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是將攝像機(jī)采集的實(shí)時(shí)視音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過高質(zhì)量壓縮編碼,通過無線公網(wǎng)傳輸發(fā)送回電視臺(tái),使得電視臺(tái)能接近實(shí)時(shí)地播放攝像機(jī)所采集的視音頻信號(hào)。由于此系統(tǒng)前端設(shè)備要滿足移動(dòng)便攜的要求,因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)既有高質(zhì)量又有高效率的編碼器,計(jì)算復(fù)雜度要滿足嵌入式處理器計(jì)算能力的要求,解決計(jì)算能力和編碼實(shí)時(shí)性的矛盾。另外,如何充分利用WiFi,3G(WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA)這些無線多接入資源,即WiFi和3G的單接入和多重接入技術(shù)并存時(shí),如何管理無線資源、保證服務(wù)質(zhì)量和負(fù)載均衡等,從而達(dá)到視音頻信號(hào)實(shí)時(shí)高速的傳輸要求,也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。1.2系統(tǒng)總體架構(gòu)基于無線公網(wǎng)的廣播級(jí)視音頻傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景是將攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集的視音頻信號(hào)經(jīng)過高質(zhì)量壓縮編碼,通過無線公網(wǎng)快速優(yōu)質(zhì)地傳輸發(fā)送回電視臺(tái)。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示,其工作原理為:視音頻信號(hào)由專業(yè)攝像機(jī)采集后,輸入到廣播級(jí)視音頻編碼和無線傳輸設(shè)備,在傳輸設(shè)備中進(jìn)行壓縮編碼和傳輸適配,經(jīng)過一路或多路無線傳輸通道(3G,WiFi)進(jìn)行傳輸,在接收端服務(wù)器處進(jìn)行鏈路數(shù)據(jù)匯聚,合成一路數(shù)據(jù)流后解碼輸出。系統(tǒng)主要由廣播級(jí)視音頻編碼和無線傳輸設(shè)備(發(fā)送端)、解碼器(接收端)和服務(wù)器鏈路匯聚軟件(接收端)3個(gè)模塊組成。發(fā)送端包括視音頻編碼和無線傳輸2個(gè)部分。視音頻編碼部分的實(shí)現(xiàn)以硬件為主,需要研發(fā)高效低成本的廣播級(jí)視音頻編碼硬件平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)視音頻信號(hào)的高質(zhì)量壓縮編碼;無線傳輸部分的實(shí)現(xiàn)基于嵌入式平臺(tái),以軟件為主,需要合理分配各個(gè)接入鏈路上的負(fù)載,以達(dá)到帶寬資源利用最大化,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高速視音頻傳輸。接收端需要研發(fā)服務(wù)器鏈路匯聚軟件和硬件解碼器。2硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件平臺(tái)包括發(fā)送端和接收端2個(gè)組成部分。2.1sds-arm首先,SDIInterface的GS2971負(fù)責(zé)將攝像機(jī)輸出的SDI信號(hào)轉(zhuǎn)化為YUV信號(hào)。視音頻編碼采用FujitsuMB86H56高清H.264編碼芯片,實(shí)現(xiàn)高清H.264編碼功能。MB86H56是新型大規(guī)模集成電路,可支持全高清視頻(1920×1080)的H.264格式下的編、解碼,且具有超低功耗,在進(jìn)行全高清編碼時(shí),包含內(nèi)置存儲(chǔ)器的功耗總共僅為500mW,從而使得使用該芯片的便攜式設(shè)備在保持高畫質(zhì)的同時(shí)能獲得更長(zhǎng)的連續(xù)工作時(shí)間。另外,MB86H56還可支持60f/s(幀/秒)逐行掃描的處理速度,從而進(jìn)一步提升了圖像畫質(zhì)。MB86H56的輸入采用符合SMTPE標(biāo)準(zhǔn)的YUV信號(hào),輸出則是編碼后的TS流。FPGA則是作為TS流的緩存,負(fù)責(zé)將TS流提供給S3C2440主控ARM芯片。發(fā)送端支持4路以上無線接入,鏈路接入設(shè)備采用成熟的3G上網(wǎng)卡和WiFi上網(wǎng)卡。發(fā)送端無線傳輸?shù)目刂朴扇荢3C2440芯片完成,ARM芯片從FPGA獲取已經(jīng)編碼的H.264TS數(shù)據(jù)流,并控制數(shù)據(jù)流通過不同的無線鏈路發(fā)送。S3C2440芯片采用ARM920T32位高性能CPU,具有獨(dú)立的16kI-Cache,16kD-Cache以及MMU單元,標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為400MHz,具有450MI/s(兆指令/秒)的運(yùn)算能力;另外,S3C2440具有NandFlash,SDRAM,SDcard,ISA,Camera,USB等多種擴(kuò)展口,具有非常強(qiáng)的擴(kuò)展能力;同時(shí)S3C2440的功耗性能也較出色,非常適合便攜式設(shè)備的應(yīng)用。3發(fā)送端方式特殊軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)多接入無線傳輸?shù)沫h(huán)境適配,解決多個(gè)接入并存時(shí),無線資源管理和調(diào)度問題。系統(tǒng)將視音頻數(shù)據(jù)流通過多條無線鏈路同時(shí)進(jìn)行傳輸,以達(dá)到較大的傳輸帶寬。發(fā)送端根據(jù)各條無線鏈路的鏈路質(zhì)量分配各條鏈路上的負(fù)載,以達(dá)到帶寬資源利用最大化。此外,發(fā)送端采用特殊的處理,讓條件較好、發(fā)送速度較快的鏈路幫助鏈路條件較差、發(fā)送速度慢的鏈路發(fā)送一些已經(jīng)延遲較大的數(shù)據(jù)包,避免這些延遲較大的數(shù)據(jù)包降低實(shí)時(shí)播放的效果。接收端的服務(wù)器匯聚軟件是按規(guī)則合并接收到的數(shù)據(jù)包,并重新組合成為能夠播放的視音頻數(shù)據(jù)流。3.1無線鏈路的發(fā)送發(fā)送端需要利用多塊3G和WiFi網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在發(fā)送端開始發(fā)送數(shù)據(jù)之前,先要建立無線鏈路,然后分別將每條無線鏈路連接到接收端服務(wù)器。發(fā)送端主程序的主要功能是探測(cè)是否有視音頻數(shù)據(jù)輸入,是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。若有數(shù)據(jù)要發(fā)送,發(fā)送端主程序?qū)槊織l無線鏈路創(chuàng)建一個(gè)發(fā)送子線程用來發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。發(fā)送端主程序的流程如圖4所示。3.2接收端主程序需要快速接收端可能同時(shí)收到幾個(gè)發(fā)送端的連接請(qǐng)求,因此接收端主程序需要能快速反應(yīng)。如圖5所示,接收端主程序的主要功能是反應(yīng)發(fā)送端的連接請(qǐng)求,而對(duì)請(qǐng)求的具體處理將通過創(chuàng)建的伺服線程來完成。4實(shí)際傳輸時(shí)長(zhǎng)測(cè)試系統(tǒng)支持3G和WiFi兩種無線傳輸方式,并可以通過多條3G,WiFi鏈路同時(shí)進(jìn)行傳輸,圖6是該系統(tǒng)采用中國(guó)聯(lián)通3G的華為E176G無線上網(wǎng)卡和中國(guó)電信3G的上海貝爾C810無線上網(wǎng)卡及某大學(xué)的WiFi無線校園網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行傳輸時(shí),實(shí)際測(cè)試的上傳速度、平均時(shí)延和最大時(shí)延等數(shù)據(jù)。由圖6中數(shù)據(jù)可知,3G網(wǎng)絡(luò)能支持的上傳速度較穩(wěn)定,平均延時(shí)較小,但有時(shí)會(huì)有較大的延時(shí)抖動(dòng)。WiFi網(wǎng)絡(luò)能支持的傳輸速度一般較快,但同時(shí)其抖動(dòng)也較大;在WiFi網(wǎng)絡(luò)速度較快時(shí),時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)都不大。目前的傳輸速度和時(shí)延完全支持廣播級(jí)視音頻數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用3G網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播級(jí)視音頻并發(fā)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)。5傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用該系統(tǒng)利用商用無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,使用多種類型不同方式的無線同時(shí)接入技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于無線公網(wǎng)傳輸廣播級(jí)視音頻信號(hào)的應(yīng)用。構(gòu)建的傳輸系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)得,可以并行接入多個(gè)寬帶公用無線網(wǎng)絡(luò),支持4路以上并發(fā)無線接入,可傳送不小于500kbit/s的視音頻數(shù)據(jù),在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好的條件下可傳送2Mbit/s以上的視音頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)已在多個(gè)電視臺(tái)得到應(yīng)用,在自然災(zāi)害等現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道中發(fā)揮了重要作用。發(fā)送端硬件平臺(tái)采用嵌入式平臺(tái),以ARM為核心構(gòu)建,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.2視頻解碼及輸出接收端硬件平臺(tái)由服務(wù)器和解碼器組成。服務(wù)器與公網(wǎng)對(duì)接,負(fù)責(zé)多鏈路數(shù)據(jù)的接