基于T-DMB的手機(jī)電視設(shè)計(jì)要領(lǐng)

本文概括性地討論手機(jī)電視這種嵌入式手持設(shè)備的軟硬件開發(fā)要點(diǎn)：如何設(shè)計(jì)硬件，實(shí)現(xiàn)音視頻同步，提高H.264解碼速率，并防止DMA緩沖溢出等。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)概述

　　硬件配置的選擇要綜合考慮，如CPU的處理功能關(guān)系到最終的解碼顯示效果。當(dāng)然，選擇一些高檔通用處理器，或者是專用的媒體處理器都能夠達(dá)到較好的效果，但卻增加了硬件的成本。可以在最終顯示效果和硬件的選擇上采取折中方案。目前，能接收T-DMB和DVB-H標(biāo)準(zhǔn)的芯片還不是很多，可以選擇市場(chǎng)上的一些主流芯片。本文討論的這款產(chǎn)品的硬件配置為：S3C2440A(400MHz)，64MB的SDRAM，apollo fs1110, kino2efs1026。基本可以滿足手機(jī)電視對(duì)硬件的需求。通過天線接收到的射頻信號(hào)送給射頻前端的RF調(diào)諧芯片APOLLO FS1110，主要作用是把射頻信號(hào)解調(diào)為IF(Intermediate Frequency)信號(hào)。這款芯片是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，可以接收多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，而且體積小(5.0mmx5.0mmx0.9mm)，功耗低 (80mW),擁有三個(gè)低噪聲前端放大器，涵蓋 L-Band、BandⅡ和BandⅢ三個(gè)頻段。apollo fs1110把IF信號(hào)送給kino2 efs1026，完成信源碼解碼輸出MPEG2-TS數(shù)據(jù)。kino2是一款高度優(yōu)化的基帶處理器，體積小(10mm×10mm×1.3mm)，功耗低 (100mW)，可以提供各種DMB碼率，最高可以達(dá)到1.8Mbps，片上含有R-S解碼器，可以實(shí)現(xiàn)較佳的移動(dòng)信道性能。kino2把信源碼TS碼流送給CPU，由CPU完成TS流的解復(fù)用、解碼和顯示。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

　　硬件各功能模塊描述

　　手機(jī)電視終端最終要做到支持多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段，這也是市場(chǎng)的需求。由于現(xiàn)在開展手機(jī)電視業(yè)務(wù)的三地所采用的頻段不太一樣，如北京和廣東采用了VHF Band 3，而上海采用了L- Band，因此，同一手機(jī)電視終端如果要在國(guó)內(nèi)不同地區(qū)接收手機(jī)服務(wù)，需要支持多頻段。本文討論的T-DMB采用的工作頻段是VHF 3波段和L波段，因此，要使用FS1110的BandⅢ和L-Band;而BandⅡ主要用于FM廣播。FS1110的3個(gè)高頻輸入都可以使用，頻段選擇可以由FS1026通過IIC接口來控制，同時(shí)，F(xiàn)S1110內(nèi)部寄存器的初始化也是通過此接口來完成的。

　　下游的FS1026基帶處理器模塊接收RF調(diào)諧器送過來的IF信號(hào)，最終完成信源解碼。輸出的MPEG2-TS數(shù)據(jù)支持并行和串行兩種格式。串行數(shù)據(jù)可以通過SPI接口和CPU直接連接。基帶模塊還可以通過SCP(Serial Control Port)接口和CPU進(jìn)行控制信息的交換，SCP接口和IIC接口是完全兼容的。還可以用串口(UART)和CPU進(jìn)行通信。由于有的商業(yè)DMB節(jié)目經(jīng)過服務(wù)商加擾(經(jīng)過加密)，智能卡模塊可完成解擾功能。

　　CPU的功能是通過SPI接口接收TS數(shù)據(jù)，完成音頻和視頻的解碼后顯示。數(shù)據(jù)可以通過DMA進(jìn)行緩存，然后就可以從DMA中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行解復(fù)用。 DMA方式為一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，既不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在DMA控制器的控制下進(jìn)行。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時(shí)做一點(diǎn)處理外，在傳輸過程中，CPU可以進(jìn)行其它工作。這樣，在大部分時(shí)間里，CPU和輸入/輸出都處于并行操作狀態(tài)。因此，可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。在WinCE平臺(tái)下，對(duì)DMA的操作相當(dāng)方便，驅(qū)動(dòng)開發(fā)難度不大，讀取數(shù)據(jù)就像操作普通文件一樣。只有一點(diǎn)區(qū)別，就是要防止DMA溢出。因?yàn)槠胀ㄎ募淖x取完全可控，而這里處理的是一種“實(shí)時(shí)”流，有可能發(fā)生溢出。溢出包括上溢(數(shù)據(jù)讀取過慢)和下溢(讀取過快)。和MPEG的解碼器接收端防止數(shù)據(jù)溢出的原理是一樣的，主要是由于圖像編碼的格式不一樣，發(fā)送的解碼器前端的數(shù)據(jù)速率并不是恒定的。MPEG采用流速反饋控制來控制數(shù)據(jù)溢出，使得到達(dá)音視頻解碼器的數(shù)據(jù)速率趨于恒定。對(duì)DMA的控制就簡(jiǎn)單些，用專用的一個(gè)線程讀取數(shù)據(jù)，解復(fù)用線程依據(jù)數(shù)據(jù)的多少，可以丟棄某些幀或者放慢解碼速度。不過一般還是丟幀的情況多。

　　硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)的主要問題就是高頻和電磁兼容，一般的方法是加屏蔽罩，可以把APOLLO FS1110加屏蔽罩，以減少模塊的空間干擾。當(dāng)然也可以把APOLLO FS1110、KINO2EFS1026做成外置式模塊。還可以通過優(yōu)化原理圖的設(shè)計(jì)來減少高頻的影響。因?yàn)樵韴D的好壞直接影響布局、布線的難度，以及以后板子性能的好壞。為了布局布線時(shí)能清晰地進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，以減少各個(gè)功能模塊之間的影響，設(shè)計(jì)原理圖時(shí)應(yīng)把數(shù)字、模擬和RF電路分開。但是，由于手持設(shè)備體積較小，屏蔽罩一般是必不可少的。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　T-DMB標(biāo)準(zhǔn)概述

　　T-DMB采用H.264 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，音頻采用專利費(fèi)較低的MPEG-4 比特分片算術(shù)編碼BSAC(Bit-Sliced Arithmetic Coding)或者AAC+(歐洲T-DMB采用)，圖像格式為CIF(Common Intermediate Format)(352×288)，把這些音頻和視頻碼流加上一些用戶數(shù)據(jù)，經(jīng)過MPEG-4 SL(Sync Layer)同步層打包和MPEG-2 TS(Transport Stream)復(fù)用后，交給調(diào)制器調(diào)制為適宜在信道上傳播的信號(hào)發(fā)射出去。各種標(biāo)準(zhǔn)的接收端除信道解碼有較大差別，信源的解碼很相近。T-DMB系統(tǒng)發(fā)送端編碼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 T-DMB發(fā)送端編碼框圖

　　其中的MPEG-4 OD/BINFS發(fā)生器產(chǎn)生視聽對(duì)象、場(chǎng)景時(shí)空關(guān)系信息和視聽對(duì)象的描述符信息。IOD發(fā)生器產(chǎn)生視聽對(duì)象的初始信息：場(chǎng)景描述和對(duì)象描述信息。分段發(fā)生器主要收集SLP和IOD數(shù)據(jù)信息，用于產(chǎn)生和節(jié)目解復(fù)用相關(guān)的參考信息PSI(Program Specific Information)。在T-DMB的數(shù)據(jù)流中，可以通過解析PMT中的描述字段得到IOD_descriptor ,由IOD_descriptor可以得到場(chǎng)景、對(duì)象描述信息。由對(duì)象描述可以得到ES_ descriptor等信息。SL同步打包器主要負(fù)責(zé)視聽對(duì)象和輔助數(shù)據(jù)的同步。SL包經(jīng)PES打包之后，再把PES包打?yàn)門S包發(fā)送給調(diào)制器。

　　 軟件的功能描述

　　軟件的主要任務(wù)是TS流的解復(fù)用、H.264和AAC+的解碼，采用微軟的Direct Show技術(shù)開發(fā)，可以降低開發(fā)難度和開發(fā)周期。Direct Show技術(shù)是微軟提供的Windows平臺(tái)多媒體開發(fā)包，以COM為基礎(chǔ)。Direct Show使用Filter Graph的模型來管理整個(gè)數(shù)據(jù)流的處理過程。參與處理的各個(gè)功能模塊叫Filter，按功能分3類:Source、Transform、 Rendering Filter 。Source Filter主要負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)和前期的處理;Transform Filter負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和傳輸，主要是負(fù)責(zé)解碼;Render Filter負(fù)責(zé)顯示。各個(gè)Filter和應(yīng)用程序的交互靠事件通知機(jī)制來完成：Filter狀態(tài)改變時(shí)發(fā)出一個(gè)事件，由Filter Graph Manager處理或發(fā)給應(yīng)用程序。整個(gè)軟件可以分為5大功能模塊，如圖3所示。TS解復(fù)用器模塊屬于Source Filter，作用是從DMA緩沖中獲取數(shù)據(jù)，然后從TS流中解析PAT(Program Association Table)和PMT(Program Map Table)，得到相關(guān)節(jié)目的音頻和視頻數(shù)據(jù)TS包的PID(Packet Identifier)之后，就可以組合PES(Packetized Elementary Stream)包，同時(shí)還可以得到和音視頻同步相關(guān)的參數(shù)：PCR(Program Clock Reference)、CTS(Presentation Time Stamp)、DTS(Decoding Time Stamp)，最后把PES包去包頭后的ES(Elementary Stream)數(shù)據(jù)發(fā)給下游的解碼Filter。H.264和AAC+解碼模塊屬于Transform Filter，主要功能是把從上游獲取的音頻和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，把解碼得到的PU(Presentation Unit)重新排序(只有用到雙向預(yù)測(cè)時(shí)需排序)，送給下游的生成器。視頻生成器和音頻生成器模塊屬于Rendering Filter，主要完成顯示功能。如果數(shù)據(jù)格式需要轉(zhuǎn)換，可以在解碼器和生成器之間加一個(gè)具有轉(zhuǎn)化功能的Transform Filter。

　　音頻和視頻的同步

　　軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)是解決音視頻同步的問題。音視頻同步主要在 TS解復(fù)用器中解決。要想做到音頻和視頻的同步，需要用到這幾個(gè)參數(shù)：PCR、DTS、PTS。可以在TS包的調(diào)整域中得到PCR,從PES包中得到 PTS。PES包中的數(shù)據(jù)是SL包，可以從SL包頭中得到DTS。DTS是解碼時(shí)間，PTS是顯示時(shí)間。PCR是對(duì)編碼器90K時(shí)鐘的計(jì)數(shù)，它的作用是在解碼器切換節(jié)目時(shí)，提供對(duì)解碼器PCR計(jì)數(shù)器的初始值。PTS、DTS最大可能和PCR達(dá)到相同的時(shí)間起點(diǎn)，即對(duì)解碼器提供一個(gè)公共的時(shí)鐘參考，以便準(zhǔn)確地進(jìn)行音視頻的同步。PCR捕捉到和DTS數(shù)值相同的時(shí)刻，就可以進(jìn)行音視頻解碼。因?yàn)橐曨l編碼的時(shí)候用到了雙向預(yù)測(cè)，一個(gè)圖像單元被解出后并非馬上顯示，可能在存儲(chǔ)器中留一段時(shí)間，作為其余圖像單元的解碼參考，在被參考完畢后才顯示。由于聲音沒有用到雙向預(yù)測(cè)，它的解碼次序就是它的顯示次序，故對(duì)它 MPEG只提出PTS的概念，PTS就是音頻的DTS值。即：

　　DTS=PTS (1)

　　如果得不到PTS，那么按下式計(jì)算：

　　PTS=PTS_pre +Xms (2)

　　其中，PTS_pre表示前面一個(gè)AU的PTS，X是ACC+一幀的時(shí)間間隔，以ms為單位。

　　一般視頻對(duì)象分為I-VOP、B-VOP、P-VOP三種編碼類型。假設(shè)在解碼器端的VO(Video Object)輸入次序?yàn)椋?/p>

　　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10………

　　I B B P B B P B B P B B P B B I B B P........

　　由于視頻對(duì)象編碼時(shí)用到雙向預(yù)測(cè)，解碼器的實(shí)際解碼次序?yàn)椋?/p>

　　I P B B P B B P B B P B B I B B P B B ........

　　顯示次序同解碼器的輸入次序。假設(shè)知道I幀的PTS和DTS。那么得到關(guān)于P幀：

　　PTS_P4=PTS_I +33.67ms * 3 (3)

　　DTS_P4=DTS_I +33.67ms (4)

　　B1幀：PTS_Bn=PTS_I +33.67ms * 2 (5)

　　DTS_Bn=DTS_I +33.67ms (6)

　　B2幀可以參考上面的兩個(gè)式子。其中，33.67ms為視頻幀時(shí)間間隔。

　　軟件開發(fā)注意事項(xiàng)

　　關(guān)于H.264的解碼效率問題。軟件解碼部分采用開源工程ffmpeg中的H.264解碼器，它效率高，方便移植，其中，關(guān)鍵運(yùn)算，如IDCT、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)冗€在幾種不同平臺(tái)上用匯編進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。把H.264解碼器移植到ARM平臺(tái)，對(duì)于IDCT和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償匯編代碼，只需仿照其它平臺(tái)的代碼就可實(shí)現(xiàn)，其開發(fā)難度并不大。音頻解碼部分可以參考FAAC和FAAD開源工程。

　　結(jié)語

　　本文討論的是能夠接收符合T-DMB規(guī)范(各種標(biāo)準(zhǔn)的接收終端的差別很小)手機(jī)電視信號(hào)的嵌入式手持設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)概述，這種設(shè)備使用戶可以不經(jīng)過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)直接獲得數(shù)字電視信號(hào)，能夠滿足人們隨時(shí)隨地對(duì)信息的需求。在實(shí)際的開發(fā)過程中的主要硬件問題是電磁兼容，軟件是音視頻的同步和H.264的解碼效率問題。軟件開發(fā)的難點(diǎn)集中在MPEG-2的解復(fù)用和Direct Show應(yīng)用框架的設(shè)計(jì)。