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基於嵌入式DSP的串流媒體編解碼器

上網時間: 2005年11月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DSP  串流媒體  編解碼器  Codec  ZSP 

可程式的DSP適用於實現各種現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佈新的編解碼標準,每個新標準會需要更多的DSP週期。因此,選擇具有相容性發展藍圖的DSP平台(如ZSP)非常重要,這樣透過系統升級而不是重新設計即可滿足未來的系統要求。

多媒體將選定的所有元素(包括文字、音訊、靜態影像、視訊和圖形)整合在單一媒體對象中。串流技術(Streaming technology)可在媒體對象被讀取、收聽或者觀看的同時即時傳輸這些對象。在RealAudio公司1995年提供首個商用串流媒體產品之前,絕大部份的網際網路媒體文件需要完整下載後才能播放。而現在,不必等到串流音訊片段(clip)下載完成才能播放,而是在傳輸的過程中就可以播放。

串流媒體數據由伺服器端發送,並由客戶端接收和即時顯示。當接收緩衝器包含足以避免數據遺失的足夠多資訊時,客戶端就可以開始播放音訊/視訊,以避免資訊遺失。專用的多媒體伺服器通常用於實施基於網路的串流傳輸。多媒體伺服器可以連續地傳輸數據,而不會出現爆發式傳輸和長時間的停滯,所以在播放開始之前,客戶端只需要很少的緩衝數據。

圖1:aacPlus系列編解碼器。

業已出現在嵌入式DSP上的音訊/視訊壓縮演算法是提供串流傳輸所需即時性能的關鍵。由於它們具有對數位數據進行編碼和解碼的能力,此類演算法被稱為編解碼器。

雖然串流傳輸通常與分佈式電腦網路的關係最為密切,但是其它形式的數位通訊同樣需要串流傳輸。數位音訊廣播(如DRM、XMSR、Sirius Satellite Radio)、數位廣播電視(如Direct TV、韓國的T-DMB)、3GPP手機和藍芽手機等均需要使用編解碼器,以滿足串流傳輸要求。此外,編解碼器在儲存壓縮等非串流傳輸應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。串流傳輸音訊標準有:MPEG1/2、Layer 3 (MP3)、數位杜比AC-3、MPEG2 AAC、WMA和Ogg Vorbis。通用的視訊壓縮標準包括MPEG2、MPEG4 SP/ASP、MPEG4 AVC/H.264和WMV。

標準音訊編解碼器

MP3:MP3原本用於表述MPEG1 Layer 3,但是日常應用中已經發展至包含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,在網際網路編解碼器中具有最大的用戶群。但是為達到近CD品質音訊,對某些難應付的內容需要高於192kbps速率。

圖2:標準視訊編解碼器的發展時間表。

MPEG1、Part 3 (ISO/IEC 11172-3):定義了雙聲道,採樣率為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方法:Layers I、II、和III。Layer III提供最高的壓縮率,但是複雜度也最高。

MPEG2、Part 3 (ISO/IEC 13818-3):對MPEG1標準提供了兩個重要的改進。首先,低位元率需求透過使‘低採樣率(LSF)’擴展標準化而得到滿足。該編解碼器提供了16、22.05、和24kHz採樣率編碼方法;其次,MPEG1模式被擴展為支援上至12聲道的音訊數據。Fraunhofer的低頻率擴展,即MPEG2.5,提供了MPEG2一半的採樣頻率選擇:8、11.025和12kHz。

數位杜比(AC-3):目前,數位杜比具有最大的多聲道編解碼用戶群。透過將多聲道整合至單一編碼對象中,數位杜比實現了高品質、低複雜度音訊壓縮。儘管該演算法與編碼聲道的數量無關,目前的實現方案已經接受了SMPTE的建議,即採用了由5個全頻寬音訊聲道和1個用於低音的分頻寬聲道組成5.1聲道:分別為左、中、右、左環繞、右環繞和低頻擴展(LFE)。

數位杜比支援靈活的播放方式:1聲道到5.1聲道,32、44.1或者48KHz採樣率,位元率從32到640kbps。解碼後的音訊可自動匹配播放系統以提供與音響配置無關的最佳品質的音效。

aacPlus系列編解碼器:Coding Technologies公司已經開發了一系列得到國際標準組織廣泛採用的編解碼器。MPEG2採用了AAC,以128kbps提供接近CD的品質,即使對於特別複雜的內容也如此。aacPlus v1被DVD論壇、DVB、Digital Radio Mondiale、3GPP2和ISMA等組織定為標準。aacPlus v2在2004年底開始商用,已被指定為3GPP中的高品質音訊編解碼器,aacPlus v2的所有組件都是MPEG-4音訊規格的組成部份。

AAC:aacPlus系列編解碼器均是圍繞MPEG2、Part 7(ISO/IEC 13818-7)所描述的AAC核心而設立。AAC提供8、11、12、16、22、24、32、44、48、63、88或者96kHz的採樣率,以及高達48聲道的音訊,每個聲道位元率可高達288kbps。其定義了三個緊密相關的方案:低複雜度(Low Complexity)、Main和可伸縮採樣率(SSR)。低複雜度的AAC-LC需要非常少的處理器資源,因此通常用於嵌入式應用中。

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透過對類噪音訊號的參數化編碼,因而簡化這些訊號的表達方法。不能將PNS與MPEG2、MPEG4中的時域噪音整形(TNS)相混淆。

圖3:各種視訊呈現格式的典型頻寬。

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編解碼器和頻帶複製(SBR)技術。SBR是一種頻帶擴展技術,可使幾乎任何音訊編解碼器在位元率下降30%時仍能保證音質。SBR透過使用頻帶低半部份資訊加上一些編碼參數來表達頻帶的高半部份資訊。SBR技術也適用於其他編解碼器,例如結合帶MP3的SBR構成了MP3Pro編解碼器。

aacPlus V2:在aacPlus V1中增加參數化立體聲(PS)技術,形成了aacPlus V2編解碼器。PS技術使用左聲道和一些額外的編碼參數,產生右聲道,進一步降低了位元率。aacPlus V2在160Kbps下可達到DVD5.1聲道品質,在48Kbps可達到近CD立體聲品質,在32Kbps下可達到極佳立體聲效果,在24Kbps下可達到娛樂品質立體聲效果,在低於16Kbps時可達到高品質單聲道效果。aacPlus V2的效率使行動數位廣播新應用成為可能。

WMA:WMA是微軟授權的Windows Media Series中一系列廣泛使用的音訊編解碼器。此系列中最新版本是WMA9、WMA9 Professional、WMA9 Lossless、WMA9 Voice和WMA9 Variable Bit Rate(VBR)。在嵌入式應用中,WMA9是此系列中最常見的編解碼器;提供16位元/320kbps雙通道,採樣率高達48KHz。‘Professional’支援24位元、96KHz採樣率和高達128到768kbps的7.1聲道。與數位杜比相同,解碼後的音訊可自動匹配播放系統,以提供和音響配置無關最佳品質的音效。‘Lossless’用於CD存檔,壓縮率在2:1和3:1之間。‘Voice’用於壓縮語音至20kbps。儘管VBR對於大部份的串流應用並不理想,但WMA9和‘Professional’都能以可變位元率編碼。‘Lossless’則總是使用VBR功能。

Ogg Vorbis:為無需專利費用的開放資源,具有近似於MP3的音質。‘ogg’是容器格式,而‘Vorbis’為音訊編解碼器。由於它免除了與MP3遊戲音樂相關的按每遊戲收取的許可費用,因此Ogg Vorbis在電腦遊戲廠商中使用率日益上升。

標準視訊編解碼器

聯合視訊組(JVT)由ITU的視訊編碼專家組(VCEG)和ISO/IEC運動影像專家組(MPEG)組成。VCEG開發自願性標準,用於會話和非會話類音/視訊應用的先進行動影像編碼。MPEG開發國際標準,用於行動影像、音訊及兩者組合內容的壓縮、編碼、解壓縮、處理和編碼表達等,以滿足各種應用。總之,JVT已經開發了包括ITU H.262/MPEG2和H.264/MPEG4 AVC在內的最流行的視訊標準。

PEG2 Video/H.262:MPEG2(ISO/IEC 13818-2),也被稱為ITU-T H.262,是目前消費性電子視訊設備中使用最廣泛的視訊編碼標準。MPE2視訊用於數位電視廣播:包括陸地,海底電纜和直接衛星廣播。它能在25fps(PAL)或者30fps(NTSC)的固定訊框率下達到720x576畫素成像。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用於下一代可攜式終端和窄頻網際網路。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。

圖4:ZSP串流媒體解決方案

MPEG4-AVC/ITU-T H.264:AVC是由ISO/MPEG和ITU-T聯合技術委員會開發的多媒體標準。AVC提供更高的壓縮率、更好的視訊品質和比MPEG2更高的容錯性,可望用於網際網路廣播和行動通訊。

WVM/SMPTE VC-1:WMV9是微軟的多媒體標準,其特性包括支援串流處理、變位元率以及與MPEG4-AVC/H.264相媲美的容錯工具。除了用於家庭電腦,WMV9目前也在電影院用於數位投影。電影中使用的編碼可以是7-12Mbps的?定位元率CBR或變位元率VBR,並達到DVE解析度(720x480)

嵌入式DSP串流媒體方案

由於一系列原因,DSP成為串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程式的;其次,大部份的編解碼器是運算密集型,而DSP就是設計用於高效數學運算;另外,功耗和成本是行動串流傳輸中的重要考慮,而DSP核心提供了低功耗、低成本的最佳組合。

標準的音訊/視訊串流媒體系統通常同時使用內部記憶體和外部記憶體。內部記憶體是以DSP核心時脈速度執行的快速記憶體;外部記憶體比較慢,價格也較便宜。編解碼指令儲存於外部記憶體,但下載到內部記憶體中執行。由於視訊串流數據量巨大,除非必須,其通常放在晶片外,而音訊串流數據則可晶片內外任意放置,還可以根據需要將一些IP模組掛在系統SoC匯流排上。

前後相容的DSP平台

目前的趨勢是每兩年就會發佈新的編解碼標準,每個新標準會需要更多的DSP週期。因此,選擇可按相容性發展藍圖來演變的DSP平台非常重要,這樣透過系統升級而不是重新設計即可滿足未來的系統要求。ZSP則提供了適應多媒體標準不斷變革所必需的靈活性和性能。

LSI Logic公司的ZSP產品部門提供全系列可合成的軟體相容DSP核心,基於ZSP的音/視訊系統可輕易符合新興的音/視訊標準。目前各代(G1/G2/G3)的ZSP都基於易編程的架構,而ZSP核心已針對低功耗應用最佳化,且具有16/32位元數據通道,支援高品質音訊處理和視訊處理所需的控制性能。

G2核心具有強大的協同處理器介面,支援嵌入到核心執行管線的硬體加速器。硬體加速器可以鬆散或者緊密地耦合於ZSP執行管線。緊耦合加速器可視為ZSP的指令集擴展,這使它們易於編程和使用,即使是基於C程式碼。另外,ZSP核心擁有卓越的編譯器,不僅支援匯編程式碼的高效開發,還支援C程式碼的高效編譯;再加上現成可用的標準程式碼,能保證快速的系統設計和實現。

作者:Danny Wilson


首席解決方案架構師


Email:dannyw@lsil.com


Ramon Trombetta


DSP解決方案架構師


Email:ramont@lsil.com


LSI Logic公司DSP解決方案工程部(DSE)




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