滿足行動VoIP設備設計挑戰的系統架構選擇

VoIP市場正在快速發展，每天都有許多提供給消費者和商業用戶的新服務和新設備問世。據In-Stat預測，到2010年，消費市場每年將需要1.18億部IP電話。基於IP的語音和視訊新服務的導入，將引發對新的手持設備和通訊設備的大量需求。

這些設備將變得日益複雜。人們期望它們在語音和文字訊息之外，還能夠支援各種新型的通訊服務，如視訊訊息、視訊電話等。今天的消費者希望他們能以更具成本效益的方式，在任何時間和任何地點與任何人進行通訊。在如何滿足設備快速上市、支援語音、即時訊息和視訊，以及行動性等方面，這些需求為OEM帶來了很多設計挑戰，但也提供了龐大商機。

功能融合挑戰

下一代的行動產品正在探索新的、結合各種通訊功能的優勢，特別是整合目前產品上既有的語音功能和簡訊功能，以及諸如視訊和臨場感這類新服務。與只能提供語音、或提供語音和單向視訊服務的產品相較，開發能提供全雙向語音和視訊通訊的無線產品所面臨的挑戰要大得多。系統硬體必須足以處理所預期的運算負載和數據串流，同時還必須維持較低的BOM成本，並提供較長的電池壽命。

IP語音通話必須融合一些新的功能和處理能力。此外，對於用戶介面和應用層來說，這些處理包括通話控制、語音編解碼、迴音消除和抖動緩衝。IP視訊電話又增加了一些額外的要求，主要包括視訊編/解碼，色彩色顯示緩衝和管理，以及音/視訊(A/V)串流同步。這將需要一種複雜但協調的組合功能，包括大量的控制功能，還有原始數據處理以及複雜的功率管理方法。適合某種處理應用的最佳架構未必適合另一種應用，這也迫使設計師必須採取一些系統折衷。

選擇系統架構

與視訊相關的編解碼是影響系統架構的主要因素之一。無疑地，視訊編解碼需要極大運算量，且會快速消耗寶貴的系統資源。普通手機上的視訊編碼任務通常是MPEG4編碼，解析度為QCIF，訊框率為15fps。但即使是這類簡單的視訊串流處理，在執行於ARM926ERISC處理器上時，也需要高達200MHz的處理能力。這足以使行動平台中的通用主CPU性能達到飽和，沒有多餘資源去處理維持一個通話所需的其他各種處理。相較之下，一個普通的語音窄頻編解碼器G729只需要25~30MHz，聲學迴音消除約需45~50MHz，而通話管理(SIP堆疊等)則僅需5~10MHz。

不直接佔用上述CPU預算的其他一些處理也十分重要，因為他們直接影響用戶體驗。其中一個例子就是語音串流和視訊串流的同步。語音和視訊數據封包串流是彼此獨立的，而且可能採用不同的網路通道。因此，一種串流可能會比另一種具有更大延遲，並呈現不同的抖動和數據封包丟失情況。另外，音訊和視訊串流之間的時脈速率也不同。若同步性能較差，在視訊電話過程中將會出現‘口唇同步’問題。

儘管同步並不是一個很大的運算負擔，但同步演算法和實現，包括抖動緩衝管理，都必須相當謹慎，才能達到預期的結果。有效的方法是，將該處理與整體系統控制和編解碼處理管理緊密結合。一種最好的方案，是在實現更高階功能的系統通用主CPU上來執行同步處理。

系統架構比較

目前有幾種系統架構可用於IP語音和視訊應用，包括基於一個通用處理器的方案，處理器上具有專用硬體加速器，或處理器具有分離的可編程協處理器。如上所述，IP語音和視訊－特別針對行動無線平台，對系統設計增加了大量的特殊要求。選用任何一種架構都必須採取一些折衷。表1列出了這方面必須考慮的一些折衷。

行動VoIP設計選擇處理器需要考慮的折衷。

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表1：為行動VoIP設計選擇處理器需要考慮的折衷。

採用單CPU架構具有一定的吸引力。由於結合了所有功能和資源，簡化了任務間的協調。在增加功能、改變功能或實現升級時極具靈活性。但不利的是，採用單CPU的系統，性能會受到最高時脈頻率的限制。可攜式應用中的絕大多數應用處理器時脈頻率範圍為300MHz~400MHz。這顯然無法滿足提供視訊功能的可攜式VoIP通訊產品需求。透過增強指令集可協助改善這一問題，但還不足以將系統性能提高到能使絕大多數應用滿意的地步。儘管在一些應用中，可透過多個RISC應用處理器來協助克服這一問題，但通常的方案是增加更多的專用嵌入式運算節點，如專用的硬體加速器或DSP。

最近幾年，從矽晶片面積來看，嵌入式DSP的成本大幅下降，使它們在通訊音訊串流(如編解碼和迴音消除等)一些專用處理方面成為更具成本效益的解決方案。同時，嵌入式DSP方案在性能、功率管理、可編程性和音訊串流處理成本方面提供了較好的平衡。同樣，在實現用於支援高品質語音的寬頻編解碼方面，嵌入式DSP也是一個不錯的方法。

增加一個處理視訊功能的專用嵌入式硬體加速器是有潛在吸引力的方案，因為它能在滿足功率和成本預算的同時，同時滿足性能需求。專用的加速器雖然可能提供最佳性能，但它畢竟是專用的，缺乏靈活性，例如，適用於MPEG4的加速器對H.264來說卻不是最佳方案。在必須需對編解碼進行升級並增加功能，或為了滿足OEM或消費者的新需求而必須進行更新或做出其他改變時，也不是一個實用的選擇。

同樣，一個針對編碼最佳化的加速器對於解碼來說很可能不是最佳方案。很多視訊編解碼是不對稱的，即編碼採用不同的演算法並需要比解碼任務更多的運算資源。這就意味著在消費性產品中，用於音視訊播放且為解碼最佳化的硬體加速器並不適合編碼。這種方案不適用於雙向通訊產品，因為位於兩端的手持設備(或其他終端設備)必須既能夠進行即時編碼，也能夠進行即時解碼。

應用處理器與可編程視訊/繪圖協處理器的搭配則提供了第三種架構選擇。儘管是兩款元件，該方案在保持靈活性和能夠為了改變產品需求而進行升級的同時，仍有可能提供最佳性能。系統功能在通用CPU和協處理器CPU之間進行了劃分。這會增加軟體劃分的複雜性，但多處理器方案常用於嵌入式系統，而且已開發出了能夠成功處理這些類型軟體架構和設計挑戰的各種策略。

一個處理器/協處理器架構可在不超過通用CPU性能條件下，直接克服滿足視訊編解碼方面的各項挑戰。用於其它可攜式多媒體應用的可編程協處理器是一種理想的解決方案，它能提供可編程性以滿足新功能、升級或其它涉及變化所引發的各種要求。它將視訊功能卸載到一個專門為高度平行演算法(用在視訊處理和繪圖顯示中)最佳化的CPU上。類似於在音訊串流處理中採用DSP，這種方案使用一個特別適合視訊處理的可編程CPU來處理視訊串流。

應用案例

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圖1：Wi-Fi視訊電話的硬體架構。

圖1為該方案的範例。這種方案支援接取到區域無線網路之Wi-Fi介面上的全雙工語音和視訊。所有高階通話設立和管理、音視訊同步以及應用層都在BCM1161 VoIP元件上執行。為實現這些功能，該方案採用了一顆嵌入式通用ARM926E RISC CPU，還有一顆嵌入式DSP用於音視訊編解碼和迴音消除。利用一個BCM4318E 802.11b/g Wi-Fi無線網路介面，BCM1161為具備成本效益之Wi-Fi手機提供了所需的全部功能。

為了支援Wi-Fi視訊，在設計中採用了一個BCM2702前置處理器。如前所述，具有視訊功能的系統需要增加(或分配)大量的系統運算資源來支援視訊編解碼。要支援一個通話程序，必須分配系統總運算資源的70%或更多。協處理器提供了這些資源，並使BCM1161上主應用處理器上的運算負載減到最小。此外，還預留了響應圖形化用戶介面所需的應用處理器頻寬。圖2提供了與音視訊數據串流、處理器編碼色彩相關的軟體功能。視訊編解碼在專用於此目的的BCM2702上實現。所有其他的運算任務都被分配到BCM1161上。

圖2：在處理器/協處理器架構中實現的IP音視訊數據串流。

該方案在性能、功耗、成本和可升級性的平衡方面極具吸引力，是一種具成本效益的解決方案，為支援音視訊功能的Wi-Fi消費性手持產品提供了所期望的所有功能，並能升級以支援語音功能。未來，我們期望有更多的處理架構可供選擇。下一代的多媒體設備將整合通用CPU以及專門處理視訊和繪圖處理任務的協處理器，在主流多媒體通訊產品和服務中，成為對消費者頗具吸引力的高成本效益解決方案。

作者：Mark Richman

消費VoIP資深產品線經理

Broadcom公司