基于UPnP發(fā)現(xiàn)與組播技術的IPTV終端實現(xiàn)

時間：2007-12-24 10:16:00

關鍵字：終端 TV IP CPU

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[導讀]本文設計并實現(xiàn)的終端系統(tǒng)工作在mClinux操作系統(tǒng)下，通過應用UPnP中的SSDP服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議，實現(xiàn)在局域網(wǎng)中IPTV終端的自動發(fā)現(xiàn)，并使用IP組播技術將TV視頻信號及本地的AV視頻信號。

摘要：本文設計并實現(xiàn)的終端系統(tǒng)工作在mClinux操作系統(tǒng)下，通過應用UPnP中的SSDP服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議，實現(xiàn)在局域網(wǎng)中IPTV終端的自動發(fā)現(xiàn)，并使用IP組播技術將TV視頻信號及本地的AV視頻信號。通過數(shù)字化處理和MEPG-2編碼壓縮后封裝為RTP包發(fā)送到組播地址，供局域網(wǎng)內(nèi)的合法用戶觀看。
關鍵詞：IPTV;UPnP;IP組播技術; MPEG-2

　　引言

　　IPTV是一項系統(tǒng)技術，可使音/視頻內(nèi)容節(jié)目或信號以IP 包的方式在不同物理網(wǎng)絡中被安全、有效和保質(zhì)地傳送或分發(fā)給不同用戶。

　　基于UPnP中的簡單服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SSDP，Simple Service Discovery Protocol)和IP組播技術，本文提出并實現(xiàn)了一種新的IPTV終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能將CATV(有線電視網(wǎng))模擬信號和本地AV模擬信號轉換為數(shù)字信號，并通過MPEG-2編碼，再使用RTP/RTCP協(xié)議組播到家庭網(wǎng)絡，而且提供了實時串流視頻、本地視頻定時存儲播放和VoD(Video On Demand)服務。

　　UPnP協(xié)議棧中的SSDP協(xié)議

　　UPnP(Universal Plug and Play——通用即插即用)是針對局域網(wǎng)絡范圍內(nèi)對等(peer-to-peer)互聯(lián)而設計的一種應用層技術標準，旨在為家庭、小型企業(yè)、公共場所提供基于IP技術、易于使用的網(wǎng)絡服務自動發(fā)現(xiàn)機制。

　　SSDP用于服務發(fā)現(xiàn)，控制點借此可定位其感興趣的資源在網(wǎng)絡中的位置，設備可借此告之它們的可用性。SSDP客戶(控制點)可往本地保留的多播地址的SSDP端口(239.255.255.250:1900)發(fā)送發(fā)現(xiàn)(Discovery)消息來尋找SSDP服務;SSDP服務(設備)也可以同樣的方式發(fā)送SSDP指示來宣告它的存在。

　　本文IPTV終端的UPnP發(fā)現(xiàn)過程，即控制點(運行在mClinux上的服務器程序)搜索網(wǎng)絡上的UPnP設備(運行在PC上的客戶端程序)，同時，UPnP設備也要宣告自己的存在。當用戶在PC上打開一個新的客戶端程序時，它會通過標準的本地多播地址發(fā)送多播發(fā)現(xiàn)消息宣告一個新的用戶存在。控制點監(jiān)聽該多播地址，獲取用戶的可用信息。同樣，當控制點被添加到網(wǎng)絡時，它會多播一條發(fā)現(xiàn)消息來搜索是否已有客戶端存在。

　　IPTV終端系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)軟件架構及

　　子系統(tǒng)模塊設計

　　IPTV終端系統(tǒng)軟件架構分為服務器和客戶端兩部分，如圖1所示。

圖2 IPTV終端系統(tǒng)軟件架構圖

　　服務器軟件部分包括：

　　RTP/RTCP模塊：該模塊包含RTP/RTCP協(xié)議棧，負責將視頻信息打包成RTP組播或單播到局域網(wǎng)中。

　　串流模塊：客戶端用戶選擇本地音/視頻文件或VoD服務器里存有的音/視頻文件，將其發(fā)送到VLC播放器中處理并轉發(fā)到服務器的串流模塊，由此模塊在局域網(wǎng)內(nèi)組播，供在線合法用戶觀看。

　　定時音/視頻存儲、播放模塊：管理員選擇本地音/視頻文件，將其發(fā)送到VLC播放器中處理并轉發(fā)到服務器的定時音/視頻存儲、播放模塊，由此模塊異步寫入Flash中存儲。管理員可以設定要播放存儲視頻的時間、播放次數(shù)、連續(xù)播放時間間隔、播放長度和結束時間等。

　　用戶合法性管理模塊：該模塊在用戶登錄時檢查普通用戶或系統(tǒng)管理員的合法性，并實時管理所有在線用戶信息，定時顯示所有在線用戶的IP地址。

　　UPnP服務發(fā)現(xiàn)模塊：該模塊負責使用UPnP中簡單服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議監(jiān)聽局域網(wǎng)內(nèi)客戶端程序的運行，并在客戶端程序發(fā)出SSDP Notify消息時響應。

　　服務控制模塊：由管理員更改服務器IP地址，用戶更改音量、頻道、畫質(zhì)等模塊組成。

　　硬件驅動模塊：該模塊由服務器上的硬件驅動程序組成。

　　客戶端軟件部分包括：

　　UPnP服務發(fā)現(xiàn)模塊：客戶端應用程序運行時，在局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)送UPnP SSDP宣告消息。

　　用戶登錄模塊：當收到服務器的UPnP響應消息時，運行此模塊，檢查用戶合法性。

　　VoD上傳模塊：通過VLC播放器和服務器上的串流模塊，將音/視頻上傳到本地VoD服務器。

　　遙控器程序：系統(tǒng)UI部分，提供友好的系統(tǒng)管理員和普通用戶操作界面。

　　VLC播放器：一種強大的跨平臺媒體播放軟件，支持多種音/視頻格式(MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4、DivX、MP3、ogg...)、流媒體協(xié)議和串流組播。

　　系統(tǒng)硬件體系結構設計與實現(xiàn)

　　本方案是以華邦ARM W90N740芯片為主控制器的硬件平臺，在W90N740的外圍添加網(wǎng)絡模塊、串口接口模塊、調(diào)諧器模塊、音/視頻解碼及數(shù)字化處理模塊、MPEG-2音/視頻壓縮模塊和USB模塊等。系統(tǒng)硬件體系結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件體系結構框圖

　　1、CPU部分

　　CPU(W90N740)、ROM(512KB)、Flash(8MB)、SDRAM(32MB)、SRAM(32K×32b)和CPLD構成了最基本的處理系統(tǒng)。ROM存放BOOT程序，每次RESET后，CPU從這里運行，該部分程序主要作硬件初始化，為運行mClinux作準備。Flash存放mClinux和用戶程序。SDRAM是程序運行時存放mClinux和用戶程序的地方。SRAM是PCI橋成為本地總線主機時，寫入數(shù)據(jù)的地方，由于PLX9080不能操作SDRAM，所以，要用一個SRAM來做數(shù)據(jù)緩存。CPLD主要完成PCI總線的仲裁、地址譯碼、RESET信號的產(chǎn)生、中斷信號的匯總、SRAM的片選，以及一些信號的電平或時序轉換。在CPU與 SRAM的數(shù)據(jù)總線和地址總線之間有一個開關，用于解決當CPU訪問PCI設備和PCI設備訪問SRAM同時發(fā)生時引起的死鎖。當這種情況發(fā)生時，開關將斷開CPU的數(shù)據(jù)總線和地址總線，同時輸出WAIT信號，讓CPU處于等待中，而讓PCI設備先訪問SRAM，完成后，再恢復CPU對PCI設備的訪問。

　　2、PLX9080部分

　　PLX9080將PCI總線和本地總線連接起來，它主要提供本地地址到PCI地址的雙向轉換，本地控制到PCI控制的雙向轉換。PLX9080收到CPU的命令后，首先向CPLD的PCI仲裁器申請，獲得許可后，開始進行PCI讀寫。PCI設備(比如SAA7134)也是通過PLX9080將數(shù)據(jù)寫入本地存儲器，當外部設備向PLX9080發(fā)起PCI寫操作后，PLX9080將向CPU申請本地總線的使用權，CPU釋放總線的控制權，PLX9080就將PCI的地址翻譯成本地地址，將數(shù)據(jù)寫入SRAM中。

　　3、SAA7134HL部分

　　SAA7134HL主要將SIF和CVBS信號進行解碼、取樣，然后數(shù)字化，組合成ITU-R BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)和I2S格式的音頻數(shù)據(jù)送給MPEG-2壓縮，同時接收MPEG-2壓縮器已經(jīng)壓縮好的傳輸流數(shù)據(jù)，進行緩沖后，將數(shù)據(jù)通過PLX9080寫入SRAM中，完成后向CPU發(fā)出中斷，請求CPU進行處理。SAA7134HL還包含了一個I2C MASTER總線控制器，可以完成對調(diào)諧器和SAA6752HS的控制。

　　4、SAA6752HS部分

　　SAA6752HS主要對SAA7134HL送來的視頻和音頻數(shù)據(jù)按照MPEG-2標準進行壓縮，完成壓縮后將數(shù)據(jù)回送給SAA7134HL進行傳送。

　　硬件功能說明如下：

　　*調(diào)諧器：該部分是將從天線或同軸電纜接收進來的TV射頻信號進行解調(diào)，輸出視頻信號和音頻信號。

　　*視頻、音頻解碼和數(shù)字化：該部分將復合的視頻信號(CVBS)解碼，取出其中的Y、U、V分量信號，然后對這些信號取樣作A/D轉換，再把這些數(shù)據(jù)組合成滿足ITU-R BT.656的數(shù)據(jù)，輸出給MPEG-2壓縮部分。同時，也對音頻信號取樣作A/D轉換，再把這些數(shù)據(jù)組合成I2S格式的數(shù)據(jù)輸出給MPEG-2壓縮部分。

　　*MPEG-2壓縮部分：這部分將滿足ITU-R BT.656規(guī)定的視頻數(shù)據(jù)和I2S格式的音頻數(shù)據(jù)按照MPEG-2標準進行壓縮，生成MPEG-2傳輸流輸出到PCI傳輸部分。

　　*PCI傳輸部分：該部分將MPEG-2傳輸流的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖后，將其經(jīng)過PCI總線寫入到系統(tǒng)的內(nèi)存中，然后發(fā)中斷給處理器，通知其有數(shù)據(jù)要處理。

　　*PCI橋：PCI橋是將處理器的本地總線和PCI總線連接起來的部件，主要完成對PCI 總線和本地總線的申請，以及PCI總線地址與本地總線地址之間的轉換、PCI總線地址與本地總線之間的控制時序的轉換。

　　*處理器及其外圍部件：該部分主要由CPU和能讓其運行起來的基本外圍器件組成。包括地址譯碼、SDRAM、Flash、ROM器件。

　　*接口部分：與外部進行通信的接口，由兩個以太網(wǎng)端口和一個RS-232，以及一個USB口組成。

　　測試運行情況

　　服務器平臺配置：CPU (W90N740)、ROM(512KB)、Flash(8MB)、SDRAM(32MB)、SRAM(32K×32b)，及mClinux操作系統(tǒng)。

　　客戶端平臺配置: 奔騰 CPU(2.4GHz)、內(nèi)存(256MB)、Windows XP 操作系統(tǒng)。

　　在測試中，普通用戶使用IPTV終端在局域網(wǎng)內(nèi)接收并流暢播放CATV電視、本地AV，觀看實時串流或定時存儲的音/視頻，通過終端系統(tǒng)正常進行VoD點播。系統(tǒng)管理員可以設置服務器IP地址、接收TV頻道的范圍、允許同時存在普通用戶的最大個數(shù)、用戶密碼、實時串流、定時存儲及上傳到服務器的音/視頻文件路徑等功能。

　　在播放的同時，用戶可以通過遙控器程序設置播放色彩，畫質(zhì)，音量，頻道及AV->TV->VoD->AV循環(huán)切換。

　　系統(tǒng)運行性能指標：

　　(1)丟包率

　　丟包率=(理論發(fā)包數(shù)-實際收包數(shù))/理論發(fā)包數(shù)

　　本系統(tǒng)在運行時可以根據(jù)上述公式動態(tài)計算傳輸丟包率，并在任何用戶丟包率大于10%時自動斷開用戶與服務器的連接。

　　(2)時延

　　系統(tǒng)運行時，用戶可以在線流暢地觀看TV/AV/VoD視頻流。

　　如圖3所示，當用戶數(shù)量從1個增加到10個時，時延將隨之從2ms增加到4.2ms。