基于S3C6400的移動多媒體廣播終端設(shè)計

0 引 言
    移動多媒體廣播目前已經(jīng)成為炙手可熱的發(fā)展熱點。移動多媒體廣播業(yè)務(wù)是指通過衛(wèi)星和地面無線廣播方式，在具有7英寸以下小屏幕的移動便攜式終端上，實現(xiàn)隨時隨地接收廣播電視節(jié)目收視與信息服務(wù)。
    我國于2006年提出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國移動多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcast—ing，CMMB)系統(tǒng)，能夠支持諸如手機、PDA、MP3、MP4、數(shù)碼相機、筆記本式計算機等小尺寸、小屏幕、移動便攜的多種終端，實現(xiàn)隨時隨地提供廣播影視節(jié)目和信息服務(wù)，滿足當(dāng)代社會“信息無處不在”的需求。為了實現(xiàn)較高質(zhì)量的電視節(jié)目接收和播放，終端的性能起著重要的作用，其中終端的音視頻解碼能力又是主要因素。同時兼顧到終端的成本，選擇合適的軟硬件平臺十分關(guān)鍵。因此本設(shè)計兼顧數(shù)字移動電視的性能要求和成本兩個方面。

l CMMB系統(tǒng)架構(gòu)與終端結(jié)構(gòu)簡介
    2006年10月24日，國家廣播電影電視總局正式頒布了中國移動多媒體廣播CMMB系統(tǒng)的廣播信道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GY／T 220．1—2006移動多媒體廣播第1部分：廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》，確定了采用我國自主研發(fā)的移動多媒體廣播傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(Satellite—Terrestrial Interactive Multi—service Infrastructure。STiMi)。目前國際上還沒有形成統(tǒng)一的移動多媒體廣播技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尚處于大規(guī)模應(yīng)用的前期，因此該標(biāo)準(zhǔn)的及時出臺，對我國移動多媒體廣播和相關(guān)民族工業(yè)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。
    CMMB技術(shù)體系是利用大功率S波段衛(wèi)星信號覆蓋全國，利用地面增補轉(zhuǎn)發(fā)器同頻同時同內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號補點覆蓋衛(wèi)星信號盲區(qū)，利用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建回傳通道，從而組成單向廣播和雙向交互相結(jié)合的移動多媒體廣播網(wǎng)絡(luò)。CMMB體系架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)字移動電視終端的硬件部分主要分為兩部分：電視的接收模塊和播放顯示模塊。前者負(fù)責(zé)控制CMMB信號，后者負(fù)責(zé)播放音視頻數(shù)據(jù)。數(shù)字移動電視的接收模塊采用泰合志恒公司生產(chǎn)的模塊。接收模塊的主要功能包含：電視芯片的初始化，設(shè)置頻點，掃描頻點；獲取頻道信息，設(shè)置頻道；接收及停止音視頻數(shù)據(jù)；測試電視信號強度大小。播放顯示模塊以三星的ARMll處理器S3C6400為核心的嵌入式系統(tǒng)。
    終端的軟件部分以Linux操作系統(tǒng)為平臺，而電視播放器軟件結(jié)合泰合志恒電視接收模塊的SDK，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電視的控制和播放。

2 數(shù)字電視系統(tǒng)軟件設(shè)計
    數(shù)字電視的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主界面、電視接收模塊SDK和音視頻播放模塊3部分組成，如圖2所示。

3個模塊的主要功能如下：
    主界面：提供數(shù)字移動電視的用戶界面，與用戶交互，提供播放電視，選臺，設(shè)置音量，設(shè)置靜音等功能。電視接收模塊SDK：數(shù)字電視控制引擎，封裝SPI的驅(qū)動程序，向上提供接口，用來接收數(shù)字電視信號，提供音視頻數(shù)據(jù)，控制信息等。音視頻播放模塊：用于播放音視頻數(shù)據(jù)。
2．1 主界面[!--empirenews.page--]
    主界面完成的具體工作包含：搜索可用的電視頻點；選擇收看的電視頻道；檢測當(dāng)前的信號強度；讀取接收到的音視頻數(shù)據(jù)；對接收到的音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；播放解碼后的音視頻數(shù)據(jù)；對當(dāng)前播放的節(jié)目進(jìn)行錄像；調(diào)節(jié)音量大小；靜音功能。
    主界面利用調(diào)用泰合電視接收模塊SDK，通過SPI驅(qū)動程序讀寫數(shù)據(jù)，并將接收到的CMMB復(fù)用子幀解析成H．264格式的視頻數(shù)據(jù)，AAC格式的音頻數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。然后調(diào)用播放器模塊，將H．264格式的視頻數(shù)據(jù)和AAC格式的音頻數(shù)據(jù)解碼并播放。
2．2 電視接收模塊SDK
    電視接收模塊SDK提供對CMMB電視信號的控制，包括：電視芯片的初始化，設(shè)置頻點，掃描頻點；得到頻道信息，設(shè)置頻道；接收及停止音視頻數(shù)據(jù)；測試電視信號強度大小。
    該模塊主要由數(shù)據(jù)處理模塊及信號控制模塊2個子模塊組成。
    數(shù)據(jù)處理子模塊在打開引擎時，會生成一個線程，這個線程用來讀取CMMB信號，并進(jìn)行分析、處理，其流程如圖3所示。

這個子模塊是一個死循環(huán)，在循環(huán)中，先通過一個標(biāo)志進(jìn)行判斷，如果需要處理數(shù)據(jù)，首先讀取一幀數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)，則阻塞在這兒。然后對這幀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別放入音頻，視頻，其他數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，最后，調(diào)用回調(diào)函數(shù)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將音視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給音視頻播放模塊來播放。
    另一個子模塊，信號控制模塊主要是提供控制接口讓上層調(diào)用，以完成對CMMB信號的處理。該子模塊主要包含以下功能接口函數(shù)：引擎的初始化：創(chuàng)建讀數(shù)據(jù)線程，啟動初始化；引擎的打開：對電視芯片初始化；設(shè)置頻點：設(shè)置當(dāng)前頻點；得到ESG信息：從信號中提取ESG信息并分析；關(guān)閉引擎：清除用到的資源，硬件重置位；得到頻道信息列表：發(fā)送請求，分析頻道信號；設(shè)置頻道：設(shè)置當(dāng)前頻道；得到參數(shù)：能得到信號強度，當(dāng)前頻道等參數(shù)。
2．3 音視頻播放模塊
    音視頻播放由3個線程來完成。這3個線程分別為視頻處理線程、音頻處理線程、數(shù)據(jù)接收線程。
    視頻處理線程：
    (1)先判斷緩沖區(qū)隊列有沒有視頻數(shù)據(jù)，如果沒有，休眠10 ms；
    (2)有數(shù)據(jù)的話，因為視頻數(shù)據(jù)是根據(jù)時間戳順序作為隊列放在緩沖區(qū)的，取出第一幀，判斷是否已經(jīng)過時，如果是很老的數(shù)據(jù)，已經(jīng)錯過了播放時間，則判斷幀類型，如果是關(guān)鍵幀，則解碼并顯示，否則，丟掉這一幀，然后轉(zhuǎn)到第(1)步；
    (3)否則，判斷這一幀是否到了播放時間，如果是，則將這幀數(shù)據(jù)解碼并顯示，然后轉(zhuǎn)到第(1)步；
    (4)如果沒有到播放時間，則休眠10 ms。然后轉(zhuǎn)到第(1)步。
    音頻處理線程：
    (1)先判斷緩沖區(qū)隊列有沒有音頻數(shù)據(jù)，如果沒有，休眠10 ms；
    (2)有數(shù)據(jù)的話，因為音頻數(shù)據(jù)是根據(jù)時間戳順序作為隊列放在緩沖區(qū)的，取出第一幀，判斷是否已經(jīng)過時，如果是很老的數(shù)據(jù)，已經(jīng)錯過了播放時間，則丟棄，然后轉(zhuǎn)到第(1)步；
    (3)否則，判斷是否到了播放時間，如果是，則將這幀數(shù)據(jù)解碼并播放，然后轉(zhuǎn)到第(1)步；
    (4)如果沒有到播放時間，則休眠10 ms。然后轉(zhuǎn)到第(1)步。
    數(shù)據(jù)接收線程：數(shù)據(jù)接收線程不屬于播放器模塊，它是電視接收模塊的一部分。
    (1)如果有數(shù)據(jù)到來，判斷有沒有視頻數(shù)據(jù)，如果有，將它們?nèi)坎迦氲揭曨l緩沖區(qū)；[!--empirenews.page--]
    (2)判斷有沒有音頻數(shù)據(jù)，如果有，將它們都插入到音頻緩沖區(qū)；
    (3)阻塞，等待數(shù)據(jù)到來；
    (4)當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時，轉(zhuǎn)到第(1)步。
    音視播放器模塊共有4個子模塊：緩沖區(qū)管理、音視頻同步、音視頻解碼、視頻顯示。
2．3．1 緩沖區(qū)管理
    一共設(shè)計2個隊列，音頻緩沖隊列，視頻緩沖隊列。每幀數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，成員分別為幀長，幀類型(視頻有，音頻無)，時間戳，數(shù)據(jù)指針。幀長表示幀數(shù)據(jù)長度，幀類型里，1表示關(guān)鍵幀，0表示非關(guān)鍵幀，時間戳表示幀數(shù)據(jù)播放的時間，數(shù)據(jù)指針指向幀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)到來時，構(gòu)造一個幀成員，填入各項參數(shù)，然后根據(jù)時間戳，將他插入到緩沖隊列，播放時間近的放在前面。流程如下：
    (1)首先構(gòu)造一個幀緩沖成員；
    (2)按照幀數(shù)據(jù)內(nèi)容填充幀緩沖；
    (3)根據(jù)時間戳，按照近的在前面的原則，放入緩沖區(qū)隊列。
2．3．2 音視頻同步
    音視頻數(shù)據(jù)始終與系統(tǒng)時間進(jìn)行同步，起初初始化時，先在緩沖區(qū)存放1 s的數(shù)據(jù)。因為系統(tǒng)時間與發(fā)送的數(shù)據(jù)時間戳不一定相同，所以不用絕對時間，而是以緩沖區(qū)的第一幀時間戳為開始時間，后面的數(shù)據(jù)都以與這幀數(shù)據(jù)的時間差這個相對時間為準(zhǔn)。
    視頻和系統(tǒng)時間同步的流程如下：
    (1)判斷緩沖隊列是否為空，如果是空，休眠10 ms；
    (2)如果非空，從緩沖隊列取出一幀，判斷這幀數(shù)據(jù)是否已經(jīng)過時，如果超過播放時間100 ms以上，則判斷幀類型，如果是非關(guān)鍵幀，丟掉這幀數(shù)據(jù)，否則處理這幀數(shù)據(jù)，然后跳到第(1)步；
    (3)如果這幀數(shù)據(jù)剛剛超過播放時間并且超過時間不超過100 ms，則處理這幀數(shù)據(jù)，然后跳到第(1)步。
    音頻和系統(tǒng)時間同步的處理流程如下：
    (1)判斷音頻緩沖區(qū)是否為空，如果是空，休眠10 ms；
    (2)如果非空，取出一幀數(shù)據(jù)，判斷是否已經(jīng)超過播放時間100 ms，如果是，丟棄這幀數(shù)據(jù)，跳到第(1)步；
    (3)否則，處理這幀數(shù)據(jù)，跳到第(1)步。
2．3．3 音視頻解碼
    數(shù)字移動電視信號目前音頻采用的是AAC編碼，利用開源解碼庫libfaad2來解碼，libfaad2的使用流程如下：
    (1)首先對解碼器進(jìn)行配置，設(shè)置一些解碼參數(shù)，例如采樣率，聲道數(shù)等；
    (2)然后初始化解碼器；
    (3)如果有需要解碼的音頻幀，依次調(diào)用NeAAC—DecDecode進(jìn)行解碼；
    (4)當(dāng)音頻幀都解碼完畢，需要關(guān)閉解碼器。
    三星的S3C6400芯片提供了多種格式視頻的硬件編解碼器，簡稱為MFC(Multi—format Video Codec)，支持的功能有：MPEG一4 Simple Profile編解碼；H．264／AVC Baseline Profile編解碼；H．263 P3編解碼；VC一1(WMV9)Main Profile編解碼；支持多任務(wù)，如同時完成1路編碼和3路解碼；支持多格式，如同時進(jìn)行MPEG一4編碼和H．264解碼。理論上MFC性能可以達(dá)到全雙工的720*480 30幀／s(或720*576 25幀／s)的編解碼。
    MFC驅(qū)動負(fù)責(zé)直接控制MFC硬件完成實際的編解碼操作，提供類似字符設(shè)備的接口；MFC API封裝了底層驅(qū)動的控制接口，給上層提供函數(shù)調(diào)用的接口方式，解碼器調(diào)用流程如圖4所示。

2．3．4 視頻顯示[!--empirenews.page--]
    對于解碼后的數(shù)據(jù)，首先要將YUV格式轉(zhuǎn)換為RGB格式，轉(zhuǎn)換可以使用硬件來進(jìn)行。三星的S3C6400芯片提供的PostProcessor(以下簡稱Post或PP)支持的功能有：視頻／圖像的縮放；視頻格式轉(zhuǎn)換；顏色空間轉(zhuǎn)換(RGB<一>YUV)；視頻輸入支持420，422格式，輸出支持YCbCr420，YCbCr422格式；圖像格式支持16位RGB(565格式)、24位RGB；最大分辨率支持2 048×2 048；支持單幀模式(Per Frame RunMode)和自動模式(Free Run Mode)。

3 結(jié) 語
    本數(shù)字電視系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的對CMMB信號的控制并具有完善的正?；虍惓Ｍ顺鰴C制。接收CMMB標(biāo)準(zhǔn)(H．264 320*240／AAC)的音視頻數(shù)據(jù)時，播放速率達(dá)到25幀／s。畫面流暢，停頓少，沒有明顯的馬賽克。界面友好，操作簡便，功能穩(wěn)定，同時具有較高的實時性。