基于3G多媒體傳輸控制系統的設計

摘 要:本文以OMAP3530為平臺，介紹了一種基于CDMA2000的3G網絡視頻播放系統的設計方案，利用嵌入式系統實現了視頻文件的遠程傳輸和播放，并通過對mplayer軟件及算法的優化，提高了系統的性能，經過測試，達到了較好的效果。

關鍵詞:OMAP3530 CDMA2000 Mplayer 3G 嵌入式系統

中圖分類號:TN915\t\t文獻標識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0017-02

目前，市場上的流媒體播放設備大部分分為2種類型，一種仍是單片機流媒體播放設備，這種設備僅僅只能靠自身的存儲設備來自動循環播放流媒體文件;另一種是嵌入式流媒體播放設備，不過其流媒體更新還局限于局域網內部傳輸或者GPRS傳輸，前者傳輸速度較快但是受地域的局限性影響，而后者屬于第二代通信系統，視頻文件的傳輸速率受到很大影響。隨著第三代移動通信技術的普及和嵌入式技術的成熟以及高性能嵌入式處理器的飛速發展，我們完全可以利用3G無線網絡傳輸速率的優勢，搭載ARM系利嵌入式平臺，使流媒體傳輸不受地域限制，能快速有效的傳輸。同時，由TI公司生產的OMAP3530高性能處理器，能夠完全很好的處理音視頻播放以及讀寫大容量SD卡。本文設計了一種基于先進微處理器(ARM)的3G移動多媒體播放器，結合了3G無線傳輸技術的傳輸距離遠、成本低、接入方便等優點和嵌入式多媒體播放系統的體積小，功耗小等特點，能夠快速、高效和大容量存儲傳輸流媒體文件并實現實時播放功能。

1 系統的基本結構

本系統采用中央服務器/客戶機模式，由智能無線多媒體終端和一個發送流媒體文件的服務器組成，采用以太網(TCP/IP)實現信息傳播，可以實現一點對多點及集中方式對終端進行控制播放。系統由中央控制器(視頻播放服務器)、播放控制軟件、網絡平臺、網絡型播放終端機構成。

1.1 系統的基本框架

該系統具備的功能為:(1)無線通信功能:終端啟動后自動連接上DynDNS服務器，方便服務器通過3G網絡無線更新并存儲流媒體文件內容;(2)信息管理:既可以通過3G網絡對成百上千個終端播放情況進行集中統一的管理，也可以分級分區進行分布式管理。可對所有終端播放公共信息，或僅針對一個終端播放個體信息[1];(3)遠程受控:隨時接收并執行服務器端發送的任務;(4)服務器端能夠對遠程終端實現靈活的管理，可對相應終端進行實時播放和本地播放控制以及查詢該終端本地播放內容和刪除終端本地播放內容等操作，可監控各終端工作狀態，多媒體播放質量不受帶寬制約。

本系統的處理器是用TI公司生產的OMAP3530，采用了ARM+DSP的雙核處理器(ARM CortexTM-A8處理器)，能夠將速度從 600MHz(不包括NEON，追蹤技術和二級高速緩沖存儲器)提高到1GHz以上，集成了NAND Flash控制器、SD/MMC控制器、LCD控制器、SPI接口控制器等。

嵌入式操作系統構成如下:(1)Bootloader使用TI公司專為其產品開發的啟動代碼U-BOOT;(2)內核采用Linux2.6.28;(3)文件系統選擇與NAND Flash兼容較好的UBI文件系統。本文設計的嵌入式無線終端系統的硬件體系結構如圖1所示。

1.2 3G在嵌入式上的驅動

第三代通信系統采用的是CDMA2000，CDMA2000做到了對CDMA(is-95)系統的完全兼容，為技術的延續性帶來了明顯的好處:成熟性和可靠性比較有保障，同時也使CDMA2000成為從第二代向第三代移動通信過渡最平滑的選擇。

3G無線網絡在本設計中主要通過數據的發送與接收，實現終端與服務器的通信，因此，3G模塊在ARM9上的驅動，使得ARM9實現最終上網功能顯得異常重要。本設計的3G模塊采用了ETCOM公司生產的E300USB接口無線模塊。E300是一款CDMA EV-DO的Rev.A產品，下載速度可達到3.1Mbps。它采用傳統USB2.0接口，技術上采用美國高通6085芯片，支持多頻段工作、支持外接TF卡從而可以具備U盤功能，在綜合測試中顯示出了多樣化的功能和優異的通訊性能。

由于USB總線是主機和外設之間的一種連接，它只擔當設備和主控制器之間的通信通道的角色。所以當3G模塊通過USB總線接入OMAP3530中時，我們必須將其驅動程序向子系統注冊，在宿主機上編譯內核，進入系統內核/drivers/usb/serial，在option.c中添加E300的vendor和product這兩個ID號0x1bbb和0x000f。然后再編譯內核中的SCSI device support 以及USB support，這樣生成的內核拷進OMAP3530中。

當3G無線網卡插入USB總線的時候，USBcore就會調用probe方法來檢測被傳遞進來的信息，以確定3G無線網卡與驅動程序是否相匹配。當3G無線網卡被拔出時，USBcore就會調用disconnect的方法來完成卸載。無線網卡的驅動與USBcore的通信時是通過批量方式來傳送的。而后將撥號腳本及所需文件存放在OMAP3530文件系統的/etc/ppp目錄下:evdo-connect-chat、evdo-disconnect-chat、resolv.conf、/peers/evdo。其中evdo-connect-chat和evdo-disconnect-chat是chat的腳本;evdo是pppd腳本，里面配置了pppd程序參數;resolv.conf是域名服務器配置文件[2]。至此，可以執行PPP撥號實現3G無線網絡的接入功能。試著PING外網，如果PING通就說明終端系統已實現上網功能。

2 嵌入式流媒體傳輸軟件層次結構

2.1 系統軟件的主流程(如圖2所示)

系統開啟后，Bootloader啟動，完成了硬件設備的初始化，并引導系統內核啟動。系統執行完初始化任務后，首先自動驅動3G模塊實現上網功能，而后接收來自服務器端傳來的多媒體文件數據，與此同時系統自動掛載SD卡，調用Mplayer播放多媒體文件，在LCD上顯示出來。整個系統的軟件部分的實現可以分成三個部分:終端軟件設計、服務器軟件設計和播放器的實現。

2.2 終端軟件設計

終端軟件控制部分其主要功能是通過USB控制E300模塊和服務器進行通信，程序一開始就不斷監聽服務器端的呼叫，一旦收到服務器的連接請求呼叫，就會自動連接服務器端的IP。連接成功后，終端就會開始等待服務器端傳來的命令，收到文件傳輸命令后就開始和服務器進行通信。本系統客戶機端有兩種播放形式可供選擇。

流媒體實時播放形式。ARM終端通過3G模塊連接到服務器端，通過讀取服務器端的內容，實現與服務器端的音視頻內容同步實時播放。這樣，就能很好的控制系統終端的播放內容，實現了播放內容的實時更新。同時，加入了通信報錯功能，如果某臺基于ARM模塊的客戶機終端因為網絡故障或者機械故障等原因沒有連上服務器端，服務器端會有提示。如果服務器端顯示出某個ARM模塊因為網絡故障沒有連上服務器端，終端系統會自動播放SD卡上已存儲的音視頻文件，并每隔半小時，系統自動重啟3G模塊搜索網絡。

傳輸到SD卡后實現播放。由于實時在線播放成本過于高昂，很多情況下采用系統傳輸音視頻文件到ARM模塊的SD卡內存儲再實現音視頻循環播放。一旦有流媒體文件要發送時，服務器端通過無線廣域網或有線廣域網發送音視頻文件，客戶端的智能無線多媒體終端通過3G模塊傳送接收音視頻文件并送入ARM模塊處理，同時存儲到ARM模塊上的SD卡內，通過媒體播放軟件mplayer進行播放最終實現流媒體的播放。系統能遠程監控ARM模塊，具有二級審核功能，可以遠程刪除SD卡內文件的，比如發送錯誤的文件或者一些過期的文件，我們可以在服務器端及時刪除;也能在服務器端實時檢測到ARM模塊正在播放的音視頻文件;當有緊急通知等即時信息播報時，系統能迅速切回到流媒體實時播放形式，在第一時間將最新鮮的資訊傳遞給受眾人群[3]。同時，當系統因為網絡故障或者機械故障等原因沒有連上服務器，服務器端會有提示。該終端支持AVI/MP4/WAV/MPEG4/H.264等音視頻解碼標準。

2.3 服務器軟件設計

服務器端應用程序主要分為主線程和用戶線程。主線程主要負責用戶線程的創建等工作。用戶線程主要是發送對終端的控制指令和接收反饋信息，以實現文件的傳送，實時播放，讀取終端播放情況等功能。在數據傳輸過程中可能出現連接中斷的情況，為此程序中采取了斷電續傳以及超時重傳等功能，保證了數據的可靠傳輸。

由于服務器是通過3G模塊終端移動接入Internert，每次撥號后獲得的都是動態IP，為了解決這個問題，本系統使用了DDNS服務器。DDNS是將終端用戶的動態IP地址映射到一個固定的域名解析服務上，用戶每次連接網絡的時候客戶端程序就會通過信息傳遞把該終端的動態IP地址傳送給位于服務商主機上的服務器程序，服務器程序負責提供DNS服務并實現動態域名解析。基于成本與技術層面的考慮，要求DDNS服務器滿足:免費;提供Linux客服端;速度快的要求，我們最終使用了DynDNS，把交叉編譯的客戶端放到終端運行，并讓它在系統啟動的時候自動去更新IP。這樣，終端就能夠對固定域名IP進行解析后連接到服務器，從而使終端播放視頻的地點和方式更加的靈活、方便。服務器的流程圖如圖5所示，客戶機終端接收到文件后就能自動通過Mplayer在液晶屏幕上播放出來。

2.4 播放器的實現

系統的視頻文件播放器選擇的是Mplayer，該播放器具有廣泛的輸出設備支持;強大的播放能力;OSD功能以及強大的音頻支持。又因其是免費開源的，且能很好的移植進多種平臺，Mplayer的軟件包中含有針對ARM構架的優化代碼，能加速對流媒體文件的處理速度，還能方便的加入新的解碼函數。

Mplayer包含六個模塊:流接口，解復用器，主控制，解碼器，視頻輸出和音頻輸出模塊。流接口實現了多媒體文件的輸入接口，它可以從網絡，標準輸入，文件等得到多媒體數據。然后通過復用模塊AVI，asf解出相應的音視頻包。音頻視頻包被分派到解碼模塊進行解碼，并通過音頻輸出模塊和視頻輸出模塊進行回放。

3 終端系統性能優化

3.1 播放器的優化

(1)Mplayer自帶的mp3lib庫浮點音頻解碼庫的解碼效率很低，在播放音頻的時候聲音比較拖沓。所以我們選用開源軟件解碼庫libmad，它具有100%定點計算的特點，完全可以取代原來的mp3lib庫，進行音頻解碼[4];(2)Mplayer的視頻解碼優化。通過以上的方法，對視頻解碼進行優化。使播放器的性能得到了較大提高。CPU使用率較沒優化前下降了許多，視頻模仿效果得到較大改善。

3.2 算法的優化

在實時播放過程中，為了能在有限的帶寬下傳輸更高質量的視頻畫質，我們利用H.264標準對視頻進行處理，經過在DSP內實現的H.264視頻壓縮和ARM中實現的負載均衡算法后，能有效提高解碼效率、減少發送數據量、并能充分利用無線網絡帶寬資源。然而H.264的優越性能是以增加計算復雜度為代價的，H.264解碼的復雜度是MPEG-4的3倍。多核處理器的誕生為高復雜度并行程序提供了物理平臺，我們依據不同的子塊類型對應著不同的計算復雜度，通過優化系統和內存降低系統消耗，來獲得更高的加速比，使得整體數據搬運效率得到進一步提高。針對ARM+DSP雙核，利用基于宏塊的細顆粒度并行算法，這種方法可以較好的均衡雙核間的運算量分配問題。然后根據H.264解碼算法的特點，縮減不必要的判斷，合理分配和使用內存，進而提高運行效率。另一方面，我們對代碼進行合理組織，幫助解碼器生成并行度高的代碼。這樣，H.264的解碼速度得到相當大的提高。

于是我們著重采用并行算法來減少片上功耗問題。這樣，對于算法性能也提出了更高的要求，而FFT算法則是音視頻編解碼以及信號處理中的一個重要組成部分。我們主要進行在ARM Cortex-A8平臺上的非原址(Out-of-place)FFT算法的性能優化。利用TI公司提供的LINUX下的C6x codegen tool編譯生成一個解碼算法的庫文件，對OMAP3530的DSP內核進行解碼算法優化。使用Engine_open()建立一個Codec Engine實例，返回一個句柄，供該Engine的示例算法的實例使用。接下來在Engine上用videoEncodeAlgCreat()分配和初始化編解碼引擎。然后為壓縮算法分配內存并用FifoUtil_get()取得數據，調用VIDENC_process()壓縮視頻信號。最后將視頻線程和本地存儲線程交互，將數據寫入SD卡中。經測試，DSP內核通過并行計算，大幅度減少運算循環數量，改善運算效率，大大提高了FFT算法的性能指標，減少片上功耗，比原始的FFT算法運算量降低了近65%[5]。運用新算法后，視頻播放拖沓的問題基本得以解決。

4 測試結果

嵌入式終端與服務器端相隔二十公里左右進行視頻實時播放及文件傳輸測試，終端可以流暢的播放服務器上正播放的內容。在實時播放的同時，一臺服務器端可同時向多個終端分別傳送30M、56M、108M的視頻文件傳輸。經測試，視頻文件分別在10分鐘、18分鐘、27分鐘內接收完畢，并在實時播放結束后順利播放出來，能夠滿足系統的無線傳輸要求。

5 結語

本文設計開發的基于OMAP3530的3G無線通信音視頻播放系統，實現了跨地域遠程數據傳輸，并較好的解決了傳輸速率以及流媒體編解碼技術問題，具有功耗低、實時性好的優點。實踐證明該系統性能和可靠性較高，取得了較好的效果。算法的進一步完備和功能的擴展是下一步需要改進的方向。

參考文獻

[1]\t許艷英，包宋建.基于OMAP3530的無線雙模視頻監控系統設計與實現[J].視頻應用與工程，2011，35(1):115～118.

[2]\tRUBINIA，魏永明，譯.Linux設備驅動程序[M].北京:中國電力出版社，2005.

[3]\tW.Richard Stevens，施正川，等，譯.UNIX網絡編程第1卷:套接口API和X/Open傳輸接口API[M].北京:清華大學出版社，1999.

[4]\t羅少波.基于ESL的Linux多核多媒體解碼器系統研究[D].上海:上海交通大學，2008.

[5]\t王家樑，陳穎琪.基于ARM Cortec-A8平臺的Out-of-place FFT算法優化[J].電子技術，2008，23(10):144～147.

①基金項目:吉林省科技廳重點項目(項目編號:20090315)。