基于WIFI的無線視頻分配器研究

吳 迪，宋曉梅

(西安工程大學電子信息學院，西安 710048)

1 引言

視頻分配器是通過硬件電路把一個視頻信號源平均分配成多路視頻信號，并通過VGA、DVI或是HDMI高清視頻輸出線等將一路視頻信號多路輸出到N個有線連接的顯示器上。廣泛應用于視頻會議、多媒體教學等場合。視頻分配器的最大分配數量一般為4路、8路、16路、32路、64路等，由硬件電路決定，不能再進行擴展。如果需要擴展只能購買新的視頻分配器設備。

目前，視頻信號的應用場合越來越廣泛，這種視頻分配方式已經無法滿足人們的需求。首先，由于有線視頻分配器的線長是一定的，只能在一定距離內使用(一般在20米內)，所以嚴重影響了使用的方便性，而如果利用WIFI技術進行無線收發，使用距離則可以擴展到100米并且能夠適應任何地域環境。其次，由于有線視頻分配器最大承載量一定并且數量比較少，所以對大部分用戶來說接入節點的數量決定了設備的數量和網絡的復雜程度以及成本的高低，而WIFI的最大理論接入數量為65535，實際接入量由于硬件資源與成本關系，系統調度又采用FIFO模式，如果接入量達到FIFO深度時，硬件資源提供的資源不能滿足所有設備同時工作的最大要求，會造成FIFO滿而出現溢出，這時會出現數據丟失的現象，所以接入量最優為100個(不大于100個)，這已經可以滿足大多數用戶的需求。基于這些原因，研究基于WIFI的無線視頻分配問題，以緩解目前所遇到的這一難題。

2 系統組成

視頻信號分為數字視頻信號和模擬視頻信號，在計算機中，數據都是以二進制進行存儲的，也即視頻信號都是以數字信號的形式在計算機中進行傳輸的。但是，數字視頻的數據量非常大，比如一路NTSC制數字電視的信息速率高達216Mbps，這樣的話，1GB容量的存儲器也只能存儲不到10秒鐘的數字視頻。所以，要進行視頻的實時傳輸，必須進行視頻編碼處理。視頻編碼的目的就是在確保實時視頻質量的前提下，盡可能地減少視頻序列的數據量，以便在信道上實時傳輸視頻信息。

將視頻信號進行壓縮編碼以后，就可以傳送到WIFI模塊進行發送。CPU對接收到的數據流進行存儲(在緩存中進行臨時存儲)和轉發(通過WIFI發送模塊)。接收方接收到數據流以后，對數據包進行相同壓縮方法的解壓縮，恢復到視頻信號，進行播放。

文章采用實時性較強的片上系統——ARM9，同時，開發軟件運行于內核態，這樣就有效避免了系統調度延時，可以直接對硬件進行操作。在CPU對接收到的數據進行轉發的過程中，利用DAM方式進行，這樣可以有效地適應視頻信號的大容量性，同時對實時性進行進一步的控制。

圖1 硬件設計框圖

3 軟件設計

3.1 整體設計

軟件設計分為兩部分:上層功能性軟件和底層軟件。其中，上層軟件(包含界面設計等)保證視頻文件的一對多(指定接收端)發送，而底層軟件(基于Linux操作系統)則是通過內核的多線程處理以及數據轉發，來保證視頻文件傳輸的實時性。

圖2 軟件整體設計框圖

3.2 內核多線程處理

內核的多線程處理可以使軟硬件協調工作，提高視頻分配器的實時性、確定性。硬件傳輸具有快速有效以及覆蓋傳輸等特點，需要軟件進行緩沖處理。多線程的目的是為了對收發做互斥處理，盡量減少對多點傳輸的相互影響，而設定優先級是為了使高優先級的操作得到快速有效的傳輸，保證實時的高優先級傳輸操作。

中斷服務程序主要用于軟硬協調。操作系統對中斷操作優先處理，當中斷到達時，需要及時的清除中斷，避免中斷頻發對操作系統正常運行的內核態產生影響，從而使操作系統內核崩潰，進而觸發操作系統內核的自我保護系統，觸發死機現象。由于中斷為硬件觸發，具有高速性，而程序具有延時性，所以為避免在處理中斷的情況下丟失中斷狀態，需要一個中斷服務程序，中斷服務程序采用隊列模式，可以緩存各種中斷狀態并進行對應接收線程的事件觸發。

接收服務程序是為了對數據進行校驗、處理以及對發送線程進行觸發等。

DMA的開啟主要是為了避免CPU參與工作帶來的延時，可以有效的進行多拍讀寫操作，并節省時間。

圖3 線程工作流程框圖

基于以上處理，在系統上電后，硬件進行自檢測。驅動程序根據物理層芯片和鏈路層芯片的狀態寄存器判斷檢測是否完成。如果自檢完成，驅動程序申請系統運行時需要的內核資源，并把物理內存映射為虛擬內存。映射完成后，驅動程序對各個節點進行初始化配置，并啟動系統內核態的收發線程。線程為事件驅動模式，線程如果處于阻塞態，即線程處于無限等待模式，線程掛接的服務程序為對應的收發處理函數。啟動如果失敗則等待重試，如果成功則阻塞當前線程。本設計接收線程的等待事件，由中斷延時處理函數置位。發送線程同樣為事件驅動模式，該線程的等待事件為循序隊列的寫指針置位。

當線程等待事件(接收模塊接收到新數據時)觸發時，線程變阻塞態為就緒態并設置當前線程的優先級。當線程處于運行態時，如果高優先級的線程到達，則低優先級的線程由運行態變為掛起狀態。

圖4 線程狀態轉換圖

當新數據到達時，系統觸發中斷，此時中斷處理函數調用中斷延時處理函數，在延時處理函數中過濾中斷狀態以及觸發對應的線程事件。然后線程啟動，調用處理函數，處理函數啟動DMA(Direct Memory Access——直接內存訪問)搬運數據，并進行數據處理，同時通知發送線程的新數據到達事件。驅動發送線程處理數據，發送線程通過調用發送服務程序，發送接收到的新數據。

3.3 數據轉發

數據轉發——通過隊列模式實現數據轉發。在接收服務程序啟動后，啟動硬件側DMA，把數據從硬件資源緩存到預先申請的內存區，并且通過寫指針把數據存放到指定位置。寫操作完成后，更新寫指針。當發送服務程序啟動后，啟動主機側DMA把數據從內存區搬運到發送模塊硬件資源中。而主機側DMA搬運通過讀寫指針差距獲取需要搬運的大小，搬運完成后，更新讀指針，并檢測讀寫指針是否相等，如果相等則變發送線程為阻塞狀態，如果不相等則繼續搬運數據。

為了節省內存空間，使內存區循環利用，本設計采用循環隊列模式。當讀寫指針到達內存區最大地址時，則通過設置使讀寫指針從最小地址再次開始，如此循環復用。當指針跳變(最大地址變到最小地址)時，若讀指針地址大于寫指針地址，則需要進行邊緣處理，即讀指針與讀指針最大值進行比較搬運數據，當輪換為最小時與寫指針比較搬運數據。

圖5 循環隊列工作框圖

DMA搬運數據的效率可以控制在1.2us/M以下，所以不會出現內存溢出的現象(內存溢出現象為當讀指針大于寫指針一個周期時，進行內存溢出報錯的現象)。

數據轉發時使用循環隊列對數據進行緩存，可以緩存6000×512K字節的數據包，保證傳輸的確定性。所謂確定性就是數據傳輸過程中出現的錯誤現象可預知，并通過一定的手段避免這種現象的發生。由于收發數據進行線程切換，并協調線程工作，因此，執行時不能保證數據接收發送過程中系統內核態時間片的占用，從而可能使系統的操作對收發數據有影響。

4 硬件選擇

4.1 視頻編解碼芯片選擇

視頻圖像的國際編解碼標準有:JPEG、JPEG 2000、H.261、H.263、H.264，以及 MPEG － 1、MPEG－2、MPEG－4，根據其壓縮比和比特率的不同。其應用場所也有所不同，其中，H.264即先進視頻編碼標準(Advanced Video Coding)，比特率為8Kb/s～100Mb/s。在結構上和算法上，H.264在H.263的基礎上進行改進，擁有更高的編碼效率，可節省50%左右的碼率。而它自適應的時延特性，使其既可以工作于低時延模式下(如視頻會議)，也可以用于沒有時延限制的場合(如視頻存儲)。同時，H.264引入了面向IP包的編碼機制，有利于網絡中的分組傳輸，支持網絡中視頻流媒體的傳輸。符合利用WIFI進行視頻轉發的需要，故采用基于H.264的編解碼芯片。

芯片選擇富士通的高清H.264編解碼芯片MB86H51，運行頻率為27MHz/108MHz，可以對應1，920 ×1，080(60i/50i)、1，440 × 1，080(60i/50i)、1，280 ×720(60p/50p)、720 ×480(60i)、720 ×576(50i)等不同分辨率輸出，流碼率最大支持20Mbps。

4.2 WIFI模塊選擇

WIFI是IEEE定義的無線網技術，基于802.11系列標準。目前廣泛使用的WIFI基于802.11n，傳輸速度為52Mbps，而在此基礎上制定的802.11ac標準的5GWIFI，即工作在5GHz頻段上，數據吞吐量為:在單通道鏈路上的最低速率為500Mb/s，最高可達到1Gbps。

802.11 ac的物理層是對802.11n標準的延續，并且后向兼容。理論上說802.11n在使用了40MHz帶寬和4個空間流后可以達到最高600Mbps的數據速率，盡管目前很多無線設備只能支持2路空間流。對于802.11ac來說，理論上使用160MHz帶寬，8個空間流，MCS9編碼，256QAM調制，最高速率能達到6.93Gbps。而真正可以使用的數據速率大概是1.56Gbps。

芯片選擇博通5G WIFI 802.11ac系列整合式系統芯片，可根據家庭和企業選擇不同的芯片，包括適用于中小企業路由器和網絡附接儲存裝置(NAS)的StrataGX BCM5301x系列，以及支持家用路由器和網關的 BCM4708x系列。其中 BCM5301x相比BCM4708x系列，CPU性能更高，接口更豐富，可為中小企業的網絡運作和視頻會議提供更好的支持。而BCM4708x系列可為消費者提供在家中或移動中更可靠、無縫地連接，以及清晰流暢的網絡視頻觀看。

5 設計分析

通過上述軟硬件設計，現假設一部高清電影需占用1G的存儲空間，使用H.264壓縮編碼后，每秒的數據流通常在30－45MB之間，而5G WIFI的傳輸速度提升到了1Gbps，每秒可以傳輸約125MB的內容。即使加上信道時延所占用的時間(不到0.1s)，信道上每秒大約仍剩余0.5s左右的空閑。而人眼的視覺暫留時間是0.05秒，因此，當連續的圖象變化超過每秒24幀畫面的時候，人眼便無法分辨每幅單獨的靜態畫面，因而看上去是平滑連續的視覺效果。所以，通過WIFI實時地接收和發送多路視頻信號在理論上是可行的。

6 結 束 語

在科技高速發展的今天，人們對視頻等文件傳輸速度的要求越來越高，而千兆無線傳輸速率標準所帶來的傳輸的便捷性也滿足了我們日益增長的無線傳輸需求，為打造新一代無線網絡生活奠定基礎。

文章針對如何利用內核多線程處理和數據轉發、結合H.264視頻壓縮技術和5G WIFI技術實時傳輸視頻文件做出了初步分析。而目前，5G WIFI技術尚不成熟(存在兼容性問題)，相信在不久的將來，隨著5G WIFI技術的發展與成熟，能夠解決視頻文件實時性傳輸的產品將會帶來科技產品的又一次新變革。

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