基于以太網(wǎng)AVB技術(shù)的音視頻編碼器設(shè)計(jì)

謝榮東

摘 要 以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio/Video Bridging，簡稱Ethernet AVB）是一項(xiàng)新的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)，其在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過保障帶寬（ Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），提供完美的服務(wù)質(zhì)量（QoS），以支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用。本文采用音視頻壓縮專用處理器與一種具有以太網(wǎng)AVB功能的交換芯片，設(shè)計(jì)了一種具有優(yōu)良的音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的音視頻編碼器。

【關(guān)鍵詞】Ethernet AVB 網(wǎng)絡(luò)傳輸 音視頻編碼

1 引言

傳統(tǒng)的高清音視頻編碼器一般帶有多個網(wǎng)口，內(nèi)部具有不帶AVB的網(wǎng)絡(luò)交換芯片，但這種設(shè)備在音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸上不太理想，在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)波動時存在視頻卡頓等現(xiàn)象。在這種情況下，我們需要以流媒體技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種真正適合音視頻傳輸?shù)囊粢曨l編碼器，它必須符合流媒體傳輸所特有的連續(xù)性、實(shí)時性與時序性的要求。

流媒體是指在網(wǎng)絡(luò)上嚴(yán)格按時間先后次序傳輸和播放的連續(xù)音、視頻數(shù)據(jù)流。流媒體作為特定意義的數(shù)據(jù)流，它有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：一是連續(xù)性（ continuous），二是實(shí)時性（real-time），三是時序性（time-ordered）。實(shí)時性和質(zhì)量是流媒體的關(guān)鍵問題。為了保證時延和質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制。音視頻等對時間延遲非常敏感，但能容忍某種程度的錯誤（人類視覺冗余度所能接受的）；網(wǎng)絡(luò)文本數(shù)據(jù)等非實(shí)時媒體，則更注重?zé)o誤的傳輸，而在時間上的適度的延遲是可以接受的。

IEEE 802.1 AVB 工作組致力于制定一系列的新標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)有的以太網(wǎng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，主要有精準(zhǔn)時鐘步協(xié)議802.1AS（Precise Timing Protocol）， 流預(yù)留協(xié)議802.1Qat（Stream Reservation Protocol） ， 隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議802.1Qav（Queuing and Forwarding Protocol）。通過建立高質(zhì)量、低延遲、時間同步的音視頻以太網(wǎng)絡(luò)，為家庭或企業(yè)提供各種普通數(shù)據(jù)及實(shí)時音視頻流的局域網(wǎng)配套解決方案?；谝陨戏治?，重新設(shè)計(jì)一種基于Ethernet AVB技術(shù)適合音視頻傳輸?shù)木幋a器顯得十分必要。

2 設(shè)計(jì)方案

本文采用MARVELL? 88e6320是一個單芯片集成7個千兆以太網(wǎng)端口及兩個的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器的交換芯片。該芯片支持最新的IEEE 802.1音視頻橋接（AVB）標(biāo)準(zhǔn)的802.1AS、802.1AS、 802.1AS協(xié)議，這些AVB技術(shù)預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源用于傳輸流和支持精確的流同步，通過這些AVB協(xié)議將音視頻發(fā)送到一個低延遲和服務(wù)保證魯棒性的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

高清視頻編碼器采用海思編碼芯片作為主處理器，完成視音頻壓縮編碼及ARM嵌入式linux系統(tǒng)，設(shè)備具有多路1080P高清輸入接口，多個以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Hi35XX的GMAC接口與88E6320的port6口間通過RGMII接口互聯(lián)，如圖2所示

2.2 網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)

MARVELL? 88E6320包含影響所有的音視頻橋接（AVB）功能的全局寄存器。這些寄存器通過AVBCommand和AVBData寄存器來訪問。通過使用各種AVB塊AVBBlock值訪問以下3個全局 AVB寄存器：0x0 = 802.1AS精確時間協(xié)議（PTP）和時間的應(yīng)用程序接口（TAI）寄存器；0x1 = 802.1BA音視頻橋接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。

經(jīng)過設(shè)置上述3類寄存器，開啟網(wǎng)絡(luò)的AVB功能，保證高品質(zhì)視頻實(shí)時傳輸（高帶寬，低時延，低丟包率）。

該編碼器交換功能在硬件上合并，邏輯上分開，同時有完善的單/組播，流量訪問控制、速度限制、遠(yuǎn)程管理等智能管理功能。

3 測試對比

分別將傳統(tǒng)帶交換功能多網(wǎng)口的編碼器和本文設(shè)計(jì)的編碼器接入支持AVB的以太網(wǎng)交換機(jī)中，同時將2臺同型號的解碼器接入該交換機(jī)中。其中一臺解碼器從傳統(tǒng)編碼器上取流解碼顯示，另一臺解碼器從本文設(shè)計(jì)的編碼器中取流解碼顯示。再用網(wǎng)絡(luò)分析儀往交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)上注入一定的網(wǎng)絡(luò)流量，隨著外加網(wǎng)絡(luò)流量的增加，傳統(tǒng)編碼器首先出現(xiàn)碼騫克現(xiàn)象，圖象的時間明顯加大。經(jīng)過對比測試，該編碼器的視頻實(shí)時性與流暢度明顯高于傳統(tǒng)編碼器。因此，從總體上看，該編碼器具有優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，有很好的應(yīng)用前景。

作者單位

杭州中威電子股份有限公司 浙江省杭州市 310000

摘 要 以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio/Video Bridging，簡稱Ethernet AVB）是一項(xiàng)新的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)，其在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過保障帶寬（ Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），提供完美的服務(wù)質(zhì)量（QoS），以支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用。本文采用音視頻壓縮專用處理器與一種具有以太網(wǎng)AVB功能的交換芯片，設(shè)計(jì)了一種具有優(yōu)良的音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的音視頻編碼器。

【關(guān)鍵詞】Ethernet AVB 網(wǎng)絡(luò)傳輸 音視頻編碼

1 引言

傳統(tǒng)的高清音視頻編碼器一般帶有多個網(wǎng)口，內(nèi)部具有不帶AVB的網(wǎng)絡(luò)交換芯片，但這種設(shè)備在音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸上不太理想，在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)波動時存在視頻卡頓等現(xiàn)象。在這種情況下，我們需要以流媒體技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種真正適合音視頻傳輸?shù)囊粢曨l編碼器，它必須符合流媒體傳輸所特有的連續(xù)性、實(shí)時性與時序性的要求。

流媒體是指在網(wǎng)絡(luò)上嚴(yán)格按時間先后次序傳輸和播放的連續(xù)音、視頻數(shù)據(jù)流。流媒體作為特定意義的數(shù)據(jù)流，它有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：一是連續(xù)性（ continuous），二是實(shí)時性（real-time），三是時序性（time-ordered）。實(shí)時性和質(zhì)量是流媒體的關(guān)鍵問題。為了保證時延和質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制。音視頻等對時間延遲非常敏感，但能容忍某種程度的錯誤（人類視覺冗余度所能接受的）；網(wǎng)絡(luò)文本數(shù)據(jù)等非實(shí)時媒體，則更注重?zé)o誤的傳輸，而在時間上的適度的延遲是可以接受的。

IEEE 802.1 AVB 工作組致力于制定一系列的新標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)有的以太網(wǎng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，主要有精準(zhǔn)時鐘步協(xié)議802.1AS（Precise Timing Protocol）， 流預(yù)留協(xié)議802.1Qat（Stream Reservation Protocol） ， 隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議802.1Qav（Queuing and Forwarding Protocol）。通過建立高質(zhì)量、低延遲、時間同步的音視頻以太網(wǎng)絡(luò)，為家庭或企業(yè)提供各種普通數(shù)據(jù)及實(shí)時音視頻流的局域網(wǎng)配套解決方案?；谝陨戏治?，重新設(shè)計(jì)一種基于Ethernet AVB技術(shù)適合音視頻傳輸?shù)木幋a器顯得十分必要。

2 設(shè)計(jì)方案

本文采用MARVELL? 88e6320是一個單芯片集成7個千兆以太網(wǎng)端口及兩個的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器的交換芯片。該芯片支持最新的IEEE 802.1音視頻橋接（AVB）標(biāo)準(zhǔn)的802.1AS、802.1AS、 802.1AS協(xié)議，這些AVB技術(shù)預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源用于傳輸流和支持精確的流同步，通過這些AVB協(xié)議將音視頻發(fā)送到一個低延遲和服務(wù)保證魯棒性的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

高清視頻編碼器采用海思編碼芯片作為主處理器，完成視音頻壓縮編碼及ARM嵌入式linux系統(tǒng)，設(shè)備具有多路1080P高清輸入接口，多個以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Hi35XX的GMAC接口與88E6320的port6口間通過RGMII接口互聯(lián)，如圖2所示

2.2 網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)

MARVELL? 88E6320包含影響所有的音視頻橋接（AVB）功能的全局寄存器。這些寄存器通過AVBCommand和AVBData寄存器來訪問。通過使用各種AVB塊AVBBlock值訪問以下3個全局 AVB寄存器：0x0 = 802.1AS精確時間協(xié)議（PTP）和時間的應(yīng)用程序接口（TAI）寄存器；0x1 = 802.1BA音視頻橋接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。

經(jīng)過設(shè)置上述3類寄存器，開啟網(wǎng)絡(luò)的AVB功能，保證高品質(zhì)視頻實(shí)時傳輸（高帶寬，低時延，低丟包率）。

該編碼器交換功能在硬件上合并，邏輯上分開，同時有完善的單/組播，流量訪問控制、速度限制、遠(yuǎn)程管理等智能管理功能。

3 測試對比

分別將傳統(tǒng)帶交換功能多網(wǎng)口的編碼器和本文設(shè)計(jì)的編碼器接入支持AVB的以太網(wǎng)交換機(jī)中，同時將2臺同型號的解碼器接入該交換機(jī)中。其中一臺解碼器從傳統(tǒng)編碼器上取流解碼顯示，另一臺解碼器從本文設(shè)計(jì)的編碼器中取流解碼顯示。再用網(wǎng)絡(luò)分析儀往交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)上注入一定的網(wǎng)絡(luò)流量，隨著外加網(wǎng)絡(luò)流量的增加，傳統(tǒng)編碼器首先出現(xiàn)碼騫克現(xiàn)象，圖象的時間明顯加大。經(jīng)過對比測試，該編碼器的視頻實(shí)時性與流暢度明顯高于傳統(tǒng)編碼器。因此，從總體上看，該編碼器具有優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，有很好的應(yīng)用前景。

作者單位

杭州中威電子股份有限公司 浙江省杭州市 310000

摘 要 以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Ethernet Audio/Video Bridging，簡稱Ethernet AVB）是一項(xiàng)新的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)，其在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過保障帶寬（ Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），提供完美的服務(wù)質(zhì)量（QoS），以支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用。本文采用音視頻壓縮專用處理器與一種具有以太網(wǎng)AVB功能的交換芯片，設(shè)計(jì)了一種具有優(yōu)良的音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的音視頻編碼器。

【關(guān)鍵詞】Ethernet AVB 網(wǎng)絡(luò)傳輸 音視頻編碼

1 引言

傳統(tǒng)的高清音視頻編碼器一般帶有多個網(wǎng)口，內(nèi)部具有不帶AVB的網(wǎng)絡(luò)交換芯片，但這種設(shè)備在音視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸上不太理想，在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)波動時存在視頻卡頓等現(xiàn)象。在這種情況下，我們需要以流媒體技術(shù)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種真正適合音視頻傳輸?shù)囊粢曨l編碼器，它必須符合流媒體傳輸所特有的連續(xù)性、實(shí)時性與時序性的要求。

流媒體是指在網(wǎng)絡(luò)上嚴(yán)格按時間先后次序傳輸和播放的連續(xù)音、視頻數(shù)據(jù)流。流媒體作為特定意義的數(shù)據(jù)流，它有一些獨(dú)特的特點(diǎn)：一是連續(xù)性（ continuous），二是實(shí)時性（real-time），三是時序性（time-ordered）。實(shí)時性和質(zhì)量是流媒體的關(guān)鍵問題。為了保證時延和質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制。音視頻等對時間延遲非常敏感，但能容忍某種程度的錯誤（人類視覺冗余度所能接受的）；網(wǎng)絡(luò)文本數(shù)據(jù)等非實(shí)時媒體，則更注重?zé)o誤的傳輸，而在時間上的適度的延遲是可以接受的。

IEEE 802.1 AVB 工作組致力于制定一系列的新標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)有的以太網(wǎng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，主要有精準(zhǔn)時鐘步協(xié)議802.1AS（Precise Timing Protocol）， 流預(yù)留協(xié)議802.1Qat（Stream Reservation Protocol） ， 隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議802.1Qav（Queuing and Forwarding Protocol）。通過建立高質(zhì)量、低延遲、時間同步的音視頻以太網(wǎng)絡(luò)，為家庭或企業(yè)提供各種普通數(shù)據(jù)及實(shí)時音視頻流的局域網(wǎng)配套解決方案?；谝陨戏治?，重新設(shè)計(jì)一種基于Ethernet AVB技術(shù)適合音視頻傳輸?shù)木幋a器顯得十分必要。

2 設(shè)計(jì)方案

本文采用MARVELL? 88e6320是一個單芯片集成7個千兆以太網(wǎng)端口及兩個的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器的交換芯片。該芯片支持最新的IEEE 802.1音視頻橋接（AVB）標(biāo)準(zhǔn)的802.1AS、802.1AS、 802.1AS協(xié)議，這些AVB技術(shù)預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源用于傳輸流和支持精確的流同步，通過這些AVB協(xié)議將音視頻發(fā)送到一個低延遲和服務(wù)保證魯棒性的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

高清視頻編碼器采用海思編碼芯片作為主處理器，完成視音頻壓縮編碼及ARM嵌入式linux系統(tǒng)，設(shè)備具有多路1080P高清輸入接口，多個以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Hi35XX的GMAC接口與88E6320的port6口間通過RGMII接口互聯(lián)，如圖2所示

2.2 網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)

MARVELL? 88E6320包含影響所有的音視頻橋接（AVB）功能的全局寄存器。這些寄存器通過AVBCommand和AVBData寄存器來訪問。通過使用各種AVB塊AVBBlock值訪問以下3個全局 AVB寄存器：0x0 = 802.1AS精確時間協(xié)議（PTP）和時間的應(yīng)用程序接口（TAI）寄存器；0x1 = 802.1BA音視頻橋接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。

經(jīng)過設(shè)置上述3類寄存器，開啟網(wǎng)絡(luò)的AVB功能，保證高品質(zhì)視頻實(shí)時傳輸（高帶寬，低時延，低丟包率）。

該編碼器交換功能在硬件上合并，邏輯上分開，同時有完善的單/組播，流量訪問控制、速度限制、遠(yuǎn)程管理等智能管理功能。

3 測試對比

分別將傳統(tǒng)帶交換功能多網(wǎng)口的編碼器和本文設(shè)計(jì)的編碼器接入支持AVB的以太網(wǎng)交換機(jī)中，同時將2臺同型號的解碼器接入該交換機(jī)中。其中一臺解碼器從傳統(tǒng)編碼器上取流解碼顯示，另一臺解碼器從本文設(shè)計(jì)的編碼器中取流解碼顯示。再用網(wǎng)絡(luò)分析儀往交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)上注入一定的網(wǎng)絡(luò)流量，隨著外加網(wǎng)絡(luò)流量的增加，傳統(tǒng)編碼器首先出現(xiàn)碼騫克現(xiàn)象，圖象的時間明顯加大。經(jīng)過對比測試，該編碼器的視頻實(shí)時性與流暢度明顯高于傳統(tǒng)編碼器。因此，從總體上看，該編碼器具有優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，有很好的應(yīng)用前景。

作者單位

杭州中威電子股份有限公司 浙江省杭州市 310000