基于無線公網的廣播級視音頻傳輸系統(tǒng)設計

基于無線公網的廣播級視音頻傳輸系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)的廣播通信方式，如衛(wèi)星、微波、光纖等，存在成本高、系統(tǒng)龐大、操作復雜等問題。在具體工作中，需要許多經過培訓的專家和技術人員進行操作，這很難滿足快速傳輸的需求。隨著移動通信和寬帶無線接入技術的迅猛發(fā)展,通過無線公網傳輸數據變得更加容易。視音頻信號一旦轉換成多媒體數據,只要在無線公網的覆蓋區(qū)內,記者就能隨時隨地傳輸采集到的視音頻信號。但是,目前的廣播級攝像機都沒有配置無線網絡傳輸接口,不能通過網絡直接傳輸信號。本文提出了一種基于無線公網的廣播級視音頻傳輸系統(tǒng),通過視音頻信號的數據轉換編碼,采用同時接入多個商用無線網絡的方法,對視音頻數據進行并發(fā)傳輸,從而能保證實時地將視音頻信號傳送回電視臺,提高電視節(jié)目的時效性。1系統(tǒng)框架的設計1.1實現(xiàn)嵌入式編碼設備本系統(tǒng)設計目的是將攝像機采集的實時視音頻數據經過高質量壓縮編碼,通過無線公網傳輸發(fā)送回電視臺,使得電視臺能接近實時地播放攝像機所采集的視音頻信號。由于此系統(tǒng)前端設備要滿足移動便攜的要求,因此設計的關鍵是要實現(xiàn)既有高質量又有高效率的編碼器,計算復雜度要滿足嵌入式處理器計算能力的要求,解決計算能力和編碼實時性的矛盾。另外,如何充分利用WiFi,3G(WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA)這些無線多接入資源,即WiFi和3G的單接入和多重接入技術并存時,如何管理無線資源、保證服務質量和負載均衡等,從而達到視音頻信號實時高速的傳輸要求,也是系統(tǒng)設計的技術難點。1.2系統(tǒng)總體架構基于無線公網的廣播級視音頻傳輸系統(tǒng)的應用場景是將攝像機實時采集的視音頻信號經過高質量壓縮編碼,通過無線公網快速優(yōu)質地傳輸發(fā)送回電視臺。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示,其工作原理為:視音頻信號由專業(yè)攝像機采集后,輸入到廣播級視音頻編碼和無線傳輸設備,在傳輸設備中進行壓縮編碼和傳輸適配,經過一路或多路無線傳輸通道(3G,WiFi)進行傳輸,在接收端服務器處進行鏈路數據匯聚,合成一路數據流后解碼輸出。系統(tǒng)主要由廣播級視音頻編碼和無線傳輸設備(發(fā)送端)、解碼器(接收端)和服務器鏈路匯聚軟件(接收端)3個模塊組成。發(fā)送端包括視音頻編碼和無線傳輸2個部分。視音頻編碼部分的實現(xiàn)以硬件為主,需要研發(fā)高效低成本的廣播級視音頻編碼硬件平臺,以實現(xiàn)視音頻信號的高質量壓縮編碼;無線傳輸部分的實現(xiàn)基于嵌入式平臺,以軟件為主,需要合理分配各個接入鏈路上的負載,以達到帶寬資源利用最大化,實現(xiàn)實時、高速視音頻傳輸。接收端需要研發(fā)服務器鏈路匯聚軟件和硬件解碼器。2硬件平臺設計系統(tǒng)硬件平臺包括發(fā)送端和接收端2個組成部分。2.1sds-arm首先,SDIInterface的GS2971負責將攝像機輸出的SDI信號轉化為YUV信號。視音頻編碼采用FujitsuMB86H56高清H.264編碼芯片,實現(xiàn)高清H.264編碼功能。MB86H56是新型大規(guī)模集成電路,可支持全高清視頻(1920×1080)的H.264格式下的編、解碼,且具有超低功耗,在進行全高清編碼時,包含內置存儲器的功耗總共僅為500mW,從而使得使用該芯片的便攜式設備在保持高畫質的同時能獲得更長的連續(xù)工作時間。另外,MB86H56還可支持60f/s(幀/秒)逐行掃描的處理速度,從而進一步提升了圖像畫質。MB86H56的輸入采用符合SMTPE標準的YUV信號,輸出則是編碼后的TS流。FPGA則是作為TS流的緩存,負責將TS流提供給S3C2440主控ARM芯片。發(fā)送端支持4路以上無線接入,鏈路接入設備采用成熟的3G上網卡和WiFi上網卡。發(fā)送端無線傳輸的控制由三星S3C2440芯片完成,ARM芯片從FPGA獲取已經編碼的H.264TS數據流,并控制數據流通過不同的無線鏈路發(fā)送。S3C2440芯片采用ARM920T32位高性能CPU,具有獨立的16kI-Cache,16kD-Cache以及MMU單元,標準工作頻率為400MHz,具有450MI/s(兆指令/秒)的運算能力;另外,S3C2440具有NandFlash,SDRAM,SDcard,ISA,Camera,USB等多種擴展口,具有非常強的擴展能力;同時S3C2440的功耗性能也較出色,非常適合便攜式設備的應用。3發(fā)送端方式特殊軟件設計主要實現(xiàn)多接入無線傳輸的環(huán)境適配,解決多個接入并存時,無線資源管理和調度問題。系統(tǒng)將視音頻數據流通過多條無線鏈路同時進行傳輸,以達到較大的傳輸帶寬。發(fā)送端根據各條無線鏈路的鏈路質量分配各條鏈路上的負載,以達到帶寬資源利用最大化。此外,發(fā)送端采用特殊的處理,讓條件較好、發(fā)送速度較快的鏈路幫助鏈路條件較差、發(fā)送速度慢的鏈路發(fā)送一些已經延遲較大的數據包,避免這些延遲較大的數據包降低實時播放的效果。接收端的服務器匯聚軟件是按規(guī)則合并接收到的數據包,并重新組合成為能夠播放的視音頻數據流。3.1無線鏈路的發(fā)送發(fā)送端需要利用多塊3G和WiFi網卡進行數據傳輸。在發(fā)送端開始發(fā)送數據之前,先要建立無線鏈路,然后分別將每條無線鏈路連接到接收端服務器。發(fā)送端主程序的主要功能是探測是否有視音頻數據輸入,是否有數據需要發(fā)送。若有數據要發(fā)送,發(fā)送端主程序將為每條無線鏈路創(chuàng)建一個發(fā)送子線程用來發(fā)送相應的數據。發(fā)送端主程序的流程如圖4所示。3.2接收端主程序需要快速接收端可能同時收到幾個發(fā)送端的連接請求,因此接收端主程序需要能快速反應。如圖5所示,接收端主程序的主要功能是反應發(fā)送端的連接請求,而對請求的具體處理將通過創(chuàng)建的伺服線程來完成。4實際傳輸時長測試系統(tǒng)支持3G和WiFi兩種無線傳輸方式,并可以通過多條3G,WiFi鏈路同時進行傳輸,圖6是該系統(tǒng)采用中國聯(lián)通3G的華為E176G無線上網卡和中國電信3G的上海貝爾C810無線上網卡及某大學的WiFi無線校園網同時進行傳輸時,實際測試的上傳速度、平均時延和最大時延等數據。由圖6中數據可知,3G網絡能支持的上傳速度較穩(wěn)定,平均延時較小,但有時會有較大的延時抖動。WiFi網絡能支持的傳輸速度一般較快,但同時其抖動也較大;在WiFi網絡速度較快時,時延和時延抖動都不大。目前的傳輸速度和時延完全支持廣播級視音頻數據的準實時傳輸,系統(tǒng)實現(xiàn)了利用3G網絡和WiFi網絡進行廣播級視音頻并發(fā)傳輸的設計目標。5傳輸系統(tǒng)的應用該系統(tǒng)利用商用無線網絡覆蓋,使用多種類型不同方式的無線同時接入技術,實現(xiàn)了基于無線公網傳輸廣播級視音頻信號的應用。構建的傳輸系統(tǒng)經過實驗測得,可以并行接入多個寬帶公用無線網絡,支持4路以上并發(fā)無線接入,可傳送不小于500kbit/s的視音頻數據,在網絡狀態(tài)較好的條件下可傳送2Mbit/s以上的視音頻數據。系統(tǒng)已在多個電視臺得到應用,在自然災害等現(xiàn)場報道中發(fā)揮了重要作用。發(fā)送端硬件平臺采用嵌入式平臺,以ARM為核心構建,其結構如圖2所示。2.2視頻解碼及輸出接收端硬件平臺由服務器和解碼器組成。服務器與公網對接,負責多鏈路數據的接