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1、浙江工业大学硕士学位论文基于嵌入式Linux的无线多媒体传输系统设计与实现姓名：戴洁申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：俞立;孟利民20071118浙江工业大学硕士学位论文基于嵌入式L i n u x 的无线多媒体传输系统设计与实现摘要近年来，多媒体技术与网络技术的迅速发展，以声音、图形、图像、文本等为主的多媒体通信成为时代的主题，受到人们越来越多的关注。同时，随着高速无线通信的发展，多媒体和无线通信这两个领域技术相互交叉，产生了新的技术无线多媒体技术。而随着计算机技术逐步步入所谓的。后P C 时代”，无线多媒体终端也相应地向小型化，嵌入式方向发展，其强大的功能和广阔的应用前景
2、，使之成为近年来该领域的一个研究热点。本课题来源于浙江省科技厅资助项目“基于D S P 技术的全数字实时无线多媒体传输系统的研制”，通过对相关国际标准、关键技术和现有产品的研究和分析，完成系统整体设计方案，并实现了原型系统以进行技术验证。本论文的主要研究内容和成果如下：1 通过比较和研究多种音频、视频编解码标准，提出了适合在资源受限系统中应用的编解码规则，并且利用音视频同步算法和回音消除算法进行优化，使系统更好地满足了音视频传输实时性的需要；2 提出了无线多媒体系统的总体框架，介绍了基于A R M 9($3 C 2 4 1 0)处理器为硬件平台，嵌入式L i n u x 操作系统为软件平台，W
3、 L A N 为传输媒介的平台构架和环境搭建，其中包括软硬件选型，交叉编译环境的建立、B o o t l o a d e r、L i n u x内核镜像、文件系统的编译、配置和下载：3 实现了上层应用程序模块化设计，从功能上分为五大模块：音视频采集模块、R T P 协议无线传输模块、音视频同步模块、音视频播放，显示模块和回音消除模块，并通过L i n u x 多线程编程技术实现了各个模块的代码化，论文给出了各个模块实现的关键技术和算法流程。最后的实验结果表明，媒体流能在整个系统中得到平稳、实时、同步地处理。本课题所研究的基于嵌入式L i n u x 的无线多媒体系统可广泛应用于视频监控、信浙江
4、工业大学硕士学位论文息家电、智能小区、远程抄表等领域，具有很强的实用价值，同时也对未来嵌入式系统研究和无线多媒体技术研究起到一定的参考作用。关键词：无线多媒体，音视频压缩，嵌入式L i n u x，无线局域网，$3 C 2 4 1 0浙江工业大学硕士学位论文D E S I G NA N DI M P L E M E N T A T I o No F，I R E L E S SM U I J I M E D I AT R A N S M I S S I O NS Y S T E M SB A S E Do NE M m E D D E DL I N U XW i t ht h ep r o 鲁-
5、e s so ft h em u l t i m e d i aa n dn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s,m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n sh a v eb e c o m et h et h e m eo ft h i sa g ea n db e i n gc o n c e r n e db ym o r ea n dm o r ep e o p l e M e a n w h i l e，a st h ec o m p u t e rt
6、e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l yg o t t e no n t ot h es o-c a l l e d p o s t-P Ce r a”，w i r e l e s sm u l t i m e d i as y s t e mi se n c o u n t e r i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n gs m a l l，e m b e d d e dd e v e l o p m e n t I tw i l lb e c o m eah o t s p o ti nr e c e n ty e
7、a r sf o ri t so u t s t a n d i n gp t 刑F 0 1 巾1 a n c ea n dab 1 o a da p p l i q#i o np r o s p e c t si nm a n y矗c l d s W i t ht h ep r o j e c to f R e a l-T i m eD i g i t a lT r a n s m i s s i o nS y s t e mb a s e do nt h eD S PA p p l i c a t i o n w h i c hi ss u p p o r t e db yZ h e j
8、i a n gS c i e n c e&T e c h n o l o g yD e p a r t m e n t，v i ar e s e a r c ht or e l a t e dk e yp o ho fs t a n d a r d sa n dt h e o r i e s，t h i st h e s i sc o m p l e t et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e ma n da n a l y z e sa n dt e s t st h es y s t e mp e
9、 r f o r m a n c ef m a l l y F i r s t l y,t h r o u g hs t u d y i n ga n dc o m p a r i s o nt o w a r d s s o m ek i n d so f a u d i oa n dv i d e oc o d e c，t h es i n l p l i 矗c dc o d e ca l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt om e e tt h en e e d so ft h er e s o u r c e-l i m i t e ds y s
10、 t e m S e c o n d l y,at o t a lb l o c kd i a g r a mo faw i r e l e s sv i d e os y s t e mi sb e e np u tf o r w a r da n dt h es y s t e mb a s e dO i lt h eA R M 9($3 C 2 4 1 0)p r o c e s s o ra sh a r d w 暂e，t h eE m b e d d e dL i n u x 越s o f t w a r ea n dW L A Na st r a n s m i s s i o n
11、m e d i u mi Sb e e nd e s c r i b e sa n db u i l to n,i n c l u d i n gh o wt oH l a k ec h o i c e，c r o s s-c o m p i l ee n v i r o n m e n tb u i l d i n g，B o o t l o a d e r,L i n u xk e r n e l，f i l es y s t e mc o m p i l i n g，c o n f i g u r i n ga n dd o w n l o a d i n g S u b s e q u
12、 e n t l y,t h ef i v ep a r t s：A Vc a p t u r eb l o c k,R T Pp r o t o c o lw i r e l e s st r a n s m i s s i o nb l o c k,A Vs y n c h r o n i z a t i o nb l o c k,A Vd i s p l a yb l o c ka n de c h o-e l i m i n a t i o nb l o c ka l ew e l lm o d u l a r i z e da n dt h e i rf u n c t i o n
13、sa g er e a l i z e db yu t i l i z i n gt h em u l t i t h r e a dt e c h n o l o g yp r o v i d e db yL i n u x T h et h e s i sg i v e st h ek e yi s s u e sa n d浙江工业大学硕士学位论文f l o wc h a r to f e v e r ym o d u l e F t n a n y,t h et e s tr e s u l ts h o w st h ew h o l es y s t e ms u c c e s s
14、 f u l l ym a n a g e dt h em e d i as t r e a mi nas m o o t l l r e a l t i m ea n ds y n c h r o n o u sw a y I tc a nb ew i d e l ya p p l i e dO i lv i d e oc o n t r o l l i n g,i n f o r m a t i o nh o u s e h o l da p p l i a n c e s，i n t e l l e c t u a ld i s t r i c t，r e m o t em e t e
15、rr e a d i n ge t e a n di tC a l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ef u t u r er e s e a r c ho fE m b e d d e ds y s t e ma n dw i r e l e s sm u l t i m e d i a K e yW o r d s：W t r e l e s sM u l t i m e d i a，a u d i o v i d e oc o d e c E m b e d d e dL i n u x，W i l e s sL A N，S 3 C 2 4
16、 1 0浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：衮晤日期：加踔f 月占日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部
17、或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密阱(请在以上相应方框内打吖”)作者签名：获绝导师签名：荔1 铀日期：碡日期：J 叫i 年1 月少日r 月a 日浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 引言从亘古时代的烽火传讯、鸿雁传书到现代的邮政电信业务，人类通信的发展经历了各种通信手段的更新换代。随着科学技术的发展和社会需求的增长，人们已不再满足于由电话、电视、传真和电子邮件等单一媒体提供的传统的语音和文字通信，而是需要数据、图形、图像、音频和视频等多种媒体信息以超越时空限制的集中方式作为
18、一个整体呈现在人们眼前。多媒体通信正是应这种信息多元化的要求而出现的，它将计算机的交互性、通信的分布性和多媒体的现实性完美地结合在一起，提供给人们一种全新的信息服务。I 司时，随着高速无线通讯的发展，综合语音、数据、音视频业务的无线多媒体应用越来越普遍a无线多媒体传输作为多媒体和无线通信这两个领域技术相互交叉的产物，一方面向人们提供了高质量的多媒体服务，另一方面也展现了一个广阔的技术领域。伴随着上世纪九十年代末计算机网络的成熟，到二十一世纪，技术发展正逐步走入了所谓的“后P C 时代”。在这一阶段，人们开始考虑如何将客户终端设备变得更加智能化、数字化，从而使得改进后的客户终端设备轻巧便利、易于
19、控制或具有某些特定的功能。多媒体终端也相应地向小型化，嵌入式方向发展。口电话、P D A、数字电视、I P r 以及信息家电等提供运算、存储和联网功能的嵌入式终端产品迅速出现，特别是基于无线技术的嵌入式多媒体终端设备更是受到市场的青睐。它们的出现给人们的日常生活带来了巨大的便利，也使嵌入式研究成为当今的一大热点。1 2 无线多媒体通信及嵌入式系统概述1 2 1 无线多媒体通信发展根据I E T F(互联网工程任务组)的定义，多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信息声音、图像、图形、数据、文本等的新型通信方式。多媒体技术的发展可以认为是计算机技术、通信技术、大众传播技术等各自发展的最
20、终汇合J，7 0 8 0年代它们各自发展，9 0 年代开始逐步融合，到2 1 世纪初这三大技术就已经很难分开了。世界著名M L C 多媒体实验室创始人N N e g r o p o n t e 教授估计，这三大技术有9 0 以上部浙江工业大学硕士学位论文分将重合。多媒体通信首先是在计算机通信网中发展起来的脚。高性价比的P C 和工作站的超速发展为承载图像、数据、文本、语音等多种业务的多媒体通信提供了技术保证。多媒体技术的发展，使计算机处理跨越了单一媒体的简单形式，有效地带动了多媒体压缩、存储和处理技术的发展，计算机也因此无所不能而更加贴近信息时代的人性化应用：通信技术的发展，使计算机跨越了信息
21、时代的“孤岛”，计算机也由于多媒体信息的网络传输，而支撑起一个群体性、交互性和分布性的协同工作环境。随着W W W 技术的迅速发展和普及，多媒体压缩、解压缩技术，以及通信技术的长足发展，多媒体通信己经和I n t e r n e t 结合在一起，并以各种形式走进人们的生产和生活中，多媒体通信技术的发展大大缩短了计算机和通信之间的距离，将计算机的交互性、通信的分布性、实时性完美地结合在一起，向人们提供全新的信息服务。多媒体通信的蓬勃发展很快使人们认识到有线通信的制约：大量铺设线路使设备成本及维护费用大幅度提高，而业务量和业务类型的扩充却受到诸多限制，个人移动性和终端移动性无法充分实现，因而难以满
22、足未来个人通信的需要。与之相反。无线通信由于其固有的优点：架设灵活方便、适于移动等，正在越来越受到人们的关注。无论是在可视电话，门禁监视系统，智能大厦管理，视频会议，酒店同络服务、远程教育等各个领域，无线多媒体传输业务都具有广阔的应用前景，必将成为未来多媒体应用的主流。第三代移动通信系统也将提供多媒体服务作为其内核，无线多媒体通信必将成为下一代通信的主流。目前，我国的无线多媒体通信正从模拟向数字过渡。从业务方面看，已经从单一的话音业务向多种业务发展。话音、数据到多媒体业务的出现，日趋激烈的竞争反过来促使技术革新的步伐不断加快。传统的电信公司已成功地提供高质量的电话、高速数据、图像、I n t
23、e r n e t 按入和低速数据业务，同时有线电视公司已经成功地提供了高质量的单向视频业务。两类运营公司均努力在其运营的网络上开放多媒体通信业务。然而任何一家传统的媒体运营者都没有提供多媒体通信的绝对优势，这使得二者开始在提供多媒体通信方面进行竞争。同时，其他竞争者(如原先竞争接入和高速率数据传送业务的提供者)也纷纷加入到多媒体通信业务的竞争之中。近年来，随着网络带宽不断增加，同时信息处理技术也不断进步，从技术角度来看，向用户提供满足服务质量要求的多媒体通信业务越来越趋于成熟“。浙江工业大学硕士学位论文1 2 2 嵌入式系统定义及特点什么是嵌入式系统(E m b e d d e dS y s
24、 t e m)?广义上讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统1 4】。举例来说，个人计算机(P c)不是一种嵌入式系统，因为它是用于通用目的的系统。而一些电话系统就是采用个人计算机技术建立的嵌入式计算机系统，最典型的嵌入式系统如手机、可视电话等；另外还有一些嵌入式系统采用特殊的微处理器，如传真机、打印机等。狭义上而言，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。一般的嵌入式系统的设计过程是：从产品定义开始，接着进行硬件设计然后将软件或操作系统移植到硬件上，并且进行应用程序的开发，最后经过测
25、试与调试后即开始销售或使用。根据英国电机工程师协会所做的定义“嵌入式系统是控制、监视或辅助某个设备、机器甚至工厂运行的设备”，嵌入式系统应该具备以下4 个特性四：执行特定的功能以微处理器与外围设备构成核心需要严格的时序与稳定性全自动操作由上述可知，嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，整个综合体的设计目的在于满足某种特殊功能，并应用于各类具体的应用系统中，例如，实验仪器、办公设备、医疗设备，甚至航天设备，等等。嵌入式系统的特点可总结为以下5 点。(1)嵌入式系统是面向特定应用的：嵌入式系统的这个特点，决定了嵌入式处理器的千差万别。在P C 领域，处理器基本上就只有h t e l 和A M D
26、这两个品牌。而在嵌入式处理器领域，有集成了众多通信接口的通信处理器；有集成了音频、视频接口用于摄影摄像的专用处理器：还有低功耗的手机处理器等。几乎每一个特定的市场，每一种特定的功能，都会有一种特别的嵌入式处理器与之对应。(2)嵌入式系统的软件相对固定：还是因为嵌入式系统的专用性，所有嵌入式系统使用的软件往往都是针对特定系统特定功能而专门开发的。(3)嵌入式系统的实时性：我们必须清楚并不是所有的嵌入式系统都具有实时性，而且也不是所有嵌入式系统都应该具备实时性。但是，的确有许多嵌入式系统，尤其是工控领域的嵌入式系统对实时性有着非常商的要求。一3 一浙江工业大学硕士学位论文(4)嵌入式系统的特殊要求
27、：嵌入式系统因为被应用到不同的领域，因此不同的领域对嵌入式系统也有不同的要求。(5)嵌入式系统的“嵌入性”：很多嵌入式系统的用户界面不够友好，甚至没有。这是因为某些嵌入式系统不需要和用户进行数据交互，就能够完成相关的任务。1 2 3 嵌入式系统发展首先嵌入式硬件方面发展至今已经进入了3 2 位时代，其中不可小视微处理器的高速发展。其中A R I d 微处理器核技术广泛应用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已成为R I S C 标准【6】。以A R M 处理器核心为例：A R M 7 系列微处理器的典型处理速度为O 9 M m S，M H z，常见的A R M 7 芯片系
28、统主时钟为2 0 1 3 3 M H z；A I L M 9系列微处理器的典型处理速度为1 I M I P S M H z，常见的A R M 9 系统主时钟频率为1 0 0-2 3 3 M H z。面对要求越来越高的消费群体，或者为满足更高端应用的需要，使用高性能的处理器已成为必然趋势。现在更有A R M l 0 E、A R M l l、S e e u r C o r e 和O p t i m o D E 等A R M 家族成员，这些芯片提供各种各样更加专业、更加丰富的功能接口，针对不同客户需要，可以应用于各种嵌入式设备 7 t。目前包括M o t o r o l a、I B M、I n t
29、e l、A t r a e i、S a m s u n g在内的许多全球知名半导体公司在各个时期都推出了自己的嵌入式芯片，为不同的设计应用提供了广泛的选型余地。在软件方面，自从上个世纪八十年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，逐步形成了百家争鸣的局面，较为流行有V x W o r k s、p S O S、N e e u l e u s、W i n d o w s C E 等等，对开放网络标准的支持也日益扩大。尤其是嵌入式l i n u x，它的源代码完全开放，性能稳定，裁剪性好，支持网络设备及T C P，D 协议，目前已经被成功移植到很多嵌入式C P U 中，是发展嵌入式设备的绝佳资涮
30、刖。1 3 嵌入式无线多媒体系统总体设计方案1 3 1国内外研究现状目前国内外在多媒体通信和嵌入式技术飞速发展的基础之上逐步将嵌入式多媒体系统应用于以下几个分支：会议系统视频会议系统也称会议电视系统，是集通信、计算机技术、多媒体技术于一体的远程异地通信方式。视频会议的发展越来越趋于大众化。应用也更加广泛，一系列视频会议系浙江工业大学硕士学位论文统相应标准的出现促使视频会议向着低速化、网络化和数据化的方向发展，基于电话网和坤网的新代视频会议将成为发展的主流。如果我们把视频会议领域看作成为一个生态圈，那么这个生态圈中目前是由以下角色组成的：(I)产品提供商产品提供商目前是视频会议领域中的核心组成部
31、分，他们研发和生产多种类型的视频会议产品及系统，包括M C U(多点控制器)、G a t e w a y(R 关)、G d I e k e e p e r(网闸)、V i d e oC l i e n t(视频终端)、v i d e oS e tt o p(机顶盒式视频终端)、电话会议终端产品等多种产品，以及提供网络平台通讯系统、管理工具和配件。产品提供商在该行业中可以直接面对最终用户，或者通过中间代理商，都可以直接从市场获得基于产品销售的利润。由于视频会议系统涉及的产品较多，国内外著名的产品提供商之中很少有提供全方位的系统产品，如P O L Y C O M、V C O N、V T E L、中
32、兴通讯、华为通讯等在终端产品上占有较多优势，E Z E N I A、A C C O R D 在M C U 产品上居于领先位置。目前深圳瑞福特在国内是首家全方位产品体系提供商。(2)通讯网络运营商通讯网络运营商是视频会议系统赖以生存的基础平台，同时网络环境也限制了视频产品的技术发展和市场推动。他们在投入大量的资金进行基础建设后，需要寻找上层的服务提供商和产品提供商，来为自己的网络创造增值服务。同时，由于通讯网络运营商自身条件的影响，一般都具备巨大的品牌效应，产品提供商通过与他们的合作，是为产品提供全面的解决方案和快速创立品牌的基本途径。目前视频会议领域的通讯网络运营商基本上由I T 业界的骨干网
33、络运营商和部分I S P商组成，在国内如电信、网通、联通、铁通、卫通等。(3)行业应用系统提供商面对广大的企业用户市场，通用的会议式产品必须要根据企业的实际功能需求和使用模式，进行一定的改变，特别是在协同工作(文件共享)方面。这就产生了具备丰富的行业应用经验，拥有良好的客户资源的提供商，他们能够根据实际的案例，综合各方面的条件和资源，提供完全符合特定行业需求的行业应用系统。目前视频会议系统主要应用行业有政府、教育、金融、电讯、石油、电力等。浙江工业大学硕士学位论文(4)服务平台提供商服务平台提供商是在通讯网络的基础上，为客户提供远程视频会议系统租用和其它A S P 服务。他们面对的是直接客户，
34、但是这种服务平台投资大，不过回报稳定，在行业中属于长期项目。目前在国内，铁通和网通已经开始建立个人用户的视频会议服务平台。(5)内容提供商：内容提供商是在行业应用平台服务上层的专业服务机构，他们面对特定的专业客户，提供相应的内容服务，比如远程教学的内容服务、实时股评服务等。内容提供商通过收集、整理、编辑和发布特定的资讯内容和课程，并组织、协调客户之间的关系来获得服务利润。通过以上分析我们不难看出，现在视频会议领域已经形成了以个人和企业为重心，包括内容服务的三大应用服务市场。监控系统视频监控系统正从模拟监控系统向数字视频j l 氲控系统发展其中数字视频监控系统中的嵌入式视频系统由于其优越的性能受
35、到越来越多的关注。数字视频监控系统采用数字信号传输，以计算机网络为传输媒介，在远端获取图像信号，由P C 系统进行压缩处理后，使用网络传输协议传回本地，与硬盘录像、各种探头、云台镜头控制结合起来，以达到远程监控的目的，广泛应用于远程培训、视频广播等领域。在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速堀起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数
36、控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。点播系统视频点播系统简称V O D(v i d e oO nD e m a n d)，它是多媒体技术和网络技术相结合的产物。数字电视和W T V 的出现让观众在享受丰富的视频节目的同时，还能体验到参与和互动。流媒体经过了特殊的压缩编码很适合在互联网上传输，随着宽带网络和信息家电的发展，流媒体技术会越来越广泛应用于视频点播系统，目前很多大型的新闻娱乐媒体都在6浙江工业大学硕士学位论文G S M 网络中提供了音视频点播节目。从电脑点播系统中独立出来的机顶盒V O D 点播系统，已经开始在专业应用领域崭露头角。随着专业领域的检验和认可，这机顶
37、盒V O D 点播系统在酒店、K T V 等传统商用环境中的出镜率必然也会得到更大提升，一个新的技术、产品转型期已经到来，V O D 点播系统也将进入全新的机顶盒时代。青藏铁路信息点播系统堪称我国今年来V O D 最高水平，因其对系统稳定性要求极高，其中对点播系统的要求就包括：耐受高原低温低气压等极端环境、全天候不死机、经受持续振动(包括对误操作和个别粗暴使用情况的承受力)、无人值守、零维护、系统安装实施快捷方便等，这些苛刻的要求只有借助高性能、高稳定性的工控机才能做到。在以上基础上产生了具备无线通信能力的个人数字助理(P D A：P e r s o n a lD i g i t a lA s
38、 s i s t a n t)和智能手机设备(S m a r t P h o n e)的成功上市。C D M A 和3 G 的网络目前都支持一些综合多媒体业务，人们可以使用手机随时随地享受轻松上网的乐趣，收发电子邮件，下载多媒体数据和游戏，使沟通不再有地域及时域的限制。无线多媒体和智能家居相结合，更是为方便幼童及老弱病残的监护以及餐饮点菜提供了应用方案。国外有许多大公司都从事嵌入式多媒体的研究，也有不少产品面市，尽管如此，很多关键技术仍然不能掌握在国内公司手中，比如关键压缩技术及一些口软核的设计方法，这使得产品的价格通常都十分昂贵，一些对价格敏感的项目只能对其望而却步。此外，无线通信的发展方向
39、是提供灵活的、无缝的、高质量的多媒体业务为适应这种业务发展，无线通信系统需要满足多媒体业务对宽带高速率的更高要求。无线音视频实时传输的距离和速率也是一个不小的瓶颈，现有的多媒体音视频采集和显示系统用于工业、小区监控和视讯会议等场合大多采用终端为嵌入式-)巾c 的方式。并且目前许多市面上基于嵌入式的多媒体设备仍然使用模拟和基于以太网的有线方式，这在功能性和方便性方面都大打折扣。1 3 2 本文整体框架及创新点本次课题目的是设计一个无线多媒体视音频传输系统。就国内外现有产品的缺陷，我们提出了一种基于嵌入式 嵌入式端到端的无线多媒体传输解决方案，由发送端和接收端两个子系统实现音视频数据及控制信号的采
40、集、压缩、传输和显示等处理。系统功能框架如图1 1 所示。发送子系统其中视频和音频采集模块负责采集模拟信号，把采集到的视频数据发送到嵌入式视频管理模块，经过压缩处理，再与控制信号一起由无线网卡模块浙江工业大学硕士学位论文发送到接收端；接受端子系统通过相反的处理，恢复出视频和音频数据及控制信号。通过控制信号可以开关并控制视频数据的发送与接收。整个系统为无线多媒体视音频的传输提供了端到端的解决方案，可被广泛应用在远程监控、视频电话等各种领域。发送端和接收端设备都包括嵌入式视频管理模块和无线收发模块。无线收发模块运作在2 4 G 频段，符合I E E E 8 0 2 1 i b 无线局域网协议。嵌入
41、式视频管理模块实现对整个系统的统筹控制，核心芯片采用基于A R M 9 2 0 T 内核的R I S C 处理器$3 C 2 4 1 0 X，操作系统采用经过裁减的L i n u x2 4 1 8。图1-1 系统功能框架图整个无线视频传输系统大致分为3 层：基于S a m s u n g$3 C 2 4 1 0 的硬件电路系统、嵌入式L i n u x 操作系统和功能实现层。具有多种接口以$3 C 2 4 1 0 为核心的硬件电路系统构成了整个系统的底层硬件开发平台。嵌入式L i n u x 操作系统，包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议等，并提供了大量的系统调用接口
42、(s y s t e mA P I)，方便上层系统的调用。它负责统一管理整个硬件系统平台，协调各设备正常运行。一S 一浙江工业大学硕士学位论文最上层是整个系统的功能实现层，即应用程序层，将具体实现视频采集、视频压缩、无线收发、视频显示的应用程序部分。系统的总体构架如图1 2 所示。嵌入式L i n u x 操作系统图1 2 系统总结构架图该系统的主要创新点如下：采用嵌入式 一专嵌入式设备之间的通信而不是嵌入式 P c 的模式，与普通的嵌入式产品相比，很大程度降低了成本节省了开支却也给开发者带来了处理器资源受限的问题，开发者不得不考虑如何在资源有限的情况下傲到流媒体的压缩，同步、及优化处理。全数
43、字通信技术，与传统的模拟通信技术不同，信号受天气和无线电干扰的影响比较小，也易于对数据进行恢复和处理。无线收发模块采用W L A N 方式，传输速率高。点对点传输距离达1 0 0 米以上，而且通过A P 可以方便的接入到i n t e r n e t 网中，实现远距离传输。嵌入式L i n u x 操作系统，其中开源的A P I 函数大大提高了开发效率，增加了可移植性和可靠性。1 4 本文所做的工作及组织安排本课题来源于浙江省科技计划项目。基于D S P 技术的全数字实时无线多媒体传输系统的研制”，本人主要负责以下工作：(1)阅读了大量有关嵌入式系统的技术资料，特别是对嵌入式L i n u x
44、 的驱动开发和应用开发相关的技术进行了研究；(2)分析了嵌入式无线多媒体系统的现状及其发展趋势：(3)设计并实现了以$3 C 2 4 1 0 处理器为核心的嵌入式硬件平台，主要包括$3 C 2 4 1 09 一浙江工业大学硕士学位论文主体电路设计、以太网接口、L C D 接口、U S B 接口、R S 2 3 2 接口等，给出了相关的原理图和系统的P C B 图，并对系统电路板作了焊接与调试；(4)系统软件平台的构建：建立交叉编译环境；针对视频终端的硬件平台，对嵌入式L i n u x 内核进行了修改并移植；B o o t l o a d e r 的移植；文件系统的移植。(5)流媒体压缩算法和
45、关键技术的实现：适合处理速度首限的音视频压缩算法；音视频同步及回音消除优化算法。(6)系统各个模块的选型及其驱动、应用程序开发：音视频采集模块的选型及其驱动的移植。视频采集程序的编写；音视频传输模块的选型及其驱动的移植，基于R T P 协议的视频传输程序的编写；音视频播放，显示程序的编写。本文的内容组织安排如下：第一章绪论介绍了多媒体系统的现状和发展以及嵌入式技术特点及发展趋势；提出了一个嵌入式无线多媒体传输系统的系统框架。第二章比较和研究多种视频、音频编解码标准及关键技术，分析其利弊。第三章根据现有音视频编解码算法提出并实现了适合于资源受限系统的嵌入式无线多媒体音视频压缩及处理算法。第四章讲
46、述了软硬件平台的选型和搭建硬件主要包括S 3 C 2 4 l O 主体电路设计和外围接口电路设计，软件包括交叉编译环境的建立，B o o t l o a d c r、L i n u x 微内核、文件系统的编译、配置和下载。第五章介绍了无线视频终端的各个模块的实现，开发了相应的应用程序。第六章总结本论文的研究工作以及需要改进的地方。第2 章音视频编解码标准及关键技术2 1 音频编解码标准2 1 1 语音编码策略及M O S 评判随着信息社会和通信技术的高速发展，频率资源愈发显得宝贵。因此，压缩数字语音信号的传输带宽或降低电话通道的传输码率，一直是人们追求的目标，语音编码在实现这一目标中担当着重要
47、角色。语音编码就是压缩语音信号的数字表示而使表达这些信号的比特需求最小的算法【9】。语音编码目前主要分为三类，即波形编码、参数编码和混合编码。波形编码力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状，它通常将语音信号作为一般的波形信号来处理，具有适应能力强，语音质量高等优点，但它所需要的比特率高，通常能在6 4-1 6 k b s 的速率上给出高的编码质量，当速率进一步降低时，其性能会迅速下降。参数编码则通过对语音信号特征参数进行提取和编码。力图使重建语音信号具有尽可能高的可懂性，即保持原语音的语意，这使重建语音信号的波形同原始语音信号的波形可能会有相当大的差别，但其码率很低，可低至2 4-1 2
48、k b s。参数编码的主要问题是合成语音质量差，特别是自然度较低，另外，它对讲话环境噪声比较敏感，只有在安静的讲话环境下才能给出高的可懂性。混合编码则克服了波形编码和参数编码的弱点，同时又结合了二者的长处，在4-1 6 k b s 码率上能得到高质量的合成语音。在混合编码技术中，只需分析一小部分的波形和提取关键的语音参数，使用提取出的参数对语音样值进行合成，并将其与原始波形进行比较，然后编码器根据实际样值和合成值之间的差异进行参数调节。对于语音编码器而言，基于感性M O S 分的主观质量测量更可靠。通常认为，M O S分在4 O 4 5 时为高质量数字化语音，达到长途电话网的质量要求，接近于透
49、明信道编码t也常称之为网络质量。M O S 分在3 5 左右时称作通信质量，这时能感到重建话音质量有所下降，但不妨碍正常通话，可以满足多数话音通信系统的使用要求。M O S 分在3 0 以下时，称为合成语音质量，这时重建语音具有足够的可懂度，但自然度及讲话人的确认等方面不够好。表2-l 1 0 概括了M O S 评价等级。浙江工业大学硕士学位论文表2-1M O S 语音质量评判等级M O S 级主观意见质量5(优)失真察觉不到透明4(良)失真刚有察觉长途3(中)失真有察觉且稍觉可厌通信2(差)失真能明显察觉且可厌，但可忍受合成1(坏)失真不可忍受，非常可厌坏2 1 2 语音编码标准及其应用现状
50、人们对通信方式共同的强烈需要是语音编码标准存在的原斟1。制造商、服务商和消费者都意识到，他们共同感兴趣的是有一个公共标准。对于一个假想的新应用来说，不同的卖主对同样的目的可以建议非常不同于他人的私有标准，这样将导致不同卖主的产品互相不兼容，难以实现一个私有标准完全占领市场的目的。只有在标准框架上达成协议，形成新的标准，才能真正实现不同卖主的利益共享。国际电信联盟电信标准部(I n t e m a t i o l m lT e l e c o m m u n i c a t i o nU n i o n-T e l e c o m m u n i c a t i o nS t a n d a r