無(wú)線電多媒體通信技術(shù)及其在衛(wèi)星通信中應(yīng)用

張德文++尹訓(xùn)鋒++馮義

摘 要：無(wú)線電多媒體通信技術(shù)是基于對(duì)信息多樣性的需求，利用通用可編程數(shù)字信號(hào)處理器，采用高效的數(shù)據(jù)壓縮算法，減小系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)多媒體信息的窄帶傳輸，窄帶無(wú)線電多媒體通信技術(shù)具有高效的傳輸效率，其在衛(wèi)星通信等無(wú)線電通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：多媒體通信技術(shù) 衛(wèi)星通信 MPEG-4

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（c）-0002-02

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)單一通信媒體已很難適應(yīng)當(dāng)今多元化信息的發(fā)展需求。高速設(shè)備、大容量存儲(chǔ)裝置和高性能計(jì)算機(jī)快速發(fā)展為多媒體通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，多媒體通信是一種新興的信息科學(xué)技術(shù)，是多媒體、通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等相互滲透和發(fā)展的產(chǎn)物，它為文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像、視頻和音頻等不同格式的諸種消息和信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理提供支撐環(huán)境和手段。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

無(wú)線電多媒體通信終端由視頻采集模塊、緩沖控制模塊、圖像壓縮編碼模塊、通信控制模塊和電源模塊等組成，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D采樣編碼后，變成YUV數(shù)字視頻信號(hào)后，然后以16位數(shù)據(jù)總線寬度寫(xiě)入視頻緩存器，視頻緩沖控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻緩存器的讀、寫(xiě)、刷新等控制功能。視頻緩沖器選用SRAM或SDRAM，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)緩存。視頻緩沖控制模塊，采用Xilinx公司的Virtex II pro系列FPGA控制SDRAM實(shí)現(xiàn)。

圖像壓縮編碼模塊，采用TI公司的TMS320DM642，該芯片是TI公司C6000系列高速定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片，它具有靈活的指令系統(tǒng)和操作性能，支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的單獨(dú)或混合編程。TMS320DM642采用改進(jìn)的哈佛處理結(jié)構(gòu)，指令流水線操作，并行處理，計(jì)算和處理速度很高，并行運(yùn)行速度達(dá)到1600MIPS。在片內(nèi)提供128K字節(jié)的RAM用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其最大可擴(kuò)展尋址空間為1M字。TMS320DM642提供的多信道緩沖串口和DMA數(shù)據(jù)傳送方式極大地方便了它在圖像領(lǐng)域的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。

通信模塊采用PowerPC或ARM實(shí)現(xiàn)，根據(jù)信道狀況變化，控制實(shí)現(xiàn)圖像格式、分辨率、壓縮數(shù)據(jù)傳輸碼率調(diào)整。由于現(xiàn)代基于IP的通信網(wǎng)，已經(jīng)成為主流，因此通信接口采用UART和Ethernet接口，在與窄帶無(wú)線電臺(tái)接口是采用UART接口，在與基于IP的數(shù)傳電臺(tái)中采用Ethernet接口。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

多媒體通信技術(shù)最為嚴(yán)重的瓶頸問(wèn)題是有大量的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)、處理和傳輸，其中，最大的數(shù)據(jù)量來(lái)自數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，如30幀/s的活動(dòng)圖像數(shù)據(jù)量達(dá)2 748Kbps，傳輸速率需要2.8Mbps，顯然，沒(méi)有圖像壓縮技術(shù)的進(jìn)步，就難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的多媒體通信。無(wú)線電多媒體通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的核心是圖像壓縮技術(shù)，圖像輸入幀格式采用YCbCr4：2：0，TMS320DM642根據(jù)接收到的命令及發(fā)送數(shù)據(jù)速率等通信狀態(tài)，從視頻緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，然后發(fā)往信道進(jìn)行傳輸，圖像壓縮采用MPEG-4國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法，圖像數(shù)據(jù)壓縮率最低可達(dá)到4～64Kbps。當(dāng)信道為帶寬較寬（>128kb/s），傳輸實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像。

MPEG-4是由MPEG（Moving Picture Esperts Group）開(kāi)發(fā)的IEO/IEC標(biāo)準(zhǔn)。其視頻部分提供了基于自然對(duì)象、合成對(duì)象、自然/合成對(duì)象編碼的幾個(gè)層次。其中Simple Visual Profile主要應(yīng)用于低比特率移動(dòng)通信，其他幾個(gè)層次可應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)多媒體監(jiān)控?cái)?shù)字電視制作與播出等方面。MPEG-4在視頻檢驗(yàn)層中引入了視頻對(duì)象面的概念VOP，它充分利用視覺(jué)生理特性和圖象信源的各種特征，實(shí)現(xiàn)從波形編碼到模型編碼的轉(zhuǎn)變。VOP編碼采用第一代混合編碼方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖像傳輸過(guò)程中，如果預(yù)測(cè)參考幀是I圖像，則經(jīng)過(guò)DCT變換和量化的編碼的I圖像可以通過(guò)反量化和反DCT變換存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中，作為預(yù)測(cè)編碼的參考幀。如果預(yù)測(cè)參考幀是P圖像，則經(jīng)過(guò)DCT變換和量化編碼的該幀殘差數(shù)據(jù)，通過(guò)反量化和反DCT變換再和原來(lái)的參考圖像相加，也形成了預(yù)測(cè)參考幀存入幀存儲(chǔ)器中。

在編碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，用射像頭捕捉到的為640×480的422YUV數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)把它處理成320×240的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其按MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼，最后再把編碼后的數(shù)據(jù)填充成640×480的數(shù)據(jù)顯示。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)DSP中的相關(guān)模塊修改數(shù)據(jù)類(lèi)型、使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、數(shù)據(jù)打包處理、編寫(xiě)匯編代碼、調(diào)用圖像庫(kù)、人工干預(yù)軟件流水等方式對(duì)程序代碼進(jìn)行優(yōu)化，可把原來(lái)實(shí)時(shí)壓縮處理視頻圖像速率為1～2幀/秒的代碼，優(yōu)化為25幀/秒，大大提高了代碼的運(yùn)行速率，達(dá)到實(shí)時(shí)壓縮處理的效果。

3 在衛(wèi)星通信中應(yīng)用舉例

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其在國(guó)防通信、應(yīng)急救生等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，但隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，有限的通信衛(wèi)星資源和日益擴(kuò)大的需求之間的矛盾日漸突出，針對(duì)此問(wèn)題，可將無(wú)線多媒體通信技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星通信中，其應(yīng)用框圖如圖3所示。發(fā)送方把從攝像頭中捕獲到的圖像，應(yīng)用多媒體通信終端進(jìn)行視頻壓縮，壓縮后的碼流通過(guò)衛(wèi)星多功能復(fù)接設(shè)備接入調(diào)制解調(diào)器，然后通過(guò)變頻和放大設(shè)備經(jīng)衛(wèi)星天線發(fā)送到通信衛(wèi)星，接收方將從通信衛(wèi)星接收到的信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大、變頻、解調(diào)和多媒體通信終端解壓縮后送音視頻顯示設(shè)備，進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線電多媒體通信技術(shù)是一種新興的綜合通信技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)可以滿(mǎn)足窄帶條件下信息傳輸多樣化的需求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻傳輸。無(wú)線電多媒體通信技術(shù)可應(yīng)用于衛(wèi)星實(shí)時(shí)視頻通信系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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