如何選擇滿(mǎn)足移動(dòng)VoIP設備設計挑戰的系統架構
2010/01/18
目前，VoIP市場(chǎng)正在快速發(fā)展，每天都有很多新業(yè)務(wù)和新設備向消費者和商業(yè)用戶(hù)提供。In-Stat預測到2010年，消費市場(chǎng)每年將需要1.18億部IP電話(huà)。
基于IP的語(yǔ)音和視頻新業(yè)務(wù)的引入將引發(fā)對新的手持設備和通信設備的大量需求，這些設備將變得日益復雜。人們期望它們在語(yǔ)音和文本消息之外，還能夠支持各種新型的通信業(yè)務(wù)，如視頻消息、可視通話(huà)。今天的消費者希望他們能夠具有成本效益地在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行通信。在如何滿(mǎn)足設備快速上市、支持語(yǔ)音、即時(shí)消息和視頻，以及移動(dòng)性(設備必須全天拔掉插頭)等方面，為OEM既提供了很多設計挑戰，也提供了機會(huì )。
功能融合面臨的挑戰
下一代的移動(dòng)產(chǎn)品正在探索新的、將各種通信功能組合到一起的好處，特別是將目前產(chǎn)品上已有的語(yǔ)音功能和短消息功能與像視頻和臨場(chǎng)感這類(lèi)的新業(yè)務(wù)結合在一起。開(kāi)發(fā)能夠提供全雙向的語(yǔ)音和視頻通信的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品與只能提供語(yǔ)音、或者提供語(yǔ)音和單向視頻業(yè)務(wù)的產(chǎn)品相比，所面臨的挑戰肯定要大得多。系統硬件必須足以處理所預期的計算負荷和數據流，同時(shí)還必須維持較低的BOM成本，并提供較長(cháng)的電池壽命。
IP語(yǔ)音通話(huà)需要一些功能和處理的融合。此外，對于用戶(hù)接口和應用層來(lái)說(shuō)，這些處理包括通話(huà)控制、語(yǔ)音編解碼、回波消除和抖動(dòng)緩沖。IP可視通話(huà)又增加了一些額外的要求，主要包括視頻編/解碼，色彩顯示緩沖和管理以及語(yǔ)音/視頻(A/V)流同步。其結果是需要一個(gè)復雜的和協(xié)調的組合功能，包括大量的控制功能，還有原始數據處理以及復雜的功率管理方法。適合于某種處理應用的最佳架構未必就是另一種應用的最佳，于是迫使設計師必須采取一些系統折衷。
系統架構的選擇
影響系統架構的一個(gè)主要因素是與視頻相關(guān)的編解碼。很清楚的是，視頻編解碼需要很大的運算量并快速消耗寶貴的系統資源。一個(gè)普通的手機上的視頻編碼任務(wù)是MPEG4編碼，分辨率為QCIF，幀率為每秒15幀。即使這樣的簡(jiǎn)單應用的視頻流處理，在如ARM926ERISC這樣的處理器上實(shí)現時(shí)，也需要高達200MHz的處理能力。該載荷就可能使移動(dòng)平臺中的通用主CPU的性能飽和，而沒(méi)有多余的資源去處理維持一個(gè)通話(huà)所需的其他各種處理。相比而言，一個(gè)普通的語(yǔ)音窄帶編解碼器G729只需要25-30MHz，聲學(xué)回波消除大概需要45-50MHz，而通話(huà)的管理(SIP堆棧等)僅需要5-10MHz。
不直接占用上述CPU預算的其他一些處理也十分重要，因為他們直接影響用戶(hù)體驗。其中一個(gè)例子就是語(yǔ)音流和視頻流的同步。語(yǔ)音和視頻數據包流是彼此獨立的，而且可能走不同的網(wǎng)絡(luò )通道。因此，有可能一種碼流相對另一種有較大的延遲，從而出現不同的抖動(dòng)和數據包丟失。另外，音頻和視頻流之間的時(shí)鐘速率也不同。如果同步性能比較差時(shí)，在可視通話(huà)過(guò)程中將會(huì )出現“唇同步”問(wèn)題。
盡管同步并不是一個(gè)很大的運算負擔，但同步算法和實(shí)現，包括抖動(dòng)緩沖管理，都需要特別小心方可達到預期的結果。有效的方法是，將該處理與總的系統控制和編解碼處理管理緊密地協(xié)調。一種最好的方案是將同步處理放在實(shí)現更高級功能的系統通用主CPU上來(lái)實(shí)現。
幾種系統架構的比較
對于IP語(yǔ)音和視頻應用有幾種系統架構可以選用，包括基于一個(gè)通用處理器的方案，處理器上帶有專(zhuān)用硬件加速器，或處理器帶有分離的可編程協(xié)處理器。如上所述，IP語(yǔ)音和視頻－特別是針對移動(dòng)無(wú)線(xiàn)平臺的，對系統設計增加了大量的特殊要求。選用任何一種架構都必須采取一些折衷。表1列出了這方面需要考慮的一些折衷。
采用單CPU架構具有一定的吸引力。因為所有的功能和資源都在一起，簡(jiǎn)化了任務(wù)間的協(xié)調。在增加功能、改變功能或實(shí)現升級時(shí)最具靈活性。但不利的是，采用單CPU的系統，性能受最高時(shí)鐘頻率的限制。便攜式應用中的絕大多數應用處理器的時(shí)鐘頻率范圍為300MHz-400MHz。這顯然不能滿(mǎn)足提供視頻功能的便攜式VoIP通信產(chǎn)品的需求。通過(guò)增強指令集可以幫助改善這一問(wèn)題，但是還不足以將系統性能提高到能夠使絕大多數應用滿(mǎn)意的地步。盡管在一些應用中通過(guò)多個(gè)RISC應用處理器來(lái)協(xié)助克服這一問(wèn)題，但通常的方案是增加更多的專(zhuān)用嵌入式運算節點(diǎn)，例如專(zhuān)用的硬件加速器或DSP。
最近幾年，從硅面積來(lái)看，嵌入式DSP的成本大幅下降，使得它們在通信音頻流(如編解碼和回波消除等)的一些專(zhuān)用處理方面成為更具成本效益的解決方案。同時(shí)，嵌入式DSP方案在性能、功率管理、可編程性和音頻流處理成本方面提供了較好的平衡。同樣，在實(shí)現用于支持高質(zhì)量語(yǔ)音的寬帶編解碼方面，嵌入式DSP也是一個(gè)不錯的方法。
增加一個(gè)處理視頻功能的專(zhuān)用嵌入式硬件加速器是有潛在吸引力的方案，因為它可能在滿(mǎn)足功率和成本預算的同時(shí)，能夠滿(mǎn)足性能需求。專(zhuān)用的加速器雖然可能提供最佳的性能，但它畢竟是專(zhuān)用的，因而缺乏靈活性，如適用于MPEG4的加速器對于H.264來(lái)說(shuō)卻不是最佳方案。而且在需要對編解碼進(jìn)行升級、需要增加功能，或者為了滿(mǎn)足OEM或消費者的新需求而需要進(jìn)行更新或做出其他改變時(shí)，也不是一個(gè)實(shí)用的選擇。
同樣，一個(gè)針對編碼優(yōu)化的加速器對于解碼來(lái)說(shuō)很可能不是最佳方案。很多視頻編解碼是不對稱(chēng)的，即編碼采用不同的算法并需要比解碼任務(wù)多得多的運算資源。這就意味著(zhù)在消費類(lèi)產(chǎn)品中用于音視頻回放且為解碼而優(yōu)化的硬件加速器并不適合于編碼。這種方案不適用于雙向通信產(chǎn)品，因為位于兩端的手持設備(或其他終端設備)必須既能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼，也能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼。
一個(gè)應用處理器與可編程視頻/圖形協(xié)處理器相配，提供了第三種架構選擇。盡管是兩個(gè)器件，該方案在保持靈活性和能夠為了改變產(chǎn)品需求而進(jìn)行升級的同時(shí)，有可能提供最佳的性能。系統功能在通用CPU和協(xié)處理器CPU之間進(jìn)行了劃分。這就增加了軟件劃分的復雜性，但多處理器方案在嵌入式系統中并不鮮見(jiàn)，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能夠成功處理這些類(lèi)型的軟件架構和設計挑戰的各種策略。
一個(gè)處理器/協(xié)處理器架構可以在不超過(guò)通用CPU性能條件下，直接克服滿(mǎn)足視頻編解碼方面所固有的各項挑戰。用于其他便攜式多媒體應用的可編程協(xié)處理器是一個(gè)理想的解決方案，它能夠提供可編程性來(lái)滿(mǎn)足新功能、升級或其他涉及變化所引發(fā)的各種要求。它將視頻功能卸載到一個(gè)專(zhuān)門(mén)為高度并行算法(用在視頻處理和圖形顯示中)優(yōu)化的CPU上。與采用一個(gè)DSP用于音頻流處理所做的相類(lèi)似，用一個(gè)特別適合于視頻處理的可編程CPU來(lái)處理視頻流。
應用案例
該方法的一個(gè)例子如圖1所示。該方案支持接入到本地無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的Wi-Fi 接口上的全雙工語(yǔ)音和視頻，它已經(jīng)有了成功的實(shí)現案例，并計劃用于一款新型的消費產(chǎn)品設計。所有高級的呼叫建立和管理、音視頻同步以及應用層都在一片BCM1161 VoIP器件上運行。為實(shí)現這些功能采用了一片嵌入式通用ARM926E RISC CPU，還有一片嵌入式DSP用于音視頻編解碼和回波消除。利用一個(gè)BCM4318E 802.11b/g Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口，BCM1161提供了為實(shí)現一個(gè)具有成本效益的Wi-Fi手機的語(yǔ)音所需的全部功能。
圖1：Wi-Fi 視頻電話(huà)的硬件架構
為了支持Wi-Fi視頻，在設計中采用了一個(gè)BCM2702預處理器。如前所述，具有視頻功能的系統需要增加(或分配)大量的系統運算資源來(lái)支持視頻編解碼。要支持一個(gè)呼叫進(jìn)程，需要分配系統總的運算資源的70%或者更多。協(xié)處理器提供了這些資源，并使BCM1161上的主應用處理器上的運算負荷減到最小。這樣還預留了響應圖形用戶(hù)界面所需的應用處理器帶寬。在圖2里給出了與音視頻數據流、處理器編碼的色彩相關(guān)的軟件功能。視頻編解碼在專(zhuān)用于此目的的BCM2702上實(shí)現。所有其他的運算任務(wù)都被分配到BCM1161上。
圖2：在處理器/協(xié)處理器架構中實(shí)現的IP音視頻數據流
該方案在性能、功耗、成本和可升級性的平衡方面最具吸引力。它是一個(gè)具有成本效益的解決方案，提供支持音視頻功能的Wi-Fi消費類(lèi)手持產(chǎn)品所期望的所有功能，并能升級到支持語(yǔ)音功能(只利用高端視頻產(chǎn)品)。未來(lái)我們期望有更多的處理架構可供選擇。下一代的多媒體設備將集成通用CPU以及專(zhuān)門(mén)處理視頻和圖形處理任務(wù)的協(xié)處理器，將成為對未來(lái)消費者頗具吸引力的主流多媒體通信產(chǎn)品和業(yè)務(wù)中具有成本效益的解決方案。
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