如何選擇滿足移動(dòng)VoIP設(shè)備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的系統(tǒng)架構(gòu)
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(shè)備向消費(fèi)者和商業(yè)用戶提供。In-Stat預(yù)測(cè)到2010年，消費(fèi)市場(chǎng)每年將需要1.18億部IP電話。
基于IP的語音和視頻新業(yè)務(wù)的引入將引發(fā)對(duì)新的手持設(shè)備和通信設(shè)備的大量需求，這些設(shè)備將變得日益復(fù)雜。人們期望它們?cè)谡Z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。今天的消費(fèi)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。在如何滿足設(shè)備快速上市、支持語音、即時(shí)消息和視頻，以及移動(dòng)性(設(shè)備必須全天拔掉插頭)等方面，為OEM既提供了很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，也提供了機(jī)會(huì)。
功能融合面臨的挑戰(zhàn)
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)品上已有的語音功能和短消息功能與像視頻和臨場(chǎng)感這類的新業(yè)務(wù)結(jié)合在一起。開發(fā)能夠提供全雙向的語音和視頻通信的無線產(chǎn)品與只能提供語音、或者提供語音和單向視頻業(yè)務(wù)的產(chǎn)品相比，所面臨的挑戰(zhàn)肯定要大得多。系統(tǒng)硬件必須足以處理所預(yù)期的計(jì)算負(fù)荷和數(shù)據(jù)流，同時(shí)還必須維持較低的BOM成本，并提供較長的電池壽命。
IP語音通話需要一些功能和處理的融合。此外，對(duì)于用戶接口和應(yīng)用層來說，這些處理包括通話控制、語音編解碼、回波消除和抖動(dòng)緩沖。IP可視通話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音/視頻(A/V)流同步。其結(jié)果是需要一個(gè)復(fù)雜的和協(xié)調(diào)的組合功能，包括大量的控制功能，還有原始數(shù)據(jù)處理以及復(fù)雜的功率管理方法。適合于某種處理應(yīng)用的最佳架構(gòu)未必就是另一種應(yīng)用的最佳，于是迫使設(shè)計(jì)師必須采取一些系統(tǒng)折衷。
系統(tǒng)架構(gòu)的選擇
影響系統(tǒng)架構(gòu)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(yùn)算量并快速消耗寶貴的系統(tǒng)資源。一個(gè)普通的手機(jī)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(yīng)用的視頻流處理，在如ARM926ERISC這樣的處理器上實(shí)現(xiàn)時(shí)，也需要高達(dá)200MHz的處理能力。該載荷就可能使移動(dòng)平臺(tái)中的通用主CPU的性能飽和，而沒有多余的資源去處理維持一個(gè)通話所需的其他各種處理。相比而言，一個(gè)普通的語音窄帶編解碼器G729只需要25-30MHz，聲學(xué)回波消除大概需要45-50MHz，而通話的管理(SIP堆棧等)僅需要5-10MHz。
不直接占用上述CPU預(yù)算的其他一些處理也十分重要，因?yàn)樗麄冎苯佑绊懹脩趔w驗(yàn)。其中一個(gè)例子就是語音流和視頻流的同步。語音和視頻數(shù)據(jù)包流是彼此獨(dú)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(duì)另一種有較大的延遲，從而出現(xiàn)不同的抖動(dòng)和數(shù)據(jù)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)，在可視通話過程中將會(huì)出現(xiàn)“唇同步”問題。
盡管同步并不是一個(gè)很大的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，但同步算法和實(shí)現(xiàn)，包括抖動(dòng)緩沖管理，都需要特別小心方可達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。有效的方法是，將該處理與總的系統(tǒng)控制和編解碼處理管理緊密地協(xié)調(diào)。一種最好的方案是將同步處理放在實(shí)現(xiàn)更高級(jí)功能的系統(tǒng)通用主CPU上來實(shí)現(xiàn)。
幾種系統(tǒng)架構(gòu)的比較
對(duì)于IP語音和視頻應(yīng)用有幾種系統(tǒng)架構(gòu)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語音和視頻－特別是針對(duì)移動(dòng)無線平臺(tái)的，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了大量的特殊要求。選用任何一種架構(gòu)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(gòu)具有一定的吸引力。因?yàn)樗械墓δ芎唾Y源都在一起，簡(jiǎn)化了任務(wù)間的協(xié)調(diào)。在增加功能、改變功能或?qū)崿F(xiàn)升級(jí)時(shí)最具靈活性。但不利的是，采用單CPU的系統(tǒng)，性能受最高時(shí)鐘頻率的限制。便攜式應(yīng)用中的絕大多數(shù)應(yīng)用處理器的時(shí)鐘頻率范圍為300MHz-400MHz。這顯然不能滿足提供視頻功能的便攜式VoIP通信產(chǎn)品的需求。通過增強(qiáng)指令集可以幫助改善這一問題，但是還不足以將系統(tǒng)性能提高到能夠使絕大多數(shù)應(yīng)用滿意的地步。盡管在一些應(yīng)用中通過多個(gè)RISC應(yīng)用處理器來協(xié)助克服這一問題，但通常的方案是增加更多的專用嵌入式運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，例如專用的硬件加速器或DSP。
最近幾年，從硅面積來看，嵌入式DSP的成本大幅下降，使得它們?cè)谕ㄐ乓纛l流(如編解碼和回波消除等)的一些專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(xiàn)用于支持高質(zhì)量語音的寬帶編解碼方面，嵌入式DSP也是一個(gè)不錯(cuò)的方法。
增加一個(gè)處理視頻功能的專用嵌入式硬件加速器是有潛在吸引力的方案，因?yàn)樗赡茉跐M足功率和成本預(yù)算的同時(shí)，能夠滿足性能需求。專用的加速器雖然可能提供最佳的性能，但它畢竟是專用的，因而缺乏靈活性，如適用于MPEG4的加速器對(duì)于H.264來說卻不是最佳方案。而且在需要對(duì)編解碼進(jìn)行升級(jí)、需要增加功能，或者為了滿足OEM或消費(fèi)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(duì)編碼優(yōu)化的加速器對(duì)于解碼來說很可能不是最佳方案。很多視頻編解碼是不對(duì)稱的，即編碼采用不同的算法并需要比解碼任務(wù)多得多的運(yùn)算資源。這就意味著在消費(fèi)類產(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?yàn)槲挥趦啥说氖殖衷O(shè)備(或其他終端設(shè)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(yīng)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(gòu)選擇。盡管是兩個(gè)器件，該方案在保持靈活性和能夠?yàn)榱烁淖儺a(chǎn)品需求而進(jìn)行升級(jí)的同時(shí)，有可能提供最佳的性能。系統(tǒng)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(fù)雜性，但多處理器方案在嵌入式系統(tǒng)中并不鮮見，并且已經(jīng)開發(fā)出了能夠成功處理這些類型的軟件架構(gòu)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的各種策略。
一個(gè)處理器/協(xié)處理器架構(gòu)可以在不超過通用CPU性能條件下，直接克服滿足視頻編解碼方面所固有的各項(xiàng)挑戰(zhàn)。用于其他便攜式多媒體應(yīng)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滿足新功能、升級(jí)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)專門為高度并行算法(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似，用一個(gè)特別適合于視頻處理的可編程CPU來處理視頻流。
應(yīng)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?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi 接口上的全雙工語音和視頻，它已經(jīng)有了成功的實(shí)現(xiàn)案例，并計(jì)劃用于一款新型的消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。所有高級(jí)的呼叫建立和管理、音視頻同步以及應(yīng)用層都在一片BCM1161 VoIP器件上運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)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無線網(wǎng)絡(luò)接口，BCM1161提供了為實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有成本效益的Wi-Fi手機(jī)的語音所需的全部功能。
圖1：Wi-Fi 視頻電話的硬件架構(gòu)
為了支持Wi-Fi視頻，在設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)BCM2702預(yù)處理器。如前所述，具有視頻功能的系統(tǒng)需要增加(或分配)大量的系統(tǒng)運(yùn)算資源來支持視頻編解碼。要支持一個(gè)呼叫進(jìn)程，需要分配系統(tǒng)總的運(yùn)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(yīng)用處理器上的運(yùn)算負(fù)荷減到最小。這樣還預(yù)留了響應(yīng)圖形用戶界面所需的應(yīng)用處理器帶寬。在圖2里給出了與音視頻數(shù)據(jù)流、處理器編碼的色彩相關(guān)的軟件功能。視頻編解碼在專用于此目的的BCM2702上實(shí)現(xiàn)。所有其他的運(yùn)算任務(wù)都被分配到BCM1161上。
圖2：在處理器/協(xié)處理器架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的IP音視頻數(shù)據(jù)流
該方案在性能、功耗、成本和可升級(jí)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(fèi)類手持產(chǎn)品所期望的所有功能，并能升級(jí)到支持語音功能(只利用高端視頻產(chǎn)品)。未來我們期望有更多的處理架構(gòu)可供選擇。下一代的多媒體設(shè)備將集成通用CPU以及專門處理視頻和圖形處理任務(wù)的協(xié)處理器，將成為對(duì)未來消費(fèi)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。
廣嵌教育
相關(guān)閱讀: