媒体信号处理器MAP-CA及其应用实例

摘要：介绍一种高性能媒体信号处理器MAP-CA。它具备对视音频信号进行压缩处理的优化结构和多种方便的标准视音频接口。以MAP_CA为核心处理器设计了一个视音频压缩处理子系统，可应用于需要对视音频进行编解码的不同领域，并给出一个实现脱机DVR设备的实例。 关键词：媒体信号处理器 数字视频记录系统 DVR 能爱畜数字信号处理器虽然具有很高的运算速度，但在多媒体信号处理领域，特别是视频处理方面，通常需要复杂的接口，性能不到充分发挥。媒体信号处理器针对多媒体应用优化了内核结构并提供丰富的媒体接口。与通用的数字信号处理器相比，媒体信号算是器在多媒体应用领域，性能更强大，使用更方便。本文介绍一种典型的媒体处理器MAP-CA，它是由美国Equator公司和日本日立公司联合开发的宽带高速媒体处理器；介绍应用MAP-CA设计的一个对视频、语音进行实时编解码处理的多媒体信号处理子系统，它与另一个嵌入式控制子系统配合，实现了一个完整的数字视频记录系统（DVR）。 图1 MAP-CA功能结构框图 1 媒体信号处理器MAP-CA简介 媒体信号处理器MAP-CA（Media Accelerated Processor for Consumer Appliances）是Equator公司继MAP1000、MAP1000A以后推出的一款高集成度的宽带数字信号处理芯片，特别适用于多媒体信号处理器的产品，如机顶盒、数字电视、视频会议系统、医用图像产品、数字视频编辑设备和办公自动化产品。MAP-CA是针对MPEG1、MPEG2、JPEG、H.263以及语音编码而优化设计的。由于媒体信号处理的核心算法都是基于MAP-CA的软件平台，可以通过增加、删除或者增强一些功能模块，比较容易对最终系统进行升级和改进。因此，MAP-CA是多媒体信号处理应用的一个现成有效的解决方案。 1.1 MAP-CA处理器结构 MAP-CA具有一个高度流水线的超长指令字（VLIW）结构的内核，每个时钟周期可以进行四次操作。具有支持32位和64位的数据运算单元以及专用多媒体运算而设计的128位运算单元。MAP-CA拥有较大容量的片内存储空间，包括32KB的指令缓存和32KB的数据缓存。它具一个非常性能的DMA控制器（DataStreamer）和两个为视频信号处理而设计的协处理器：一个可用来进行变长编、解码，另一个用来实现视频滤波。 MAP-CA的功能结构框图如图1所示。 MAP-CA媒体信号处理器自身拥有PCI总线、SDRAM总线和Flash ROM信号的接口，这些使它可以方便地构成一个独立的系统或者构成一个计算机的子系统，通过PCI总线与计算机主CPU通信。 1.2 MAP-CA处理器功能特性 区别于通用数字信号处理芯片，MAP-CA媒体信号处理器具有两个特性： （1）针对多媒体信号处理设计的内核。工作在300MHz时，MAP-CA可以实现1800MIPS的运算能力。同时，它对多媒体信号处理的支持包括可以实现有两个为视频编、解码而设计的协处理器——一个变长编码协处理器和一个视频滤波协处理器；提供对视频层叠加的直接支持；同时它具有强大的DMA控制器（DataStreamer），为多媒体的大数据量提供了足够的带宽保证。 （2）丰富的媒体接口。包括视频和语音标准接口，如：ITU-R BT.256/601格式的输入、输出；MPEG-2的传输层接口输入TCI（Transport Channel Interface）；IEC958和IIS数字音频输入、输出接口；支持外接RGB监视器。 由这两个特性可以看出，MAP-CA媒体信号处理器为以多媒体信号处理为中心的设计提供了一个非常强大又方便的解决方案；同时，作为一款数字信号处理芯片，它继承了DSP设计方案所拥的可以软件升级、灵活的优点。 图2 数字视频记录系统原理框图 2 基于AMP-CA的数字视频记录系统设计 数字视频记录系统DVR（Digital Video Recorder）是随着信息技术，特别是多媒体技术的发展而逐步发展起来的。它可以应用于任何需要对场景进行记录或监控的场所。视频记录系统包括模拟视频记录系统和数字视频记录系统。新一代的数字视频记录系统一般可以分为两类：一类是基于计算机（或工控机）的视频记录系统；另一类是脱机独立的（或嵌入式的）视频记录系统。后一种方案更加灵活、方便，可以实现DSP层面上的软件编、解码，针对不同的应用领域，给予特别的编码支持，实现最优效果。数字视频记录系统要求实现的主要功能包括视频、语音的采集、编码、存储、播放，并对记录下来的视频、语音的压缩信息进行解码、检索、回放。 采用MAP-CA媒体信号处理器，设计了一个脱机独立的视频记录系统。根据功能需要要，将本系统划分为两个子系统：一个是以MAP-CA处理器为中心的媒体信号处理子系统；另一个是用嵌入式芯片实现的控制子系统。图2为本系统的原理框图。 嵌入式控制子系统主要实现对系统工作流程的控制，实现数据记录、查询功能，提供用户交互接口和扩展通信接口。 以MAP-CA为中心的媒体处理子系统主要实现视频、语音信号的采集、播放和编码、解码。下面对媒体处理子系统做成一步的说明。 笔者充分利用了MAP-CA媒体处理芯片在多媒体应用方面的强大其内部结构对视频、语音信号编、解码的优化；提出了高效的视频编码方案；利用它提供的方便的视频、语音信号接口，实现了这个既可独立应用，又可以嵌入到主控系统媒体信号处理子系统。图3为系统的原理框图。 图3 基于MAP-CA的媒体处理子系统原理框图 本系统可在实现一路视频的编码、解码的同时，进行一路语音的编、解码工作。它包括两个子进程；编码进行和解码进程。编码进程工作原理：采集视频信号并转换成ITU-R BT.656格式数字码流，输入给MAP-CA芯片，对视频进行编码；同时采集语音信号并转换成IIS格式码流，输入给MAP-CA芯片，对语音信号进行编码；将视频和语音编码数据通过PCI总线传递给控制子系统。解码进程工作原理是：将控制子系统传递过来的视频音频码流进行解码，并转换成相应的ITU-R BT.656和IIS格式码流，传送给输出接口芯片，转换成相应的复合视频和模拟音频并播放。本系统还支持VGA显示，可直接连接监视器。 为使本系统更好地工作，选用了64MB的SDRAM，供视频和语音编、解码使用。另外，选用了2MB的Flash ROM，用以存放系统的编、解码软件，使系统既可以作为一个子系统与主控系统配合工作，也可成为一个独立的系统。 系统的视频编、解码算法使用了为监控领域设计的多层量化和预测器DIPMEQ（Discrete-Partitioned Multilayer Estimator and Quantizer）的压缩算法国。语音部分的编、解码算法使用了GSM压缩算法。