名稱:MPEG4音視頻編碼卡的設計與實現
摘要：本文介紹了一塊基於 PCI匯流排的單路 MPEG4音視頻編碼卡的設計與實現。該卡實現了音視頻流的實時 MPEG4編碼壓縮，並通過通用 PC平台可以實現壓縮視頻流的錄製或者網路傳輸功能，符合當今流媒體技術的發展和應用推廣。
引言
在網路技術高度發展的今天，流媒體技術得到了廣泛的應用，能夠達到低傳輸碼率、高圖像質量的視頻流更是流媒體技術發展所追求的目標。流媒體音視頻編碼技術的發展正代表著該領域的技術發展動向。 MPEG4視頻編*技術由於其圖像質量高、圖像傳輸碼率低，從而得到網路視頻傳輸領域的青睞，加上其根據圖像的實際情況實現可變編碼的特性，編碼的效率高，符合流媒體技術的發展方向。
本設計給出了一款利用硬體 ASIC進行 MPEG4圖像編碼的 PCI卡的實現方法，充分利用了 PC平台的優勢進行 MPEG4音視頻流的網路傳輸、硬碟存儲以及聲音和畫面預覽等功能，使 MPEG4視頻壓縮技術達到實用化水平。
硬體設計
該 MPEG4編碼卡的硬體設計見圖 1所示。該圖表示了各晶元之間的連接關係，下面對框圖中的主要晶元在本設計中的功能進行說明。
視頻信號採樣晶元 SAA7114
SAA7114是 PHILIPS公司的主流高端視頻採樣晶元，採樣支持 4:2:2、 4:2:0、 4:1:1和 4:1:0格式， A/D採樣轉換精度達到 9bit。該晶元主要完成了模擬視頻信號的數字採樣，將模擬彩色視頻信號轉換成標準的符合 ITU656標準輸出格式的數字視頻信號，前端輸入的模擬視頻信號可以是 PAL制、 NTSC制或者 SECAM制。該晶元的控制介面是 I2C介面，通過該介面直接讀寫晶元內部的寄存器，完成對該晶元的實時控制。本設計中模擬視頻信號輸入端提供了兩種輸入介面，即符合視頻信號介面和 S端子視頻信號輸入介面，以適應不同視頻輸入場合的需要。數字視頻輸出端直接利用了該晶元的 I和 X這兩個 ITU656輸出介面，一路提供給視頻編碼部分電路，另一路提供給多媒體 PCI橋接晶元 SAA7146，實現實時本機的圖像預覽功能。這樣利用一塊晶元同時完成圖像預覽和圖像壓縮的功能。
音頻信號採樣晶元 PCM1800
PCM1800是 TI公司所屬的 BURR-BROWN公司的立體聲音頻採樣晶元，採樣精度達 20bit；支持的採樣速率有 32kHz、 44.1kHz和 48kHz；支持多種數據串列輸出模式，包括 I2S串列匯流排模式。本設計中該晶元主要完成立體聲的音頻信號採樣，將模擬立體聲音頻信號轉換成標準的符合 I2S匯流排標準格式的數字音頻信號輸出給 MPEG4編碼晶元 IME6400進行音頻編碼以及音視頻流合成。同時，音頻信號經射隨器輸出，經音頻電纜連接到計算機音效卡輸入端實現音頻預覽功能。
音視頻壓縮編碼晶元 IME6400
IME6400是 InTime公司的同時支持 MPEG1/2/4三種視頻編碼標準的硬體音視頻編碼壓縮晶元，晶元內部帶有圖像壓縮硬核，外掛 8M位元組 SDRAM配合工作，與流行的 MPEG4軟體編碼的不同之處在於輸出視頻流的畫面可達 720X480@30fps或者 720X576@25fps，是通用 DSP晶元軟體演算法編碼畫面的 4倍。該晶元的內部框圖如圖 2所示。
圖 1硬體組成框圖
圖 2 IME6400內部框圖
圖 3 ITU656到 ITU601介面轉換圖
圖 4 DEBI到 Host介面轉換圖
本設計中，該晶元主要完成了視頻的 MPEG4編碼和音頻的 MPEG1層 2編碼，實現不同標準的音視頻編碼標準與該晶元初始化配置微碼有關，該微碼在啟動該晶元工作前下載到晶元內部，然後複位該晶元開始工作。由於該晶元的數字視頻輸入介面為 ITU601格式，與 SAA7114視頻輸出的 ITU656格式介面不匹配，本設計利用了可編程 CPLD進行了介面格式轉換。同時本設計還利用了可編程 CPLD完成了該晶元的 host主控制介面與 PCI橋接晶元 SAA7146的 DEBI介面之間的匹配問題。這兩步分的轉換框圖在可編程晶元 CPLD部分進行介紹。
可編程門陣列 CPLD
CPLD是可編程邏輯陣列，內部邏輯電路根據需要自行編程。本設計中該晶元主要完成了 ITU656介面到 ITU601介面的轉換以及 IME6400的 Host介面邏輯與 SAA7146的 DEBI介面邏輯的轉換。其邏輯轉換框圖如圖 3和圖 4所示。
ITU656介面為 8bit數據位寬介面，為內同步方式，即同步字嵌入於 ITU656碼流當中； ITU601介面為 16bit數據位寬介面，為外同步方式，即同步信號用單獨的信號線傳輸。從 ITU656介面轉換為 ITU601介面的方式是通過將嵌入在 ITU656碼流內部的同步信號提取出來，同時將表示亮度和色度的數據流分離開，排成 16bit數據位寬的 ITU601格式同時輸出，從而完成格式的轉換。
IME6400的 Host介面為地址和數據分開的非復用匯流排控制方式， SAA7146的 DEBI介面為數據和地址復用的匯流排控制方式。這裡通過 DEBI的 ALE信號來分離復用匯流排上的地址和數據匯流排，利用 ALE的邊沿觸發信號將地址鎖存到地址寄存器當中。
多媒體 PCI橋接晶元 SAA7146
SAA7146是 PHILIPS公司的多媒體 PCI橋接晶元，晶元上直接提供了豐富的音視頻介面，有 5個 I2S介面、 2個 D1介面、 1個 DEBI地址數據復用介面、 I2C控制介面以及通用 I/O介面等。同時該晶元內部帶有多種圖像處理功能，在多媒體領域的硬體設計上非常方便。本設計中該晶元主要完成了預覽視頻流的 DMA傳輸和裁剪、壓縮音視頻流的 DMA傳輸以及利用其 I2C介面和 DEBI介面對其它晶元進行控制。
上面主要介紹了各個關鍵晶元的功能，在系統實際工作時晶元的初始化具有的一定的順序，否則會出現系統工作不正常，這是實際調試的結果。
結語
該 MPEG4編碼卡的特點是應用範圍廣、圖像清晰度高、支持恆定和可變速率視頻編碼、兼容視頻標準多，不同的微碼能夠支持不同的視頻編碼標準。目前，本設計的 MPEG4音視頻壓縮版本已經在 Windows2000操作系統下調試完成，實現了本地預覽、硬碟存儲和網路傳輸等功能。
