一种高性能实时音频网络电台方案

[摘 要] 以高性能DSP作为音频运算单元，支持多种音频编码器的动态加载，输出实时压缩的音频流，与基于Linux系统级联组成实时音频网络电台。分析了在系统的功能需求和结构的基础上，以MP3音频流为例，对数据处理单元和数据转发单元的软件、硬件设计方案做了详细的论证，实验结果表明实时性、可扩展性、可靠性可满足互联网音频广播的要求。

[关键词] 音频编码 流媒体 数字信号处理器

一、引言

信息技术的革命与发展、计算机的普及、多媒体技术的发展以及互联网的迅速崛起，应运而生了流媒体。流媒体技术是在数据网络上以流的方式传输多媒体信息的技术。近年来，随着宽带网络的发展和用户需求的驱动，流媒体技术和相关的应用得到越来越多的关注，被认为是未来高速宽带网络的主流应用之一。实时音频流服务也就是通称的网络电台也成为比如的研究热点。在我国进行独立自主开发安全可靠、具有自主知识产权的流媒体增值业务平台已是当务之急。

本文提出了一种基于高性能DSP的网络电台方案。文中首先分析了该平台的数据流、功能需求和对应的系统结构，然后重点讨论了数据处理单元和数据转发单元的硬件、软件设计要点，接着给出了构建的实验系统的技术参数，最后在测试分析的基础上给出了结论。

二、系统的搭建

在本文研究中，高性能DSP可以实时编码模拟输入的音频信号，级联的Linux系统作为流媒体服务器，实现实时信号处理和网络接入服务的分离,提高了系统的可靠性。在系统搭建的时候，考虑到MP3是目前无论是互联网还是便携式播放器应用中最广泛的压缩音频格式，我们的流媒体服务器的音频标准选用了MPEG-1的音频编码Layer3即MP3。系统的基本结构如图1所示。

经过AD变换后的PCM音频送入到MP3音频编码器，MP3音频编码器输出的MP3码流传送到流媒体服务器RTSP Server，RTSP客户端通过互联网接收MP3码流，通过任一MP3播放器收听。

上述系统分四个处理单元:数据处理单元、数据转发单元、互联网络、流媒体终端。系统中各单元的软件设计、硬件设计，必须综合考虑性能需求与可扩展性等多方面的要求：

1.高性能的信息处理单元满足实时的MP3编码需要。

2.RTSP服务器具有一定的兼容性和负载承受能力，对RTSP客户端没有特定的要求。

3.DSP端的信息不能让外部用户直接获取，流媒体服务器和信息处理单元之间实现的链接尽可能简单，完全可控。

4.能够提供机制，调整MP3编码参数，明确显示系统的工作状态。

对于后两个处理单互联网和流媒体终端不是本文的讨论范围，本文将重点讨论数据处理单元和数据转发单元的硬软件设计方案。

三、数据处理、转发单元设计

1.硬件设计。在本文的研究中数据处理、转发单元主要有五个模块：音频信号采集模块、数字信号处理器、USB控制模块、太网控制模块和数据转发模块。硬件原理略图如下图2所示。

（1)数字信号处理器TMS320C6713B。该处理器主频为200到300MHz,包含八个独立的运算单元，其中有6个可以作为浮点运算单元,处理能力为1000～1800MFLOPS,指令执行单元是VLIW架构，开发工具的C编译器效率很高。

运算能力强的浮点数字信号处理器能很好的满足隐信道传输平台的要求，直接支持浮点运算，避免了算法向定点处理器移植过程中定标的过程，这样针对音频编码器各个环节的各种隐藏算法能方便的集成到该平台上。

（2)音频信号采集模块TLV320AIC23B。该芯片可以直接连接C6713的同步串口,立体声采样率从8kHz到96kHz，量化位数从16位到32位。本系统中上述参数都是可通过软件进行动态配置，以满足MP3编码器和隐藏算法对不同抽样率,不同量化位数的要求。

（3)USB控制模块SL911HS。本系统中提供直接从移动存贮器读取数据的功能，增强系统的可扩展性。通过软件的方式，C6713可通过该控制模块访问移动存贮器。

（4)太网控制模块RTL8019AS。与数据转发单元的通信，采用以太网接口，实际系统工作时，通过该接口直接与数据转发单元通信。采用全双工模式通信，这样的模式优点是同服务器接口容易,作为嵌入式系统，该接口方案基于TCP/IP的协议栈开发软件,可以避免设计底层的通信协议，C6713和RTL8019A的驱动软件编写也很容易。

（5)数据转发模块。数据转发有三项任务:一是接收数据处理单元的音频码流；二是流媒体服务器，处理与流媒体客户端的会话；三是配置管理数据处理单元。在本文的研究中，选用了带有双网卡的工控机作为硬件平台，安装Linux操作系统，所有软件运行在该系统上。在系统设计时，从DSP接收码流和流媒体服务器为一个进程，配置管理数据单元为另一个进程。

2.软件设计。系统在软件设计过程中采用数据驱动的原则，从外部输入输出的数据实现中断的触发，即在中断服务程序中设置标志位。在主循环中，通过检测标志位，判断音频缓冲区、网络状态，启动编码、信息嵌入，然后发送MP3码流。如图3所示给出了数据处理单元的流程图。

在主循环中，通过检测标志位控制流程。最重要的标志位有两个:一个是从数据转发单元来的控制字，包含运行状态的查询、配置的修改,如编码码率，输入增益的调整;另一个是音频缓冲区是否满的标志，如果缓冲区满，则读取该缓冲区数据，经过信息编码后,将数据包送出。

中断服务程序包含定时器中断、模拟音频输入串口中断、网络接收发送数据中断和USB接口输入中断。由于核心数字信号处理器的处理能力非常强大,中断服务程序的处理相对开销较低，因此所有的中断分配了同样的优先级。

核心编码算法的DSPs移植也是很重要的一环，移植使用了TI数字处理器的快速浮点运算库，通过Profile分析的结果，按编码器算法框架内各函数的执行次数和开销百分比，分布实施优化策略，其中的时频变换可以使用FFT来计算。

因为USB接口为低速外设，读取移动存贮器的数据文件时，可以根据文件的大小和系统可用内存空间,决定是否分块读取,减少系统开销。

四、系统测试

本文按照前述方案完成软件硬件设计后，构建了一个高性能的实时流媒体系统，结构如图4所示。数据处理单元与数据转发单元通过“直连”模式的双绞线连接，组成一个内网，配置一个独立的网段。数据转发单元的第二个以太网口与外网相接，客户端通过该网口访问流媒体服务器,用户也可以远程登录服务器后，维护和管理整个系统。由于数据处理单元内的TCP/IP协议栈只处理内部约定的交互命令，这样客户端无法访问到USB连接的移动存贮设备。

系统在研制过程中，各模块都进行了正确性测试，系统集成后，进行了稳定性测试，最后是系统指标测试和负载测试。在系统的性能参数中，处理器的负载和延迟是最重要的两项技术指标。

1.延迟测试。在确保系统能够长时间稳定工作之后，我们测试系统各功能部分的延迟时间。主要包括以下三项:（1）DSP从上电到发包开始的时间:（2）客户端RealPlayer从开始点播到连接服务器成功的时间:（3)音源播放到客户端RealPlayer播出声音的延迟时间。表1给出了测试过程中记录的延迟最大值，最小值和平均值。通过多次测试，各类延迟时间记录如下：

2.负载测试。系统分别对数据处理单元和数据转发单元进行负载测试。

（1)数据处理单元，使用Profile测试。测试时使用的MP3编码器输出码率为128kbps。通过对12个不同类型的测试序列进行数据处理，测试的DSPs负载均小于10%;

（2)数据转发单元，使用Linux下TOP指令查看CPU负载。测试中发现在用户接入的瞬间，CPU占用率会有所增加，但是很快稳定，在20个接入时，CPU稳定后占用率仍低于1%。

从测试结果可以看出，系统能够进行实时的在线广播，延迟参数完全满足应用要求，数据处理单元的CPU资源有充分的余量，为使用更复杂的音频编码算法和信息嵌入算法，甚至扩展视频流媒体应用留下了足够的空间。

五、结论

本文提出的基于音频流媒体的实时传输系统,具有实时压缩音频数据,实时转发,原信息与外网隔离等优点。能满足实时应用的要求。由于数据处理单元的处理器有强大的运算能力,可以引入视频、音频等多种编码算法,直接通过软件升级来设计各种流媒体传输系统。

参考文献:

[1]TMS320C6713, TMS320C6713B floating-point digital signal processors Data Sheet, SPPS1861, May, 2004

[2]TMS320C6000 CPU and Instruction Set Reference Guide, SPRU189F,October 2000

[3]Real Time Streaming Protocol (RTSP), .cn/qkpdf/scxd/scxd200808/scxd200808268.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文

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