基于以太网AVB 技术的音视频编码器设计

文/谢荣东【关键词】Ethernet AVB 网络传输 音视频编码1 引言传统的高清音视频编码器一般带有多个网口，内部具有不带AVB 的网络交换芯片，但这种设备在音视频网络传输上不太理想，在网络状态出现波动时存在视频卡顿等现象。在这种情况下，我们需要以流媒体技术和现代网络交换技术为基础，设计一种真正适合音视频传输的音视频编码器，它必须符合流媒体传输所特有的连续性、实时性与时序性的要求。流媒体是指在网络上严格按时间先后次序传输和播放的连续音、视频数据流。流媒体作为特定意义的数据流，它有一些独特的特点：一是连续性( continuous)，二是实时性(realtime)，三是时序性(time-ordered)。实时性和质量是流媒体的关键问题。为了保证时延和质量，网络必须提供足够的带宽资源，而资源的保证又依赖于许多其他的控制。音视频等对时间延迟非常敏感，但能容忍某种程度的错误（人类视觉冗余度所能接受的）；网络文本数据等非实时媒体，则更注重无误的传输，而在时间上的适度的延迟是可以接受的。IEEE 802.1 AVB 工作组致力于制定一系列的新标准，对现有的以太网进行功能扩展，主要有精准时钟步协议802.1AS(PreciseTiming Protocol), 流预留协议802.1Qat(StreamReservation Protocol) , 队列及转发协议802.1Qav(Queuing and Forwarding Protocol)。通过建立高质量、低延迟、时间同步的音视频以太网络，为家庭或企业提供各种普通数据及实时音视频流的局域网配套解决方案。基于以上分析，重新设计一种基于Ethernet AVB 技以太网音视频桥接技术( E t h e r n e t A u d i o / V i d e oBridging， 简称Ethernet AVB)是一项新的IEEE 802 标准，其在传统以太网络的基础上，通过保障带宽( Bandwidth)，限制延迟(Latency) 和精确时钟同步(Timesynchronization)，提供完美的服务质量（QoS），以支持各种基于音频、视频的网络流媒体应用。本文采用音视频压缩专用处理器与一种具有以太网AVB 功能的交换芯片，设计了一种具有优良的音视频网络传输特性的音视频编码器。摘 要术适合音视频传输的编码器显得十分必要。2 设计方案本文采用MARVELL® 88e6320 是一个单芯片集成7 个千兆以太网端口及两个的千兆以太网收发器的交换芯片。该芯片支持最新的IEEE 802.1 音视频桥接（AVB） 标准的802.1AS、802.1AS、 802.1AS 协议, 这些AVB技术预留网络资源用于传输流和支持精确的流同步，通过这些AVB 协议将音视频发送到一个低延迟和服务保证鲁棒性的以太网网络上。2.1 硬件设计高清视频编码器采用海思编码芯片作为解码器接入该交换机中。其中一台解码器从传统编码器上取流解码显示，另一台解码器从本文设计的编码器中取流解码显示。再用网络分析仪往交换机网络上注入一定的网络流量，随着外加网络流量的增加，传统编码器首先出现码骞克现象，图象的时间明显加大。经过对比测试，该编码器的视频实时性与流畅度明显高于传统编码器。因此，从总体上看，该编码器具有优良的网络传输特性，有很好的应用前景。作者单位杭州中威电子股份有限公司 浙江省杭州市310000Hi 35 XXDDR388 E 6320DDR3RGMIIPHY PHY PHY PHYGMACVinHD-SDIDecodeHD-SDIDecodeFlashVinSD Card图1图2主处理器，完成视音频压缩编码及ARM 嵌入式linux 系统，设备具有多路1080P 高清输入接口，多个以太网接口。系统的结构如图1 所示。Hi35XX的GMAC 接口与88E6320 的port6 口间通过RGMII 接口互联，如图2 所示2.2 网络功能设计MARVELL® 8 8E6 3 2 0包含影响所有的音视频桥接（AVB）功能的全局寄存器。这些寄存器通过AVBCommand和AVBData 寄存器来访问。通过使用各种AVB 块AVBBlock值访问以下3 个全局 AVB 寄存器：0x0 = 802.1AS 精确时间协议（PTP）和时间的应用程序接口（TAI）寄存器；0x1 =802.1BA 音视频桥接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。经过设置上述3 类寄存器，开启网络的AVB 功能，保证高品质视频实时传输（高带宽，低时延，低丢包率）。该编码器交换功能在硬件上合并，逻辑上分开，同时有完善的单／组播，流量访问控制、速度限制、远程管理等智能管理功能。3 测试对比分别将传统带交换功能多网口的编码器和本文设计的编码器接入支持AVB 的以太网交换机中，同时将2 台同型号的