基于ADSL的视频传输系统
西安电子科技大学ISN国家重点实验室 雷杰 吴成柯 周有喜 李云松
引言
信息技术的不断发展使得人们不再满足于文字、语音等通信手段，融合文字、语音、图片、视频等媒介的多媒体通信应运而生，适应了当前人们的通信需求。而目前ADSL接入网技术已经成熟，并得到了广泛的应用，随之成为人们相互交流、获取各种信息的有效途径。ADSL接入网带宽大，为实时可靠地传输视频提供了很好的硬件基础。因此在ADSL网络上的视频传输成为了一个迫切需要解决的难点。
本文讨论基于IP2022的ADSL接入网视频传输系统。将本地的视频图像传送到Internet上，使连接到Internet的远程主机可以随时随地地浏览本地视频。我们按照MPEG-4视频压缩标准，在DSP芯片上实现高效视频压缩处理；根据PPPoE、PPP、TCP/IP等协议，使用IP2022网络处理芯片，提出了通过ADSL网络传输视频的完整解决方案，并对系统的硬件接口以及软件设计做了详细的描述，经实际测试，此系统实用性强，将在网络视频会议、小区家居智能化以及安防监控等领域具有非常好的应用前景。
系统模型
图1是本文讨论的系统模型。摄像头获取的图像以MPEG-4标准在DSP中进行压缩处理，生成低码流的视频数据，经过IP2022打包处理，由ADSL调制解调器发送到Internet上。
工作流程可概括如下：
(1)本地PC通过RS232串口，将用户名、密码、远程主机的IP地址及端口等信息写入IP2022的内部FLASH中保存下来。
(2) IP2022读出FLASH中的数据，配置相关的网络参数，使用ADSL用户名和密码按照PPPoE协议进行ADSL拨号连接。
(3) 拨号连接成功后，IP2022通过SPI数据接口接收视频数据，经过TCP、IP、PPP和PPPoE层等各层打包处理后，将数据通过10Base-T以太网接口传送给ADSL调制解调器，由其发送到Internet上。
(4) 连接到Internet的远程主机（视频接收端），通过接收软件可以实时浏览本地视频。
系统设计
硬件设计
IP2022是美国UBICOM推出的一颗功能强大的网络通信处理器，处理器速度可达120~160MIPS，片上有64K Flash、16K SRAM(program)、4K SRAM(data)、10位ADC。它采用软件模块的方式在芯片上实现多种通信接口，是业界的单芯片网络通信处理器，可以实现802.11b、802.11g、802.11a、Bluetooth、HomePlug、Ethernet、 USB、 MII、 I2C、 SPI、GPSI、 UART等协议，适用于无线通信和embedded Internet的应用。IP2022内含全双工硬件串/并(SerDes)模块，能直接与各种常用网络接口连接。可实现片内10Base-T 以太网( MAC 和PHY)USB，以及其他各种快速串行协议。由于其内含两个SerDes部件，能方便地从一种格式转换为另一种格式，所以也能作协议转换器。IP2022的工作频率为100MHz，大多数指令均为单周期执行，其吞吐量能满足各种新型网络连通应用的要求。IP2022以软件模块(ipModules) 形式实现外设通信和控制功能，比传统硬件具有更大的系统设计灵活性，还提供了传输控制协议、网际协议、网络协议栈，并具有一系列完整的端到端连通方案所必须的附加软件。
本文所设计系统的就是IP2022网络处理器，基于IP2022的系统原理框图如图2所示。系统时钟模块为硬件系统提供工作所需要的时钟脉冲，这部分比较简单，我们选择4.8MHz的无源晶振，经测试可保证系统稳定工作。
程序的写入和调试是通过在线编程接口实现的，IP2022支持在线编程和调试，该部分主要把IP2022的编程接口引出，加以适当的隔离保护，并通过SPI和主机并口的转换电路与调试主机的并口相连接。
在本系统中，内部电压有两种，一种是接口设备所需要的3.3V，另一种是IP2022内核所需要的2.5V。这两种电压是经过电源转换模块转换而成。
DSP视频处理器主要负责采集摄像头获取的图像，并对其进行压缩编码，得到低码率的视频数据，通过内部的主SPI接口模块把视频数据发送给IP2022网络处理器。
软件设计
软件设计的主要任务是按照PPPoE协议、PPP协议、TCP/IP协议实现ADSL网络接入，包含有本地RS232串口配置、拨号连接、SPI口数据接收处理、TCP层数据传输等四个部分。首先对所使用的相关协议作一简单介绍，然后分别详细阐述软件四个组成部分的功能及实现。
涉及协议介绍
ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Line，非对称数字用户环路）是一种能够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术，是目前极具发展前景的一种接入技术。ADSL接入技术中，的是PPPoE协议。
PPPoE（Point To Point Protocol Over Ethernet）是以太网上传送PPP数据包的协议，它提供了在广播式的网络（如以太网）中多台主机连接到远端的访问集中器（我们对目前能完成上述功能的设备为宽带接入服务器）上的一种标准。PPPOE协议共包括两个阶段，即PPPOE的发现阶段（PPPOE Discovery Stage）和PPPOE的会话阶段（PPPOE Session Stage）。在发现（Discovery）过程中，用户主机以广播方式寻找可以连接的所有的接入集线器，并获得其以太网MAC地址。然后选择需要连接的主机并确定所要建立的PPP会话识别标号。在会话阶段，用户主机与接入集线器根据在发现阶段所协商的PPP会话连接参数进行PPP会话。依次进行PPP层的LCP包的配置、PAP包的配置、IPCP包的配置，在协商好PPP协议的各选项之后，就可以进行IP数据包传输了。为保证视频传输的高可靠性，我们采用TCP/IP协议传输视频数据。
系统软件的四个重要组成模块
（1）本地串口配置软件模块
接收PC机通过RS232串口发送的数据，这些数据包括IP2022网络处理器的MAC地址、IP地址、子网掩码等网络参数，还包括需要连接的远程主机的IP地址、端口号等信息，同时还有ADSL拨号上网的用户名及密码等数据；接收正确后，IP2022将这些数据存储在它内部的Flash中，便于掉电或系统重启后能按原有的配置模式正常工作。
（2）拨号连接软件模块
按照PPPoE协议，初始化IP2022网络处理器的网络设置，选择PPP协议的各项参数，使用有效的ADSL用户名和密码连接到Internet网络上，如果未能连接上，则延时后自动重连，直到连上为止；若由于网络拥塞或远程主机故障导致网络连接断开，则需要延时后继续尝试连接。此软件模块主要就是负责建立与Internet之间的连接链路。
（3）SPI数据接收处理软件模块
作为SPI从设备，以中断方式接收DSP视频处理器发送过来的视频数据，存放在IP2022的内部存储区内，当一个数据块接收完成后，再读出视频数据并发送到网络上。此软件模块主要完成与DSP视频处理器之间的数据传输，为确保数据不丢失，DSP在发数据前先给IP2022发送请求信号，IP2022开辟一定大小的存储空间成功后，判断DSP发来的请求信号，并反馈一个确认信号，通知DSP可以开始发送数据了；而DSP数据发送完成后会等待IP2022的确认接收完成信号。这样的交互过程可以保证数据准确可靠地通过SPI口传输。其时序图如图3。
（4）TCP层数据传输软件模块系统拨号连接到Internet之后，根据远程主机的IP地址和端口号请求与其建立TCP连接，此过程包括定义并初始化tcp_socket，发送建立TCP连接请求，若成功则允许系统将SPI口接收到的视频数据发送到网络上，否则释放tcp_socket占用的内存空间并将其删除，延时后再次新建tcp_socket并请求建立TCP连接，如此反复直到TCP连接建立成功。若由于其他原因TCP连接断开了，则此软件模块在判断并确认连接断开后，自动请求再次建立TCP连接，以确保视频数据不间断地传送到远程主机。
系统软件工作流程如图4所示。
经过实际测试，系统的视频处理部分能以每秒20帧以上的速度实时处理视频图像，对于视频质量的评测，我们采用Foreman序列作为固定的视频源输入进行相应的测试，图像质量良好，其PSNR值平均大于34dB以上如图5所示；系统在512kbps带宽下实测的帧率统计，如图6所示。
[1]. IP2022 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IP2022_1136870.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[3]. MAX232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.
[4]. PAP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PAP_2058949.html.
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