FPGA保證家庭網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量

引言

家庭網(wǎng)絡(luò )正在成為視頻、語(yǔ)音和數據快速傳送的“中央火車(chē)站”。視頻由標準清晰提升至高清晰，因此需要越來(lái)越高的數據速率，這表明家庭網(wǎng)絡(luò )系統必須隨著(zhù)新興視頻標準的發(fā)展而發(fā)展。目前，多媒體家庭網(wǎng)絡(luò )技術(shù)采用了各種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口標準，但是目前這些標準還無(wú)法確保家庭內部現場(chǎng)多媒體傳輸的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

挑戰

首先面臨的挑戰是設計可靠的多媒體家庭網(wǎng)絡(luò )平臺，以足夠的QoS傳送互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)包，并且沒(méi)有明顯的失真。另一挑戰是設計人員怎樣以較高的性?xún)r(jià)比實(shí)現這一切，使消費者能夠用得起。

專(zhuān)業(yè)廣播行業(yè)已經(jīng)采用了多項技術(shù)來(lái)解決第一個(gè)挑戰。在消費類(lèi)低成本FPGA中采用這些技術(shù)后，設計人員也能夠解決第二個(gè)挑戰。

圖1  矩陣排列實(shí)例

* 實(shí)時(shí)傳送協(xié)議
實(shí)時(shí)傳送協(xié)議(RTP)主要用于在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸和分配音頻以及視頻，例如視頻會(huì )議和視頻流等應用。然而，該協(xié)議具有時(shí)間戳和數據包丟失或者重排探測等功能，因此，也可以用于在條件有限的環(huán)境中通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行視頻分配，例如家庭多媒體網(wǎng)絡(luò )等。

互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)的音頻/視頻傳送(AVT)工作組定義了IP音頻和視頻實(shí)時(shí)傳輸的RTP。它最初由RFC文檔RFC3350進(jìn)行定義，被IETF互聯(lián)網(wǎng)工程指導組(IESG)在2004年3月批準為全標準。AVT工作組也在負載格式、誤碼糾正以及安全方面開(kāi)發(fā)了大量的支持標準。

* MPEG/MPEG-2視頻的RTP負載格式
RTP是一種適合多種傳送應用的通用協(xié)議。經(jīng)過(guò)其他規范的擴展，它還可以用于更專(zhuān)業(yè)的應用。RFC2250定義了MPEG和MPEG-2視頻的RTP負載格式，詳細規定了MPEG-2傳送流(TS)數據的封包，并成為Practice #3 (CoP3) Pro-MPEG碼和數字視頻廣播(DVB)-IP手冊的參考。

* UDP/IP
RTP是傳送協(xié)議。它一般在主機至主機層采用用戶(hù)數據報協(xié)議(UDP，由IETF RFC768定義)，互聯(lián)網(wǎng)層采用IP(由IETF RFC791定義)。與傳輸控制協(xié)議(TCP)不同，UDP不面向連接，不采取措施對數據進(jìn)行排序，不保證可靠的數據包交付。這一特性使其比TCP更快更簡(jiǎn)單，效率更高，因此，同RTP結合后，更適合寬帶視頻分配。

* Practice #3 FEC的Pro-MPEG碼
數據不論是通過(guò)有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳送，在噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)以及網(wǎng)絡(luò )鏈路飽和的影響下，都會(huì )出現劣化，表現為數據包丟失或者視頻像素丟失。在這方面，壓縮視頻流要比未經(jīng)壓縮的視頻流表現更明顯。

Pro-MPEG論壇是廣播公司、節目制作方、設備生產(chǎn)商以及元件供應商組成的協(xié)會(huì )，旨在根據廣播公司和最終用戶(hù)的要求來(lái)實(shí)現專(zhuān)業(yè)電視設備的互用性。Pro-MPEG廣域網(wǎng)(WAN)工作組重點(diǎn)研究怎樣在WAN上利用IP交換高質(zhì)量節目?jì)热莸南到y之間建立互用性。該工作組制定了在IP網(wǎng)絡(luò )上傳輸專(zhuān)業(yè)MPEG-2 TS數據的實(shí)用碼，建議了傳輸協(xié)議(例如，RTP/UDP/IP映射)和前向糾錯(FEC)方案，還討論了時(shí)序恢復、抖動(dòng)容限和延時(shí)等問(wèn)題。盡管可以選擇使用RTP來(lái)支持基于UDP/IP的已有標準，IP承載視頻參考設計遵從傳輸協(xié)議建議。

在IP網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中保證最低數據完整性的一個(gè)方法是采用負載預知處理技術(shù)。負載預知處理技術(shù)涉及到IP封裝、時(shí)序糾正以及應用層FEC?，F場(chǎng)視頻傳輸不能使用數據包重發(fā)機制。因此，利用FEC，接收器迅速重新構建丟失或者錯誤的數據，而不需要申請重新傳輸。電纜、衛星和地面數字視頻傳輸采用了各種類(lèi)型的FEC方案。對于IP視頻網(wǎng)絡(luò )，Pro-MPEG論壇建議了FEC算法，它使用異或(XOR)方法來(lái)產(chǎn)生冗余數據，進(jìn)行誤碼糾正。該標準被稱(chēng)為Pro-MPEG COP3第2版(CoP3r2)。FEC主要用于MPEG-2和H.264等壓縮視頻流。

圖2  典型的多媒體家庭網(wǎng)絡(luò )

Pro-MPEG FEC是二維XOR算法，有幾種可能性來(lái)確定數據矩陣的大小。FEC要求矩陣列數應至少有一列，但不超過(guò)20列，行數至少有四行，但不超過(guò)20行。而且，一個(gè)矩陣中的數據包總數不能超過(guò)100個(gè)。為理解這一簡(jiǎn)單的FEC概念，假設A和B是RTP數據包，那么，F=AB是和{A, B}保護集相關(guān)的FEC數據包。F是RTP數據包逐字節XOR運算的結果。XOR運算符的特點(diǎn)是如果F=AB，那么A=BF，B=AF。如果A或者B丟失，那么可以利用F FEC數據包來(lái)恢復A或者B。圖1所示為Pro-MPEG矩陣排列，得到的FEC開(kāi)銷(xiāo)數據以綠色表示。

解決方案

Altera IP承載視頻參考設計從幾個(gè)輸入中接收MPEG TS數據，對其進(jìn)行封裝，在基于以太網(wǎng)的IP網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行傳輸。設計使用業(yè)界標準UDP/IP網(wǎng)絡(luò )封裝，也可以選用RTP封裝和Pro-MPEG CoP3 FEC。設計支持100Mbps (全雙工)和1Gbps以太網(wǎng)連接，能夠處理256個(gè)獨立數據流。通過(guò)硬件封裝，設計可以達到千兆以太網(wǎng)(GbE)線(xiàn)路速率，并且傳輸延遲很小。

設計還可以從以太網(wǎng)中接收256個(gè)獨立數據流，恢復為T(mén)S數據。對于RTP封裝的數據，設計含有接收器緩沖，來(lái)消除網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)，對數據包重新排序和重復進(jìn)行糾正。也可以使用可選的CoP3 FEC丟失數據包恢復功能。

可以提供大部分關(guān)鍵構建模塊，下載至FPGA系統設計中使用。也可以使用FPGA設計工具中的現有構建模塊來(lái)進(jìn)行設計。大部分設計工具含有FIFO、內部存儲器、外部存儲控制器、計數器、鎖相環(huán)(PLL)以及其他簡(jiǎn)單邏輯等模塊。圖2是一個(gè)典型的多媒體家庭網(wǎng)絡(luò )設計，它使用FPGA作為接口橋接，例如USB 2.0和FireWire，還支持今后的視頻接口協(xié)議。利用Altera的IP承載視頻參考設計能夠將輸入視頻映射至IP網(wǎng)絡(luò )。Cyclone系列等低成本FPGA可用于實(shí)現完整的設計，系統非常靈活，具有更新能力，可滿(mǎn)足今后的需求。

IP承載視頻參考設計(圖3所示)基于SOPC Builder系統，提供以下關(guān)鍵構建模塊：
* RTP發(fā)射器
* RTP接收器
* UDP/IP功能
* PHY接口
* Nios II嵌入式處理器，用于設計控制
* FEC生成器和接收器緩沖外部RAM的仲裁邏輯以及存儲控制器

圖3  IP承載視頻參考設計

結語(yǔ)

利用廣播業(yè)的現有技術(shù)，簡(jiǎn)化了多媒體家庭網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題。采用Altera的低成本Cyclone系列FPGA，通過(guò)IP承載視頻參考設計，可以輕松實(shí)現這些技術(shù)。在新興的家庭多媒體網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)上，存在著(zhù)各種不同的標準，因此，可編程邏輯將扮演越來(lái)越重要的角色。