摘   要：本文介紹了一塊基于PCI總線的單路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，并通過通用PC平臺可以實現壓縮視頻流的錄制或者網絡傳輸功能，符合當今流媒體技術的發展和應用推廣。

引言

在網絡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視頻編解碼技術由于其圖像質量高、圖像傳輸碼率低，從而得到網絡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件ASIC進行MPEG4圖像編碼的PCI卡的實現方法，充分利用了PC平臺的優勢進行MPEG4音視頻流的網絡傳輸、硬盤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。

硬件設計

該MPEG4編碼卡的硬件設計見圖1所示。該圖表示了各芯片之間的連接關系，下面對框圖中的主要芯片在本設計中的功能進行說明。

視頻信號采樣芯片SAA7114

SAA7114是PHILIPS公司的主流高端視頻采樣芯片，采樣支持4:2:2、4:2:0、4:1:1和4:1:0格式，A/D采樣轉換精度達到9bit。該芯片主要完成了模擬視頻信號的數字采樣，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。該芯片的控制接口是I2C接口，通過該接口直接讀寫芯片內部的寄存器，完成對該芯片的實時控制。本設計中模擬視頻信號輸入端提供了兩種輸入接口，即符合視頻信號接口和S端子視頻信號輸入接口，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芯片的I和X這兩個ITU656輸出接口，一路提供給視頻編碼部分電路，另一路提供給多媒體PCI橋接芯片SAA7146，實現實時本機的圖像預覽功能。這樣利用一塊芯片同時完成圖像預覽和圖像壓縮的功能。

音頻信號采樣芯片PCM1800

PCM1800是TI公司所屬的BURR-BROWN公司的立體聲音頻采樣芯片，采樣精度達20bit；支持的采樣速率有32kHz、44.1kHz和48kHz；支持多種數據串行輸出模式，包括I2S串行總線模式。本設計中該芯片主要完成立體聲的音頻信號采樣，將模擬立體聲音頻信號轉換成標準的符合I2S總線標準格式的數字音頻信號輸出給MPEG4編碼芯片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聲卡輸入端實現音頻預覽功能。

音視頻壓縮編碼芯片IME6400

IME6400是InTime公司的同時支持MPEG1/2/4三種視頻編碼標準的硬件音視頻編碼壓縮芯片，芯片內部帶有圖像壓縮硬核，外掛8M字節SDRAM配合工作，與流行的MPEG4軟件編碼的不同之處在于輸出視頻流的畫面可達720X480@30fps或者720X576@25fps，是通用DSP芯片軟件算法編碼畫面的4倍。該芯片的內部框圖如圖2所示。

圖1  硬件組成框圖

圖2  IME6400內部框圖

圖3 ITU656到ITU601接口轉換圖

圖4 DEBI到Host接口轉換圖

本設計中，該芯片主要完成了視頻的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芯片初始化配置微碼有關，該微碼在啟動該芯片工作前下載到芯片內部，然后復位該芯片開始工作。由于該芯片的數字視頻輸入接口為ITU601格式，與SAA7114視頻輸出的ITU656格式接口不匹配，本設計利用了可編程CPLD進行了接口格式轉換。同時本設計還利用了可編程CPLD完成了該芯片的host主控制接口與PCI橋接芯片SAA7146的DEBI接口之間的匹配問題。這兩步分的轉換框圖在可編程芯片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。本設計中該芯片主要完成了ITU656接口到ITU601接口的轉換以及IME6400的Host接口邏輯與SAA7146的DEBI接口邏輯的轉換。其邏輯轉換框圖如圖3和圖4所示。

ITU656接口為8bit數據位寬接口，為內同步方式，即同步字嵌入于ITU656碼流當中；ITU601接口為16bit數據位寬接口，為外同步方式，即同步信號用單獨的信號線傳輸。從ITU656接口轉換為ITU601接口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接口為地址和數據分開的非復用總線控制方式，SAA7146的DEBI接口為數據和地址復用的總線控制方式。這里通過DEBI的ALE信號來分離復用總線上的地址和數據總線，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橋接芯片SAA7146

SAA7146是PHILIPS公司的多媒體PCI橋接芯片，芯片上直接提供了豐富的音視頻接口，有5個I2S接口、2個D1接口、1個DEBI地址數據復用接口、I2C控制接口以及通用I/O接口等。同時該芯片內部帶有多種圖像處理功能，在多媒體領域的硬件設計上非常方便。本設計中該芯片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接口和DEBI接口對其它芯片進行控制。

上面主要介紹了各個關鍵芯片的功能，在系統實際工作時芯片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范圍廣、圖像清晰度高、支持恒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、硬盤存儲和網絡傳輸等功能。