基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MP3流媒體廣播系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：鄧丹，吳小強(qiáng)，羅代升

早期的智能小區(qū)廣播大多采用模擬方式．如調(diào)幅、調(diào)頻廣播。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是減少了布線的麻煩，缺點(diǎn)是容易在傳輸過程中受空中雜波的干擾。隨著數(shù)字技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)音頻廣播已悄然興起。

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)廣播將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理和傳輸。由于它采用了糾錯編碼技術(shù)，消除了模擬方式的噪聲干擾，從而保證了傳輸?shù)目煽啃浴鹘y(tǒng)廣播只能在規(guī)定的頻率和發(fā)射功率內(nèi)進(jìn)行傳播，覆蓋范圍受到制約。

而數(shù)字網(wǎng)絡(luò)廣播卻可以通過網(wǎng)絡(luò)將廣播發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)用戶，廣播范圍大幅度增大，并且其接收音質(zhì)好，可令聽眾享受到CD質(zhì)量的廣播節(jié)目。網(wǎng)絡(luò)廣播抗干擾能力強(qiáng)，信號幾乎零失真。目前，智能小區(qū)已開始利用千兆以太局域網(wǎng)進(jìn)行音頻廣播。

網(wǎng)絡(luò)廣播一般分為兩種方式：

（1）下載播放，即先把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)下載在本地，然后再用媒體播放器播放。這種廣播的優(yōu)點(diǎn)是播放與網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率無關(guān)，播放效果好，允許分段多次續(xù)傳下載，下載后可以反復(fù)播放。缺點(diǎn)是必須等待文件完全下載后才能播放，時(shí)間較長，且用戶端要有較大的存儲容量。

（2）流式播放。流是連續(xù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，流式傳輸方式是將整個(gè)多媒體文件經(jīng)過特殊的壓縮方式分成一個(gè)個(gè)壓縮包，由服務(wù)器向用戶計(jì)算機(jī)連續(xù)實(shí)時(shí)傳輸。它采用邊下載邊播放的方式。與下載播放方式相比。流式播放不僅使啟動延時(shí)大幅度縮短，而且對系統(tǒng)緩存容量的需求也大大降低。流式播放為實(shí)時(shí)廣播提供了保證。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式MP3流媒體廣播系統(tǒng)，用于智能小區(qū)的媒體廣播。系統(tǒng)的硬件采用嵌入式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低、占有資源少、管理簡單、維護(hù)容易。因?yàn)镸P3是目前網(wǎng)絡(luò)上音頻播放文件最普遍的格式，所以音頻數(shù)據(jù)格式采用MP3。與其他音頻數(shù)據(jù)格式（如PCM、VOC、MIDI等）相比，MP3具有較高的壓縮率和不遜于CD的音頻質(zhì)量。數(shù)據(jù)傳輸和播放采用流媒體形式。采用MF3流媒體廣播的優(yōu)點(diǎn)是兼容性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、連續(xù)性好、數(shù)據(jù)傳輸和廣播連續(xù)進(jìn)行、無須數(shù)據(jù)下載，解決了掉包、時(shí)斷時(shí)續(xù)、數(shù)據(jù)下載等待等問題。

1 嵌入式MP3流媒體網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在過去的十年中，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用方式發(fā)生了很大變化，其應(yīng)用已由工業(yè)、通信和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到與數(shù)字多媒體相關(guān)的各個(gè)消費(fèi)領(lǐng)域。過去，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)孤立的、資源有限、功能較少、用途單一的系統(tǒng)，各自擁有獨(dú)特的顯示方式和用戶界面。它們的生產(chǎn)商追求在有限的價(jià)格上滿足一定的功能要求，通常采用功能并不強(qiáng)大的CPU，盡可能地壓縮系統(tǒng)性能。今天，人們將嵌入式系統(tǒng)用在智能化和互聯(lián)化的系統(tǒng)中是希望它們能夠通過互聯(lián)網(wǎng)、無線或其他方式相互連接，采用相同的方式．運(yùn)行很多相同的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)多種智能化的功能。

由嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）之上建立嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序非常必要。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)與研究，一直都是非常重要及有意義的課題。

本系統(tǒng)就是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，其功能是實(shí)現(xiàn)智能小區(qū)中MP3流媒體網(wǎng)絡(luò)廣播。系統(tǒng)主要由服務(wù)器端和客戶終端兩部分組成。要創(chuàng)建MP3流媒體廣播嵌入式系統(tǒng)，已有的Linux下的開放源碼工具不符合嵌入式系統(tǒng)的工作條件和要求（如采用icecasl和ices進(jìn)行創(chuàng)建），因此，必須對廣播的服務(wù)器端和客戶終端進(jìn)行軟件的研究和設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的服務(wù)器端在Windows環(huán)境下工作，界面用VC編程實(shí)現(xiàn)。嵌入式客戶終端的操作界面應(yīng)用qt-embedded庫實(shí)現(xiàn)。

在小區(qū)的物業(yè)管理中心安裝了MP3廣播服務(wù)器。服務(wù)器端由管理中心人員操作。由于Windows系統(tǒng)的普及性及易操作性，所以在服務(wù)器端選擇以Windows作為系統(tǒng)平臺運(yùn)行MP3的播放程序。為了讓用戶能有更多的選擇，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路的MP3廣播。對于多路的發(fā)送與接收，主要利用RTP和RTCP所用端口號分別監(jiān)聽。

每一路分別采用一個(gè)獨(dú)立的RTP和RTCP端口號，與接收端的接收路數(shù)的端口號相對應(yīng)。這樣才能使每一路的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中不交叉，各自獨(dú)立。考慮到網(wǎng)絡(luò)的帶寬以及使用需求，本設(shè)計(jì)采用了8路通道以保證數(shù)據(jù)流能順暢地發(fā)送。

在系統(tǒng)文件中，將需廣播的歌曲分別放置到8個(gè)不同目錄（以后對歌曲的管理都在相應(yīng)的文件夾下進(jìn)行）中，每路播放分別對應(yīng)不同的目錄，啟動服務(wù)器端程序即啟動8路播放線程。首先分別讀出8路所對應(yīng)文件夾下的所有MP3文件，每路都產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)以便歌曲被隨機(jī)播放。

隨后每路利用不同的RTP和RTCP端口號分別建立RTP會話。MP3數(shù)據(jù)被封裝為一個(gè)個(gè)的RTP包，不斷循環(huán)地送往小區(qū)局域網(wǎng)絡(luò)，直到一首歌曲發(fā)送完成，開始對下一首歌曲文件進(jìn)行封包發(fā)送。這樣不斷循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)循環(huán)廣播8路歌曲的目的。服務(wù)器端的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在小區(qū)各用戶家中安裝系統(tǒng)客戶終端，客戶終端設(shè)計(jì)成通過小區(qū)局域網(wǎng)同時(shí)接收8路音樂廣播，并且可以對這8路音樂進(jìn)行隨意選擇和切換收聽。客戶端在嵌人式環(huán)境下運(yùn)行MP3廣播接收程序。

用戶通過終端按鍵啟動程序，即啟動兩個(gè)線程。一個(gè)線程建立RTP會話及對8路分別會話進(jìn)行相對應(yīng)的設(shè)置，然后從網(wǎng)絡(luò)循環(huán)接收MP3數(shù)據(jù)流并將數(shù)據(jù)流寫入緩存（這里緩存采用循環(huán)隊(duì)列的概念）；另一個(gè)線程則首先對聲卡參數(shù)（如聲卡采樣率、聲道等）進(jìn)行設(shè)置，然后不斷地從緩存（循環(huán)隊(duì)列）讀出MP3數(shù)據(jù)，隨后對數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼并寫入聲卡，從而達(dá)到接收廣播并播放的目的。兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了邊從網(wǎng)絡(luò)接收邊播放數(shù)據(jù)的功能，體現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?？蛻艚K端結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

2 嵌入式MP3流媒體網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境

2．1．1 軟件環(huán)境

在應(yīng)用于智能小區(qū)的嵌入式MP3流媒體廣播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，服務(wù)器端基于Windows平臺，客戶終端系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核。Linux操作系統(tǒng)可應(yīng)用于多種硬件平臺，原型可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺上開發(fā)后移植到具體的硬件上，使軟件與硬件的開發(fā)過程加快。

本系統(tǒng)在X86上開發(fā)后再移植到硬件平臺上。Linux的高度模塊化使添加部件非常容易，而且是免費(fèi)開源，定會節(jié)省大量的開發(fā)費(fèi)用。LJnux的優(yōu)勢還體現(xiàn)在可靠性和軟件規(guī)模方面。Linux可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行裁剪，并且具備強(qiáng)大的內(nèi)存保護(hù)功能，可靠性高。如今，業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識：嵌入式Linux是大勢所趨，其巨大的市場潛力與醞釀的無限商機(jī)必然會吸引眾多的廠商進(jìn)入這一領(lǐng)域。

2．1．2 硬件環(huán)境

在應(yīng)用于智能小區(qū)的嵌入式MP3流媒體廣播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，嵌入式CPU采用GT2000，其CPU核心是方舟2號（Area2）。GT2000集成了高性能CPU核心和PC架構(gòu)南北橋中的大部分功能，是信息終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的理想解決方案。CT2000在40OMHz主頻下運(yùn)行時(shí)最大功耗只有360毫瓦，是業(yè)界最具競爭力的高性能、低功耗微處理器產(chǎn)品。

方舟開發(fā)板Draco則為基于GT2000的產(chǎn)品開發(fā)提供了一個(gè)易于擴(kuò)充、易于配置的平臺，本系統(tǒng)采用了Draco開發(fā)板。一個(gè)全新體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用需要高質(zhì)量編譯器工具鏈的支持。方舟CPU作為一個(gè)全新的RISC指令集體系結(jié)構(gòu)，編譯器的支持至關(guān)重要。

方舟科技移植增強(qiáng)了GNU編譯開發(fā)環(huán)境，使其對方舟CPU體系結(jié)構(gòu)提供了全方位的支持。其GNU編譯工具鏈覆蓋了編譯技術(shù)和開發(fā)環(huán)境的方方面面，代碼效率及可移植性在業(yè)界處于領(lǐng)先地位，已成為Linux操作系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境，也是嵌人式CPU開發(fā)環(huán)境事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2．2 MP3流媒體傳輸協(xié)議

在應(yīng)用于智能小區(qū)的嵌入式MP3流媒體廣播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，傳輸方式采用流式傳輸。實(shí)現(xiàn)流式傳輸?shù)囊粋€(gè)重要條件是要有合適的傳輸協(xié)議。RTP（Real-timeTransport Protocol）正是作為這樣一種適時(shí)的傳輸協(xié)議而出現(xiàn)的，它是進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)。

TRP協(xié)議是用于Intemet上針對多媒體數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時(shí)間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。整個(gè)RTP協(xié)議由兩個(gè)密切相關(guān)的部分組成：RTP數(shù)據(jù)協(xié)議和RTCP控制協(xié)議。RTP是通過在UDP上工作來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳轄的，但也可以在其他協(xié)議上（如TCP）工作。而控制協(xié)議只能使用RTCP。

應(yīng)用程序開始一個(gè)RTP會話時(shí)將使用兩個(gè)端口，一個(gè)給RTP，另一個(gè)給RTCP。TRP本身并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。通常RTP算法并不作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，而是作為應(yīng)用程序代碼的一部分。RTP與RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議，RTP協(xié)議更能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，采用Linux下的LIVE庫進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在Linux下，有很多基于RTP協(xié)議的庫，如LIBRTP，JRTPLIB、LIVE庫等。LIVE庫是一個(gè)基于RTP／RTCP/RTSP/STP協(xié)議的流媒體傳輸庫，其移植性好，既可以在Unix平臺上編譯，也可以在Windows平臺以及其他一些系統(tǒng)平臺上編譯。它適合于嵌入式和低功耗場合的流媒體應(yīng)用。

2．3 MP3流媒體解碼

在應(yīng)用于智能小區(qū)的嵌入式MP3流媒體廣播系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，用戶接收端接收到的數(shù)據(jù)是網(wǎng)絡(luò)傳來的MP3數(shù)據(jù)流，因此，先對MP3數(shù)據(jù)流解碼，然后才能寫入聲卡播放。

MP3解碼過程是先將MP3數(shù)據(jù)幀解包，然后用Huffman解碼解出位分配信息。接著在逆變換中利用頻譜系數(shù)，在合成濾波器中將32個(gè)子帶合并成一個(gè)寬帶信號，18個(gè)頻譜值執(zhí)行32次改進(jìn)型離散余弦逆變換（IMDCT）。再將生成的576個(gè)頻譜值變換成長度為32的18個(gè)連續(xù)頻譜，通過18次運(yùn)算，多相位合成濾波器將這些頻譜轉(zhuǎn)換到時(shí)域完成波形重構(gòu)，生成PCM音頻數(shù)據(jù)。多相位濾波器組包含一個(gè)頻率映射運(yùn)算（例如矩陣相乘）和一個(gè)有512個(gè)系數(shù)的FIR濾波器。MP3流媒體解碼的流程如圖3所示。

3 系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果與討論

流式傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)需要緩存，在傳輸中實(shí)時(shí)MP3音頻文件被拆分為許多數(shù)據(jù)包。由于網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化，各個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的傳輸路由不盡相同，所以到達(dá)客戶端時(shí)間延遲也就不等，甚至有先發(fā)的包后到及未到的情況。如果直接播放這種數(shù)據(jù)流會引起音頻的延遲和抖動，因此采用緩存系統(tǒng)。緩存大小的設(shè)置直接影響播放質(zhì)量。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采用了循環(huán)隊(duì)列的概念，其優(yōu)點(diǎn)為在不斷順序讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)又不斷將數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列，因此使得緩沖大小相對穩(wěn)定，從而保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。在數(shù)據(jù)發(fā)送接收的最初，由于數(shù)據(jù)量少，聲音可能出現(xiàn)斷續(xù)，此時(shí)，隊(duì)列數(shù)據(jù)需達(dá)到一定的數(shù)據(jù)量時(shí)才往聲卡寫入。此后往隊(duì)列不斷寫入數(shù)據(jù)并將隊(duì)列的數(shù)據(jù)不斷地寫入聲卡，從而保證了數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。因此測試收聽音質(zhì)效果好，對于每一幀的數(shù)據(jù)大小，也就是每次寫入緩沖隊(duì)列的數(shù)據(jù)，程序會根據(jù)歌曲文件的大小自動對其加以調(diào)整以最適合傳輸。

例如3．3MB的文件每一幀數(shù)據(jù)被發(fā)送時(shí)大小為l254B，而6.1MB的文件每一幀數(shù)據(jù)大小則為731B。另外，在嵌入式客戶終端操作時(shí)采用圖形界面方式。由于要照顧到不同的使用者，如老人、小孩，所以就要使操作簡單方便。本設(shè)計(jì)中只利用簡單的幾個(gè)按鍵就能直觀方便地進(jìn)行操作，從而使應(yīng)用操作比以往產(chǎn)品的復(fù)雜操作更加人性化，應(yīng)用范圍更加廣泛。

在實(shí)驗(yàn)測試中。模擬了幾種丟幀情況下的音質(zhì)效果。實(shí)驗(yàn)中，故意讓接收數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列時(shí)丟幀，做了幾組測試，可以觀察到丟幀概率不同時(shí)的聲音斷續(xù)情況，如表1所示。

從表l可以看出：丟幀率越小，斷續(xù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔越大，也就是數(shù)據(jù)越流暢。而在不丟幀的情況下，亦即實(shí)驗(yàn)中程序運(yùn)行情況下，播放基本沒有斷續(xù)，聲音流暢、音色較好，達(dá)到了系統(tǒng)功能要求。

從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)現(xiàn)結(jié)果看，系統(tǒng)達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求。在發(fā)送MP3數(shù)據(jù)流時(shí)，可以同時(shí)發(fā)送多路數(shù)據(jù)，在接收MP3廣播時(shí)，能順利切換各個(gè)頻道，并且音質(zhì)流暢，達(dá)到了較好接收MP3數(shù)據(jù)流的效果。系統(tǒng)操作簡單，適應(yīng)于各種層次的用戶。本系統(tǒng)除了能很好地適用于智能小區(qū)外，還可應(yīng)用于其他一些局域網(wǎng)的場合，如校園、酒店等。系統(tǒng)具有成本低、體積小、對MP3數(shù)據(jù)流可進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼等優(yōu)點(diǎn)，將會被越來越多地應(yīng)用于人們的生活中。

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