基于以太網AVB技術的音視頻編碼器設計

謝榮東

摘 要 以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio/Video Bridging，簡稱Ethernet AVB）是一項新的IEEE 802標準，其在傳統以太網絡的基礎上，通過保障帶寬（ Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），提供完美的服務質量（QoS），以支持各種基于音頻、視頻的網絡流媒體應用。本文采用音視頻壓縮專用處理器與一種具有以太網AVB功能的交換芯片，設計了一種具有優良的音視頻網絡傳輸特性的音視頻編碼器。

【關鍵詞】Ethernet AVB 網絡傳輸 音視頻編碼

1 引言

傳統的高清音視頻編碼器一般帶有多個網口，內部具有不帶AVB的網絡交換芯片，但這種設備在音視頻網絡傳輸上不太理想，在網絡狀態出現波動時存在視頻卡頓等現象。在這種情況下，我們需要以流媒體技術和現代網絡交換技術為基礎，設計一種真正適合音視頻傳輸的音視頻編碼器，它必須符合流媒體傳輸所特有的連續性、實時性與時序性的要求。

流媒體是指在網絡上嚴格按時間先后次序傳輸和播放的連續音、視頻數據流。流媒體作為特定意義的數據流，它有一些獨特的特點：一是連續性（ continuous），二是實時性（real-time），三是時序性（time-ordered）。實時性和質量是流媒體的關鍵問題。為了保證時延和質量，網絡必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制。音視頻等對時間延遲非常敏感，但能容忍某種程度的錯誤（人類視覺冗余度所能接受的）；網絡文本數據等非實時媒體，則更注重無誤的傳輸，而在時間上的適度的延遲是可以接受的。

IEEE 802.1 AVB 工作組致力于制定一系列的新標準，對現有的以太網進行功能擴展，主要有精準時鐘步協議802.1AS（Precise Timing Protocol）， 流預留協議802.1Qat（Stream Reservation Protocol） ， 隊列及轉發協議802.1Qav（Queuing and Forwarding Protocol）。通過建立高質量、低延遲、時間同步的音視頻以太網絡，為家庭或企業提供各種普通數據及實時音視頻流的局域網配套解決方案。基于以上分析，重新設計一種基于Ethernet AVB技術適合音視頻傳輸的編碼器顯得十分必要。

2 設計方案

本文采用MARVELL? 88e6320是一個單芯片集成7個千兆以太網端口及兩個的千兆以太網收發器的交換芯片。該芯片支持最新的IEEE 802.1音視頻橋接（AVB）標準的802.1AS、802.1AS、 802.1AS協議，這些AVB技術預留網絡資源用于傳輸流和支持精確的流同步，通過這些AVB協議將音視頻發送到一個低延遲和服務保證魯棒性的以太網網絡上。

2.1 硬件設計

高清視頻編碼器采用海思編碼芯片作為主處理器，完成視音頻壓縮編碼及ARM嵌入式linux系統，設備具有多路1080P高清輸入接口，多個以太網接口。系統的結構如圖1所示。Hi35XX的GMAC接口與88E6320的port6口間通過RGMII接口互聯，如圖2所示

2.2 網絡功能設計

MARVELL? 88E6320包含影響所有的音視頻橋接（AVB）功能的全局寄存器。這些寄存器通過AVBCommand和AVBData寄存器來訪問。通過使用各種AVB塊AVBBlock值訪問以下3個全局 AVB寄存器：0x0 = 802.1AS精確時間協議（PTP）和時間的應用程序接口（TAI）寄存器；0x1 = 802.1BA音視頻橋接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。

經過設置上述3類寄存器，開啟網絡的AVB功能，保證高品質視頻實時傳輸（高帶寬，低時延，低丟包率）。

該編碼器交換功能在硬件上合并，邏輯上分開，同時有完善的單/組播，流量訪問控制、速度限制、遠程管理等智能管理功能。

3 測試對比

分別將傳統帶交換功能多網口的編碼器和本文設計的編碼器接入支持AVB的以太網交換機中，同時將2臺同型號的解碼器接入該交換機中。其中一臺解碼器從傳統編碼器上取流解碼顯示，另一臺解碼器從本文設計的編碼器中取流解碼顯示。再用網絡分析儀往交換機網絡上注入一定的網絡流量，隨著外加網絡流量的增加，傳統編碼器首先出現碼騫克現象，圖象的時間明顯加大。經過對比測試，該編碼器的視頻實時性與流暢度明顯高于傳統編碼器。因此，從總體上看，該編碼器具有優良的網絡傳輸特性，有很好的應用前景。

作者單位

杭州中威電子股份有限公司 浙江省杭州市 310000

摘 要 以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio/Video Bridging，簡稱Ethernet AVB）是一項新的IEEE 802標準，其在傳統以太網絡的基礎上，通過保障帶寬（ Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），提供完美的服務質量（QoS），以支持各種基于音頻、視頻的網絡流媒體應用。本文采用音視頻壓縮專用處理器與一種具有以太網AVB功能的交換芯片，設計了一種具有優良的音視頻網絡傳輸特性的音視頻編碼器。

【關鍵詞】Ethernet AVB 網絡傳輸 音視頻編碼

1 引言

傳統的高清音視頻編碼器一般帶有多個網口，內部具有不帶AVB的網絡交換芯片，但這種設備在音視頻網絡傳輸上不太理想，在網絡狀態出現波動時存在視頻卡頓等現象。在這種情況下，我們需要以流媒體技術和現代網絡交換技術為基礎，設計一種真正適合音視頻傳輸的音視頻編碼器，它必須符合流媒體傳輸所特有的連續性、實時性與時序性的要求。

流媒體是指在網絡上嚴格按時間先后次序傳輸和播放的連續音、視頻數據流。流媒體作為特定意義的數據流，它有一些獨特的特點：一是連續性（ continuous），二是實時性（real-time），三是時序性（time-ordered）。實時性和質量是流媒體的關鍵問題。為了保證時延和質量，網絡必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制。音視頻等對時間延遲非常敏感，但能容忍某種程度的錯誤（人類視覺冗余度所能接受的）；網絡文本數據等非實時媒體，則更注重無誤的傳輸，而在時間上的適度的延遲是可以接受的。

IEEE 802.1 AVB 工作組致力于制定一系列的新標準，對現有的以太網進行功能擴展，主要有精準時鐘步協議802.1AS（Precise Timing Protocol）， 流預留協議802.1Qat（Stream Reservation Protocol） ， 隊列及轉發協議802.1Qav（Queuing and Forwarding Protocol）。通過建立高質量、低延遲、時間同步的音視頻以太網絡，為家庭或企業提供各種普通數據及實時音視頻流的局域網配套解決方案。基于以上分析，重新設計一種基于Ethernet AVB技術適合音視頻傳輸的編碼器顯得十分必要。

2 設計方案

本文采用MARVELL? 88e6320是一個單芯片集成7個千兆以太網端口及兩個的千兆以太網收發器的交換芯片。該芯片支持最新的IEEE 802.1音視頻橋接（AVB）標準的802.1AS、802.1AS、 802.1AS協議，這些AVB技術預留網絡資源用于傳輸流和支持精確的流同步，通過這些AVB協議將音視頻發送到一個低延遲和服務保證魯棒性的以太網網絡上。

2.1 硬件設計

高清視頻編碼器采用海思編碼芯片作為主處理器，完成視音頻壓縮編碼及ARM嵌入式linux系統，設備具有多路1080P高清輸入接口，多個以太網接口。系統的結構如圖1所示。Hi35XX的GMAC接口與88E6320的port6口間通過RGMII接口互聯，如圖2所示

2.2 網絡功能設計

MARVELL? 88E6320包含影響所有的音視頻橋接（AVB）功能的全局寄存器。這些寄存器通過AVBCommand和AVBData寄存器來訪問。通過使用各種AVB塊AVBBlock值訪問以下3個全局 AVB寄存器：0x0 = 802.1AS精確時間協議（PTP）和時間的應用程序接口（TAI）寄存器；0x1 = 802.1BA音視頻橋接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。

經過設置上述3類寄存器，開啟網絡的AVB功能，保證高品質視頻實時傳輸（高帶寬，低時延，低丟包率）。

該編碼器交換功能在硬件上合并，邏輯上分開，同時有完善的單/組播，流量訪問控制、速度限制、遠程管理等智能管理功能。

3 測試對比

分別將傳統帶交換功能多網口的編碼器和本文設計的編碼器接入支持AVB的以太網交換機中，同時將2臺同型號的解碼器接入該交換機中。其中一臺解碼器從傳統編碼器上取流解碼顯示，另一臺解碼器從本文設計的編碼器中取流解碼顯示。再用網絡分析儀往交換機網絡上注入一定的網絡流量，隨著外加網絡流量的增加，傳統編碼器首先出現碼騫克現象，圖象的時間明顯加大。經過對比測試，該編碼器的視頻實時性與流暢度明顯高于傳統編碼器。因此，從總體上看，該編碼器具有優良的網絡傳輸特性，有很好的應用前景。

作者單位

杭州中威電子股份有限公司 浙江省杭州市 310000

摘 要 以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio/Video Bridging，簡稱Ethernet AVB）是一項新的IEEE 802標準，其在傳統以太網絡的基礎上，通過保障帶寬（ Bandwidth），限制延遲（Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），提供完美的服務質量（QoS），以支持各種基于音頻、視頻的網絡流媒體應用。本文采用音視頻壓縮專用處理器與一種具有以太網AVB功能的交換芯片，設計了一種具有優良的音視頻網絡傳輸特性的音視頻編碼器。

【關鍵詞】Ethernet AVB 網絡傳輸 音視頻編碼

1 引言

傳統的高清音視頻編碼器一般帶有多個網口，內部具有不帶AVB的網絡交換芯片，但這種設備在音視頻網絡傳輸上不太理想，在網絡狀態出現波動時存在視頻卡頓等現象。在這種情況下，我們需要以流媒體技術和現代網絡交換技術為基礎，設計一種真正適合音視頻傳輸的音視頻編碼器，它必須符合流媒體傳輸所特有的連續性、實時性與時序性的要求。

流媒體是指在網絡上嚴格按時間先后次序傳輸和播放的連續音、視頻數據流。流媒體作為特定意義的數據流，它有一些獨特的特點：一是連續性（ continuous），二是實時性（real-time），三是時序性（time-ordered）。實時性和質量是流媒體的關鍵問題。為了保證時延和質量，網絡必須提供足夠的帶寬資源，而資源的保證又依賴于許多其他的控制。音視頻等對時間延遲非常敏感，但能容忍某種程度的錯誤（人類視覺冗余度所能接受的）；網絡文本數據等非實時媒體，則更注重無誤的傳輸，而在時間上的適度的延遲是可以接受的。

IEEE 802.1 AVB 工作組致力于制定一系列的新標準，對現有的以太網進行功能擴展，主要有精準時鐘步協議802.1AS（Precise Timing Protocol）， 流預留協議802.1Qat（Stream Reservation Protocol） ， 隊列及轉發協議802.1Qav（Queuing and Forwarding Protocol）。通過建立高質量、低延遲、時間同步的音視頻以太網絡，為家庭或企業提供各種普通數據及實時音視頻流的局域網配套解決方案。基于以上分析，重新設計一種基于Ethernet AVB技術適合音視頻傳輸的編碼器顯得十分必要。

2 設計方案

本文采用MARVELL? 88e6320是一個單芯片集成7個千兆以太網端口及兩個的千兆以太網收發器的交換芯片。該芯片支持最新的IEEE 802.1音視頻橋接（AVB）標準的802.1AS、802.1AS、 802.1AS協議，這些AVB技術預留網絡資源用于傳輸流和支持精確的流同步，通過這些AVB協議將音視頻發送到一個低延遲和服務保證魯棒性的以太網網絡上。

2.1 硬件設計

高清視頻編碼器采用海思編碼芯片作為主處理器，完成視音頻壓縮編碼及ARM嵌入式linux系統，設備具有多路1080P高清輸入接口，多個以太網接口。系統的結構如圖1所示。Hi35XX的GMAC接口與88E6320的port6口間通過RGMII接口互聯，如圖2所示

2.2 網絡功能設計

MARVELL? 88E6320包含影響所有的音視頻橋接（AVB）功能的全局寄存器。這些寄存器通過AVBCommand和AVBData寄存器來訪問。通過使用各種AVB塊AVBBlock值訪問以下3個全局 AVB寄存器：0x0 = 802.1AS精確時間協議（PTP）和時間的應用程序接口（TAI）寄存器；0x1 = 802.1BA音視頻橋接（AVB）策略寄存器；0x2 = 802.1Qav寄存器。

經過設置上述3類寄存器，開啟網絡的AVB功能，保證高品質視頻實時傳輸（高帶寬，低時延，低丟包率）。

該編碼器交換功能在硬件上合并，邏輯上分開，同時有完善的單/組播，流量訪問控制、速度限制、遠程管理等智能管理功能。

3 測試對比

分別將傳統帶交換功能多網口的編碼器和本文設計的編碼器接入支持AVB的以太網交換機中，同時將2臺同型號的解碼器接入該交換機中。其中一臺解碼器從傳統編碼器上取流解碼顯示，另一臺解碼器從本文設計的編碼器中取流解碼顯示。再用網絡分析儀往交換機網絡上注入一定的網絡流量，隨著外加網絡流量的增加，傳統編碼器首先出現碼騫克現象，圖象的時間明顯加大。經過對比測試，該編碼器的視頻實時性與流暢度明顯高于傳統編碼器。因此，從總體上看，該編碼器具有優良的網絡傳輸特性，有很好的應用前景。

作者單位

杭州中威電子股份有限公司 浙江省杭州市 310000