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?。傳統(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多媒體文件經(jīng)過特殊的壓縮方式分成一個個壓縮包,，由服務(wù)器向用戶計算機(jī)連續(xù)實(shí)時傳輸。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)時廣播提供了保證,。
　　本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式MP3流媒體" title="流媒體">流媒體廣播系統(tǒng)" title="廣播系統(tǒng)">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MP3流媒體廣播的優(yōu)點(diǎn)是兼容性強(qiáng)、實(shí)時性高,、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,、時斷時續(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
　　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)的各個消費(fèi)領(lǐng)域,。過去，嵌入式系統(tǒng)是一個孤立的,、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" title="客戶終端">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icecast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,。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,?？紤]到網(wǎng)絡(luò)的帶寬以及使用需求,，本設(shè)計采用了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)被封裝為一個個的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)計成通過小區(qū)局域網(wǎng)同時接收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,。客戶端在嵌入式環(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,，即啟動兩個線程。一個線程建立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)隊列的概念),；另一個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)隊列)讀出MP3數(shù)據(jù),，隨后對數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時解碼并寫入聲卡，從而達(dá)到接收廣播并播放的目的,。兩個線程同時進(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。Linux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(Arca2),。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。GT2000在400MHz主頻下運(yùn)行時最大功耗只有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，也是嵌入式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€重要條件是要有合適的傳輸協(xié)議,。RTP(Real-time Transport Protocol)正是作為這樣一種適時的傳輸協(xié)議而出現(xiàn)的,，它是進(jìn)行實(shí)時流媒體傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)。
　　RTP協(xié)議是用于Internet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,，其目的是提供時間信息和實(shí)現(xiàn)流同步,。整個RTP協(xié)議由兩個密切相關(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)傳輸?shù)?，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。當(dāng)應(yīng)用程序開始一個RTP會話時將使用兩個端口,，一個給RTP,，另一個給RTCP。RTP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庫是一個基于RTP/RTCP/RTSP/SIP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個子帶合并成一個寬帶信號,，18個頻譜值執(zhí)行32次改進(jìn)型離散余弦逆變換(IMDCT),。再將生成的576個頻譜值變換成長度為32的18個連續(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頻率映射運(yùn)算(例如矩陣相乘)和一個有512個系數(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)隊列的概念,，其優(yōu)點(diǎn)為在不斷順序讀取數(shù)據(jù)的同時又不斷將數(shù)據(jù)寫入隊列，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，隊列數(shù)據(jù)需達(dá)到一定的數(shù)據(jù)量時才往聲卡寫入,。此后往隊列不斷寫入數(shù)據(jù)并將隊列的數(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)送時大小為1 254B,，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)計中只利用簡單的幾個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)入隊列時丟幀,，做了幾組測試,，可以觀察到丟幀概率不同時的聲音斷續(xù)情況，如表1所示,。
　　從表1可以看出：丟幀率越小,，斷續(xù)出現(xiàn)的時間間隔越大，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,。