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下一代移动通信系统的MPEG-4成熟应用方案
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The MPEG-4 Solution For Next Generation Mobile
Telecommunication System
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下一代移动电话和移动通信设备向系统开发商和芯片供应商提出同样的挑战，即:将较高的数据传输率和可视能力综合在一起。并且这些新的特性还不应影响目前的功能范围。MPEG-4提供改进的数据压缩方法并且受强误差影响较少，在降低数据率的同时可以高质量传输视频数据。
到目前为止，讨论和开发MPEG-4方案集中在将话音、数据和可视能力综合在"传统的"移动电话中，但对MPEG-4的编码和译码要求较高的处理能力，这意味着必须迅速提高电话的性能。这对设备的尺寸、元件数量、功耗及与此有关的电池寿命和整个系统的成本都产生了影响。MPEG-4标准覆盖迄今为止所有属于原来的标准如H.263、H.261、MPEG-1和MPEG-2的应用范围(见图1)。
因此，出现了另一种可供选择的方案，建议移动电话仅作为MPEG-4可视电话的基本通信设备使用，并与不同的附加设备如微型终端进行连接。附加设备含有某种程度的"智能"，并承担大部分MPEG-4的处理辅助操作。这种设想打开了一系列崭新的便携消费、娱乐产品的思路。但MPEG-4是否能综合到电话或附加设备中，还必须克服许多设计的难点。
MPEG-4方案的设计挑战
MPEG-4系统开发工作面临的最重要挑战有以下几点:
除高质量的话音再现等一系列基本要求外，怎样综合MPEG-4压缩算法；
怎样实现运动估计(Motion Estimcation)的有效算法，才能降低再现整个传输图像所要求的数据量；
为保证手持设备中的较长的电池寿命，降低功耗；
怎样使电路中漏电电流减小到最低限度;
怎样有效实现集成元器件或外围设备间的接口。
为了战胜这些挑战，目前不少半导体制造商开发了综合的MPEG-4集成硅方案。这路综合方案试图将MPEG-4编码器、译码器、处理器和其他功能如话音编码器、音频和视频多路传送器及母板上的存储器综合在一起。
所有功能集成在一个芯片上
电池使用寿命是每台便携设备的问题之一。在集成MPEG-4元件中应优先考虑功耗的预算。因此，市场上获得成功和便于使用的集成MPEG-4芯片都是节能方式和最佳嵌入式算法相结合的体系结构。首先，开发商必须弄清楚下面3个体系问题:
DRAM存储器和处理器/存储器接 口的功耗怎样;
哪些处理器体系结构可实现视频和音频编码器以及多路传送器;
使用降低计算量及电流消耗的算法。
嵌入式DRAM降低功耗
降低存储器功耗的最好途径是将DRAM部分集成到芯片上。其电流消耗可降低90%。"嵌入式DRAM"方案还具有其他优点，即它将减少印制电路板上所需安装位置数量以及元件的数量，并通过比较高的数据率提高整个器件的效率。
处理器的体系结构
为实现集成的MPEG-4芯片，供选择的不同处理器体系结构有:标准RISC或最佳的RISC处理器或DSP。每种选择提供编程、信号处理效率、句法处理效率和多媒体应用所要求的灵活性方面的各种优点。表1列出了每种方案的优点。它表明，多媒体应用的最佳RISC处理器最适用。
运动估计影响功耗
运动估计选择的解决方案也对集成元件成功运转和降低电流消耗有根本作用。运动估计算法证实"运动矢量"，并利用它得出与预计的图像比较有区别的图像分部。选择好的运动估计原则可以大大减少整个传输图像所需要的数据量，就是说:一方面降低数据率;另一方面可减少需要的计算量。两者都使电流消耗降低。
电路平面节能
降低能耗的另一个途径是实现可变门限电压的CMOS(VTCMOS)。通过使用基片偏压可调整运动电压门限(Uth)。VTCMOS既可用于改变n沟道的门限电压，又可用于改变P沟道。此外，降低电压门限可提高开关速度，而不会引起电流消耗的其他损失。
通过VTCMOS与智能的以CVS(Clustered Vollage Scaling)进行的电源控制结合还可继续降低电流消耗。CVS只降低非关键的线路开关电路的供电电压(UDD)。这种技术使逻辑电路和存储器的功耗明显降低，而对系统性能没有负面影响。
设计工具技术
工具技术在确定MPEG-4元件的效率和电流消耗方面起重要作用。并行处理的流水线体系结构可降低RISC核心(RISC Core)的工作频率并降低功耗。使用的避免元件输入/输出端同时接通的"门时钟"脉冲电路可获得进一步的节省。此外，这种技术还可减少总插头数，因为电源需要较少的插头(引线)。
MPEG-4模块有3个16bit RISC处理器
在上面介绍的技术基础上，东芝公司实现了可视电话系统用的全集成单芯片MPEG-4视频和音频芯片。这种元件集成MPEG-4图像编码器、声音编码器、图像和声音信号多路传送器以及可使"页面"和"字"的大小最佳化的16Mbyte嵌入式集成DRAM。集成在芯片中的3个16Bit
RISC处理器分别控制图像编码器、声音编码器以及声音和图像数据的多路传送。使用并行流水线结构有助于将RISC核的工作频率从40MHz降至30MHz，这可节省25%的电流消耗。与传统的方法相比，使用嵌入式DRAM有助于迅速降低I/O方面的功耗。新的运动估计算法可降低计算运动矢量所要求的循环次数，因此缩短了运动估计所需计算时间，并进一步降低了电流消耗。
应用例子--可视移动电话IMT2000
当他们将MPEG-4用于移动电话时，设计人员必须作出的第一个决定是:他们是否使用硬件或软件方案。这个决定在相当大的程度上取决于电话基带处理器中可用的处理能力。一般只有当基带芯片组中使用的RISC处理器提供100多MIPS(百万条指令/秒)计算速度时，才使用软件译码器。因此，通常还是热衷于硬件方案，因为它是真正的可视电话唯一实用的方案。
图2中的方框图是东芝公司新的MPEG-4芯片实现的IMT2000可视电话的应用例子。在这个例子中展示了MPEG-4芯片与已有的以话音为中心的基带方案，以补充所需要的处理效率及图像和声音编码器的重要功能。
在这种特殊情况下，全套解决方案仅要求一个主CPU接口以及基带芯片组和MPEG-4芯片本身之间的3线接口。
此外，在所介绍的应用中，MPEG-4芯片需要直接与CMOS摄像机及有控制器的LD显示器连接。
（水）
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