多媒体通信的终端形式

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，人们常用的多媒体通信终端主要有两种形式：一是以通用计算机或工作站为基础加以扩充，使其具备多媒体信息的加工处理能力，即多媒体计算机终端；二是采用特定的软硬件设备制成针对某种具体应用的专用设备，如智能手机、平板电脑、多媒体会议终端、智能电视和各种机顶盒等。对数据信号，MCU 采取广播方式将某一会场的数据切换到其他所有会场。

目前，人们常用的多媒体通信终端主要有两种形式：一是以通用计算机或工作站为基础加以扩充，使其具备多媒体信息的加工处理能力，即多媒体计算机终端；二是采用特定的软硬件设备制成针对某种具体应用的专用设备，如智能手机、平板电脑、多媒体会议终端、智能电视和各种机顶盒等。

1.多媒体计算机终端

多媒体通信终端要求能处理速率不同的多种媒体，能和分布在网络上的其他终端保持协同工作，能灵活地完成各种媒体的输入输出、人机界面接口等功能。事实上，计算机是目前多媒体应用的主要开发和应用平台。以计算机为核心增强多媒体信息处理能力，增加各类媒体信息的采集和输出接口、补充各类通信接口便构成了一个多媒体通信终端。多媒体计算机终端通过不同的配置就可实现可视电话、会议电视、互联网浏览、点播电视等终端功能。

2.机顶盒与智能电视

通常点播电视和交互电视业务所用的多媒体终端多为智能电视机或网络机顶盒+普通电视机组成的终端，而智能电视本身也是整合了机顶盒功能的新型电视机。

机顶盒一般具有以下功能。

（1）人机交互控制功能

人机交互控制功能一般是通过遥控键盘或遥控器来实现的，它除了具备一般键盘所具有的功能以外，还必须能够通过遥控器实现对所播放节目的控制，如快进、快退、播放、暂停、慢放、静帧等。

（2）通信功能

通信功能包括接收通过HFC、ADSL或HTTC等接入网传输来的下行数据，并将用户点播要求的上行信号传到播控服务器。通信过程包括通信的建立、多媒体数据的传输和通信的结束，其中涉及信号的调制解调、纠错编码解码以及各种通信协议。一般来讲，机顶盒应具备不对称的双向通信能力，即较宽的下行通道和较窄的上行通道，而每个方向上应至少有一个控制通道和一个数据通道。

（3）信号解码功能

由于机顶盒的最主要功能是完成数字视音频信息的接收，因此压缩视音频信息的解码在机顶盒中占有重要的地位。一般来讲，机顶盒必须支持MPEG 视音频信息的解码，而当其承担多功能服务平台的任务时，可能还需要支持JPEG、H.26x等标准。

（4）互联网浏览功能

机顶盒逐渐集成了电脑的功能，成为一个多功能服务的工作平台，用户通过机顶盒即可实现VOD、数字电视接收、Internet访问等多媒体信息服务。

（5）信息显示功能

机顶盒一般同时具备数字视频输出端口（HDMI）和模拟视频输出端口，以完成和显示设备的连接。信息显示功能除了要完成活动视频图像信号的显示之外，还要实现菜单文字或静止图像及图标的生成和输出显示。

机顶盒设备由硬件和软件两部分组成，不同的机顶盒所采用的系统平台不同、软件架构不同，从而所实现的功能也不同。在硬件结构上主要存在三种结构的平台，即基于专用芯片架构、基于多媒体数字信号处理器架构和基于通用处理器架构的平台。软件结构大多采用层次化、模块化结构，或者采用中间件结构。图3.4给出了一种机顶盒的硬件结构，由核心控制单元、媒体处理单元以及各类接口组成。

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图3.4　机顶盒的硬件结构

3.电视会议终端

电视会议系统的特点是利用数字视频技术，通过传输信道提供不同地点的多个用户以电视方式举行面对面的远程会议。电视会议主要由终端设备、传输设备和传输信道以及网络管理系统等组成，包括基于H.26x标准的视频编解码器、全景摄像机、特写镜头摄像机、图文摄像机、云台及其云台控制器、电视机、话筒、扬声器、录像机、音视频合成器和各种操作控制装置等。

利用终端设备和相互间的双向宽带数字传输信道，把不同地点的会议电视终端连接起来，即可召开点对点的会议电视；但是如果要召开多点会议电视，则必须借助多点控制设备（MCU）建立多点会议电视系统网络。MCU 是会议电视网中的关键设备，其作用是完成对来自不同会议点的多路视频图像、语音、数据信号的混合与切换；协调各个会议电视终端设备的工作速率，使整个会议电视网自动工作在所有终端的最低速率上。MCU 对视频信号采取直接分配的方式，若某会场发言，则它的图像信号便会传送到MCU，MCU 将其切换到与它连接的所有会场。对数据信号，MCU 采取广播方式将某一会场的数据切换到其他所有会场。对语音信号可分为两种情况：如只有一个会场发言，MCU 将它的音频信号切换到其他所有会场；若同时有几个会场，MCU 将它们的音频信号进行混合处理，挑出电平最高的音频信号，然后切换到除它之外的其他所有会场。

4.智能移动终端

支持移动应用的多媒体通信终端主要有便携式多媒体播放器、笔记本电脑、平板电脑以及智能手机等。此类终端的最主要特征是包含电池和无线通信模块，以支持其便携和移动通信能力。随着人们对多媒体通信业务及终端的移动性要求越来越高，智能手机和平板电脑已成为多媒体通信业务最重要的终端平台。平板电脑与智能手机在系统功能、软硬件平台及应用方式等方面并无显著区别，两者最大差异主要体现在显示屏幕的大小和是否能被单手握持及操作。一般而言，智能手机的屏幕尺寸大致在3.5～7英寸之间，可单手握持；而平板电脑的屏幕尺寸大致在7～12英寸之间，需双手握持。除此之外，语音通话和3G/4G/5G 数据通信能力是智能手机的必备功能，而对平板电脑来说则是可选功能。

智能手机除了具备普通手机的语音通话功能外，还具备收发短信、即时通信、视频通话、个人数字助理、互联网浏览、网络游戏、收发电子邮件、移动办公、位置服务以及其他多媒体应用的能力。智能手机为用户提供了足够快的处理能力、足够大的屏幕尺寸和足够宽的传输带宽，既方便随身携带，又为软件运行和内容服务提供了可能。智能手机内嵌GPS接收模块，可以轻松完成各种位置服务和导航应用。智能手机内嵌的重力感应器和陀螺仪，可支持各种游戏应用，使之成为人们随身携带的游戏机。此外，由于智能手机具备足够强的媒体信息处理能力，因而可以完成音乐及电影播放、拍照及摄录视频短片等多媒体应用。智能手机具有开放性的嵌入式操作系统、可自由安装的各类软件以及全触屏式的操作方式等特性。结合WiFi、3G/4G/5G 通信网络的支持，智能手机已发展成为一个功能强大，集通话、短信、网络接入、影视娱乐为一体的综合性个人手持终端设备。

智能手机的系统组成如图3.5所示，其硬件由CPU/GPU/NPU、ROM/RAM、蓝牙、WiFi、射频前端和基带芯片、话筒/扬声器、显示屏、触摸屏、摄像头、感应器等组成。智能手机从电路结构上主要划分为射频部分、基带部分、传感器部分和电源部分。

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图3.5　智能手机/平板电脑系统构成

基带部分主要由逻辑控制和信号处理模块组成，主要功能是完成对数字信号的处理和对整机工作的管理和控制。逻辑控制部分主要由中央处理器和存储器构成，中央处理器负责对整机工作的管理和控制。音频信号处理由接收和发送两部分组成，其中接收部分包括GMSK解调、解密、去交织、信道解码、语音解码、PCM 解码，还原出模拟的语音信号，经过音频放大器放大后推动受话器发出声音；发射部分包括送话器、前置放大、PCM 编码、语音编码、信道编码、交织、加密、GMSK 编码等处理。随着手机中多媒体和人工智能的应用越来越多，其基带部分逐步被多核处理器所替代，每单个芯片中就包含多个CPU、GPU 和NPU 内核。其中，CPU 依旧负责对整机的管理和控制；图形处理器（GPU）擅长处理图像数据，它采用数量众多的计算单元和超长的流水线，以解决CPU 在大规模并行运算中遇到的困难、提升速度；神经网络处理器（NPU）则模拟人类神经元和突触，并且用深度学习指令集直接处理大规模的神经网络，用一条指令完成一组神经网络的处理，为人工智能（AI）提供计算加速过程。深度学习是当前人工智能的主流算法，其本质是人工神经网络要求对海量数据进行大规模并行计算。

射频部分的主要功能是用于接收信号的下变频得到模拟基带信号，以及发射基带信号的上变频得到发射高频信号。射频电路由接收机、发射机、频率合成器等构成。

智能手机作为最为重要的一个移动智能多媒体通信终端，除了用于采集语音和视频信息的拾音器和摄像头外，还集成了大量的其他传感器以实现多媒体信息的采集，其中包括重力感应器、三轴陀螺仪、加速度感应器、距离感应器、指纹传感器、电子罗盘等。

大多数智能手机配有三个惯性传感器：电子罗盘用来确定方向，加速度计用来报告朝某个方向前进的速度，陀螺仪用来确定转向动作。在一个没有无线网络的地方，这些传感器可以在有限时间内（如几分钟）在没有外部数据的情况下仍能确定终端所处的位置。例如，行驶到隧道时，手机知道进入隧道前的位置，它就能够根据速度和方向来判断现在的位置；当GPS丢失掉信号时，电子罗盘通过检测地球的磁场可以更好地保障不会迷失方向。此外，GPS只能判断终端所处的位置，如果只是静止或缓慢移动，GPS无法得知用户面对的方向，智能手机配合电子罗盘则可以很好地弥补这一点。加速度传感器可以监测手机在3D 角度上加速度的大小和方向，因此能够通过加速度传感器来实现自动旋转屏幕，可用于计步和防摔保护。人在走路时身体会上下运动，手机中的加速度传感器能够检测这一动作，传感器输出的信号经过处理后便可确定人走的步数，从而确定运动量。利用加速度传感器还可实现防摔保护，加速度传感器检测自由落体状态，从而对设备实施必要的保护。陀螺仪用来测量偏转和倾斜时的转动角度，可应用于导航和拍照的防抖功能，还可用于各类游戏的动作感应和操控。三轴陀螺仪在射击游戏中可以完全摒弃以前通过方向按键来控制游戏的操控方式，只需通过转动手机即可达到改变方向的目的，使游戏体验更加真实、操作更加灵活。

指纹传感器是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按指纹成像原理和技术分为光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频（RF）传感器等。智能手机中的指纹传感器用以支持开机解锁、身份认证以及安全支付等应用。距离传感器用于检测手机终端与人之间的距离，当用户打电话时手机屏幕会自动熄灭，同时触摸屏无效，能够防止误操作；当屏幕离开人脸时屏幕会自动开启，并自动解锁。距离传感器的原理是红外LED 发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过检测接收到的红外线强度并测量光脉冲从发射到被物体反射回来的时间测定距离。光线传感器是能够根据周围光亮明暗程度来调节屏幕明暗的装置，可以使用光敏三极管作为感光元件，接受外界光线时产生强弱不等的电流从而感知环境光亮度。在光线强的地方手机屏幕会变亮，在光线暗的地方自动将屏幕变暗，达到节电并更好观看屏幕的效果。光线传感器和距离传感器一般是放在一起位于手机正面听筒周围。重力传感器是利用压电效应实现的，通过对力敏感的传感器感受手机在变换姿势时重心的变化。重力传感器可以实现自动转动屏幕，在查看图片和拍照时有良好的用户体验。气压传感器利用高度越高空气越稀薄的原理能够对大气压变化进行检测，应用于手机中则能够实现大气压、当前高度检测以及辅助GPS定位等功能。

智能移动终端的电源系统主要用来解决系统功耗和快速充电问题。智能移动终端更高的性能及其复杂应用也带来了更高的功耗。智能移动终端中的动态电源管理是一种系统级的有效低功耗技术，其降低功耗的策略包括超时策略、预测策略和随机模型策略等。此外，快速有效地为终端充电是移动终端另一项关键技术。

多媒体通信的终端形式

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