数字相机调制解调器的最佳体系结构

    引 言

随着数字静态相机（(Digital Still Camera, DSC）的迅速普及，通信功能正在成为该产品非常重要的特性，配置模拟调制解调器已成为DSC相机的通用通信手段。模拟调制解调器可用于以电子邮件附件形式传递一个或成组图象，将图象上载到基于网络的图象服务器，将图象传输至打印机，或者将成组图象下载到DSC相机的LCD屏上观看，也可通过NTSC/PAL输出端将DSC相机的输出传送到电视机屏幕上。

目前，DSC相机模拟调制解调器通信的结构有两种。一种是FotoNation公司的分立式因特网用器件（IIA）；另一种是松下PalmCam PV-DC2590相机采用的双CF插槽。

本文旨在探讨在DSC相机上集成模拟调制解调器功能的更佳体系结构。

调制解调器体系结构

传统的调制解调器结构依靠一个微控制器、一个数字信号处理器（DSP）和一个编解码器接口执行完整的调制解调器功能。微控制器的典型作用是处理操作系统接口及AT指令分析，执行数据压缩和纠错，并接通DSP。DSP根据不同的ITU标准调制和解调所有的信息。调制和解调对DSP的计算要求是非对称的；解调过程占用绝大部分处理能力，因为算法需根据输入的采样流作出复杂的决定，来抽取实际数据。编解码器在不同取样速率下执行A/D和D/A转换功能。编解码器也典型地集成了专用于扬声器应用程序的A/D和D/A功能。这就是典型的以控制器为基础的体系结构。

最近已出现分割式结构，即在DSC相机的RISC微处理器上运行微控制器功能，而让DSP和编解码器保持原先的功能。这种功能分割的优点是可消除微控制器所需的RAM 和ROM，而且微控制器代码可在DSC相机的RISC微处理器上运行而又不致给后者带来过重负荷。由于DSP仍然用于执行全部处理密集型任务，因此该解决方案成为最佳的均衡处理方式。这种被称为“无控制器”的体系结构获得科胜讯调制解调器的支持。

另一个变通方法是将DSP功能迁移到DSC相机的芯片组，可以由RISC CPU承担此功能，也可由嵌入式图像处理DSP来执行。在采用前一种方式时，RISC CPU负荷加重，因为需要同时执行计算密集型任务及处理DSC相机的多种任务环境。这时仍然保留编解码器，不过还需要一个连接编解码器的接口芯片。尽管从理论上说这种架构具有降低成本的优越性，但是实际上，这种“软件调制解调器”架构并不能达到预期效果。

将调制解调器DSP代码转移到处理图象的DSP上运行会造成另外一系列问题，主要是因为调制解调器与图象要求执行的信号处理任务具有正交性。处理图象的DSP典型结构不适合处理调制解调器位流信号，或者说处理效果不佳。

   下表概要列出不同调制解调器体系结构的利弊

DSC相机的RISC微处理器

目前市场上的DSC相机微处理器工作时钟速率在60至80 MHz 之间，因为这些都是基于RISC的微处理器，假如每个时钟周期的流通量为一个指令，因此通常的速度为60-80 MIP。其中有些微处理器具有乘法累加（MAC）指令的DSP辅助功能，这对于筛选或换算等数字信号处理算法具有决定性意义。在一些处理器上，MAC指令可在一个时钟周期内执行，而另一些处理器则需要多至5个周期。无法单周期执行MAC指令的处理器不宜用于软件调制解调器，因为这要加重DSP的处理负荷。而目前市场上供应的大多数DSC相机都采用不能执行单周期MAC指令功能的微处理器。表2是目前普遍采用的DSC相机的结构元件。

只有在微处理器处于满负荷的情况下才能实现60-80 MIP速率。为此，微处理器集成了单芯片缓存器。不过，这些缓存器通常为定制产品，而且容量仅为4kB。根据实施情况，缓存器的遗漏率在15-30%之间。在发生遗漏时，从主存贮器中提取数据或指令的代价颇为昂贵，这就会降低微处理器履行密集型DSP处理的效率。

采用速度更快的微处理器或者容量更大的缓存器，可减轻某些问题的严重程度；然而这样做就失去了采用软件调制解调器降低成本和功耗的初衷。采用时钟速率更快的微处理器的一项隐性开支是还需要采用速度更快的存贮器，才能提高性能。

微处理器的另一个关键参数是中断等待时间。在软件调制解调器实时工作期间，来自编解码器的数据样本被不断接收，并由微处理器负责提取和存储样本进行处理。在数据速率为56kbps时，每125微秒就会出现一个样本。有些DSC相机的RTOS在最不利情况下的中断服务线索 （IST）的启动时间达500微秒。这意味着需要某种形式的FIFO缓冲，并需配备一个与编解码器相连接的特殊ASIC接口，这      就增加了整个解决方案的成本。之所以需要这样一个ASIC接口，是因为许多微处理器无法与调制解调器编解码器直接相连接。

软件编解码器的大小也很重要，因为软件调制解调器的代码需要与操作系统一起掩膜到ROM中。无控制器代码较小，而全功能的软件调制解调器的代码却相当大。

软件调制解调器解决方案的成熟性是一个更为复杂的问题。软件调制解调器解决方案通常由一些起步公司开发，这些公司缺少现场测试经验，对知识产权问题也知之甚少。采用软件调制解调器还涉及为数不小的开发费用，而开发和调试所花费的时间也会影响上市速度。目前的嵌入式软件调制解调器也不能提供56 kbps的数据速率，达不到用户所要求的关键指标。还有一项关键因素就是对最终用户的技术支持，DSC相机制造商如果没有成熟的体系结构，就无法提供这种技术支持。

均衡解决方案

如前所述，由于软件调制解调器存在着诸多不确定因素，而基于控制器的调制解调器的成本和功耗又过高，因此，无控制器式解决方案就成为最理想的均衡解决方案。科胜讯的智能调制解调器数据泵(MDP)在一个100-pin PQFP封装中集成了一个经优化处理的高效DSP。智能MDP提供可与微处理器存储器总线相连接的准无缝接口。唯一需要的其他外接部件就是一个晶体和一个外接科胜讯智能数据接入件(Conexant SmartDAA)。图2

由于智能MDP的高度集成化，该接决方案的成本与软件调制解调器方案相比具有很大优势，连接性能也十分强大。由于调制解调器让微处理器摆脱了其他负荷，因而可集中完成DSP的密集型任务，因此在该微处理器上运行的控制代码很小，可轻易地集成于系统的ROM内。运行在微处理器上的控制代码包括一个RTOS API层、AT命令集分析、V.42/MNP4纠错程序、V.42bis/MNP5数据压缩程序、可选的１级传真控制和调制解调器驱动程序等元件组成。 

结论

无控制器式调制解调器虽然少量增加了成本，但是可提供无风险的成熟方案，在今后一段时间内，它将是DSC相机模拟调制解调器设计的最佳选择这一。