基于FPGA和處理器實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)適配器的應(yīng)用方案

作者：熊偉，王軍，彭克武，潘長(zhǎng)勇

1 引言

作為地面數(shù)字電視的組網(wǎng)方式之一，單頻網(wǎng)（SingleFrequendy Network，SFN）具有節(jié)省頻率資源和能實(shí)現(xiàn)大范圍無(wú)線覆蓋的特點(diǎn)，在世界各地得到廣泛應(yīng)用。組建單頻網(wǎng)要解決的一個(gè)難題是發(fā)射機(jī)的同步問題，為此單頻網(wǎng)引入了GPS接收機(jī)和單頻網(wǎng)適配器來實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的同步。

2006年8月具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DTMB標(biāo)準(zhǔn)正式確定為中國(guó)地面數(shù)字廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中，系統(tǒng)的信號(hào)幀與絕對(duì)時(shí)間同步，與DVB-T等標(biāo)準(zhǔn)相比，實(shí)現(xiàn)單頻網(wǎng)更具優(yōu)勢(shì)。

2 單頻網(wǎng)適配器總體實(shí)現(xiàn)方案

單頻網(wǎng)主要有中心發(fā)射站的單頻網(wǎng)適配器、GPS接收機(jī)、中轉(zhuǎn)站的同步系統(tǒng)以及支持單頻網(wǎng)模式的調(diào)制器組成。在中心發(fā)射站，單頻網(wǎng)適配器每隔一個(gè)兆幀就往MPEG-2碼流中插入一個(gè)MIP包（Mega-frame. Initial-ization Packet）。MIP包中攜帶有傳輸參數(shù)信令（TPS）、同步時(shí)間標(biāo)簽（STS）和最大延遲等重要參數(shù)。經(jīng)單頻網(wǎng)適配器處理的碼流通過初級(jí)分布網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街修D(zhuǎn)站后，中轉(zhuǎn)站的同步系統(tǒng)從MIP中提取出TPS等重要信息后調(diào)整本地發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)間和頻率，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步。

DTMB的單頻網(wǎng)適配器主要由FPGA實(shí)現(xiàn)的核心功能模塊和基于Nios II軟核CPU實(shí)現(xiàn)的控制模塊組成，如圖1所示。核心功能模塊即適配器模塊，主要實(shí)現(xiàn)MIP包計(jì)算和插入，可編程參考時(shí)鐘（PCR）校正，傳輸流速率適配以及DS3輸出接口的適配；控制模塊主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互部分如鍵盤和LCD的控制以及適配器模塊工作方式的控制。

圖1中，F(xiàn)LASH，SRAM和SDRAM用來存儲(chǔ)FPGA的配置信息和系統(tǒng)控制程序，DDS模塊用來產(chǎn)生輸出碼流所需時(shí)鐘。通過鍵盤和LCD接口，用戶可設(shè)置系統(tǒng)的工作模式，了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。2路ASI碼流經(jīng)過專門的接口芯片后輸入到 FPGA，適配器模塊根據(jù)用戶的設(shè)置在碼流中插入相應(yīng)的MIP包，最終輸出為2路ASI接口的碼流，一路光纖接口的碼流，一路DS3接口的碼流。

適配器模塊作為自定義組件通過Avalon總線掛接在Nios II系統(tǒng)中，它與Nios II的接口如圖2所示。

Nios II通過設(shè)置適配器模塊（技術(shù)指標(biāo)見表1）內(nèi)的控制寄存器來控制適配器模塊，通過讀其內(nèi)部的狀態(tài)寄存器了解工作狀態(tài)，或通過中斷信號(hào)產(chǎn)生報(bào)警信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

適配器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于自定義組件適配器模塊的實(shí)現(xiàn)，具體包括硬件邏輯的實(shí)現(xiàn)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫，下面主要討論難度較大的硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。

1） 適配器模塊的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)框圖見圖3，輸入的MPEG-2 TS流先要同步，找到TS流的包頭，去掉空包后輸入FIFO。包復(fù)用模塊按照時(shí)鐘產(chǎn)生模塊輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)插入MIP包。當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)不足時(shí)，則插入空包模塊產(chǎn)生的空包。由于碼流重組和速率適配，導(dǎo)致各包在適配器中停留時(shí)間不一致，因此要進(jìn)行PCR校正。本文PCR校正采用置入法，即在輸入碼流中檢測(cè)到 PCR包后，將包中的PCR值減去系統(tǒng)27MHz時(shí)鐘當(dāng)前的計(jì)數(shù)值；當(dāng)輸出緩存中檢測(cè)到PCR包后，將包中已改過的PCR值加上系統(tǒng)27 MHz時(shí)鐘當(dāng)前的計(jì)數(shù)值，這樣，用一套計(jì)數(shù)器就可完成PCR校正和更新。

2） MIP包的計(jì)算和插入

如圖4所示，根據(jù)GPS接收機(jī)收到的10 MHz和1 pulse／s信號(hào)算出STS值，同時(shí)根據(jù)Nios II的控制信息產(chǎn)生TPS和最大延時(shí)參數(shù)，再生成32位的CRC校驗(yàn)值并復(fù)合成MIP包。其中，CRC32用的校驗(yàn)多項(xiàng)式為D32+D26+D23+ D22+D16+D12+D11+D10+D8+D7+D5+D4+D2+D+1。由于CRC32校驗(yàn)碼的實(shí)時(shí)性要求較高，因而采用并行算法--查表法。 DTMB系統(tǒng)兆幀的持續(xù)時(shí)間正好為1 s，MIP中的STS值在理論上應(yīng)不變，因此第M個(gè)MIP包中的STS可表示為第M個(gè)兆幀實(shí)際開始的時(shí)刻與其前面最近的1 pulse／s信號(hào)的時(shí)間間隔。同時(shí)，由于STS的值用GPS的10 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)，精度為100 ns。

3） DS3成幀模塊

為使中轉(zhuǎn)站通過SDH網(wǎng)絡(luò)接收碼流，DTMB單頻網(wǎng)適配器增加了DS3輸出接口。DS3是由復(fù)幀構(gòu)成的，一個(gè)復(fù)幀分為7個(gè)子幀，1個(gè)子幀分成8塊具有85 bit的比特塊，每塊的第一個(gè)比特是開銷比特，其他84 bit用于傳送凈荷。所以一個(gè)復(fù)幀有56個(gè)開銷比特。包復(fù)用模塊產(chǎn)生的碼流是MPEG-2的TS流，因此需要一個(gè)DS3成幀模塊以實(shí)現(xiàn)到SDH網(wǎng)絡(luò)的適配。DS3成幀模塊的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。在一個(gè)復(fù)幀的開銷比特中，除奇偶校驗(yàn)比特外，其他開銷比特在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中一般都是固定的，所以單獨(dú)計(jì)算奇偶校驗(yàn)比特。復(fù)幀內(nèi)的各比特塊以及各比特的確定主要靠2個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)用來指示比特塊，范圍是0～55，一個(gè)用來指示比特塊內(nèi)的每個(gè)比特，范圍是 0～84。通過這2個(gè)計(jì)數(shù)器可在適當(dāng)位置插入開銷比特和凈荷數(shù)據(jù)，從而完成到SDH網(wǎng)絡(luò)的適配。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要完成人機(jī)交互程序，從按鍵式控制面板中獲得用戶提供的參數(shù)并提交給適配器模塊，同時(shí)控制LCD來提供系統(tǒng)的反饋信息和報(bào)警信息。系統(tǒng)控制部分的流程如圖6所示。

4 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

利用碼流發(fā)生器、DTMB調(diào)制器、數(shù)字機(jī)頂盒、電視機(jī)搭建了一套測(cè)試系統(tǒng)。碼流發(fā)生器產(chǎn)生的碼流首先輸入單頻網(wǎng)適配器，對(duì)輸入碼流進(jìn)行MIP包插入等處理再送到DTMB調(diào)制器，輸出到接收機(jī)頂盒進(jìn)行解調(diào)譯碼。測(cè)試結(jié)果表明，調(diào)制器能正確檢測(cè)出單頻網(wǎng)適配器插入的MIP包，能根據(jù)MIP包內(nèi)容調(diào)整工作模式，如FEC碼率、保護(hù)間隔和調(diào)制方式等。對(duì)DTMB的33種傳輸速率都進(jìn)行了測(cè)試，表明單頻網(wǎng)適配器支持全部傳輸速率，調(diào)制器能識(shí)別所有工作模式。同時(shí)，機(jī)頂盒能正常接收解調(diào)并輸出視頻圖像，未見停滯、馬賽克等現(xiàn)象。對(duì)單頻網(wǎng)適配器輸出端碼流的PCR 特性進(jìn)行測(cè)試，表明碼流重組和PCR校正正確，完全滿足MPEG-2的接口規(guī)范。

本文介紹了一種基于Nios II的DTMB單頻網(wǎng)適配器的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了MIP包插入、傳輸速率適配和PCR校正等核心功能，支持DTMB標(biāo)準(zhǔn)的全部33種凈荷速率，對(duì)內(nèi)部算法擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留一個(gè)以太網(wǎng)接口，以方便用戶通過以太網(wǎng)口控制單頻網(wǎng)適配器的工作模式。

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