基于ＳＯＰＣ技術(shù)的具有碼流監(jiān)測(cè)功能的ＴＳ流復(fù)用器設(shè)計(jì)

摘要：TS流復(fù)用器作為數(shù)字電視系統(tǒng)前端的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其功能、成本、設(shè)計(jì)靈活性方面的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的復(fù)用器設(shè)計(jì)方案已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求，本文介紹一種基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的復(fù)用器設(shè)計(jì)方案，該方案利用軟硬件相結(jié)合的方法將系統(tǒng)集成在一款A(yù)ltera公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)上，不但完成了高效、穩(wěn)定、可移植性強(qiáng)的復(fù)用器設(shè)計(jì)，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)TS流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。

關(guān)鍵詞：SOPC；TS；復(fù)用器；碼流監(jiān)測(cè)

1 引言

TS流復(fù)用器，是將不同來(lái)源如MPEG-2編碼器和TS碼流輸入的多路單節(jié)目TS(SPTS )或多節(jié)目TS(MPTS)數(shù)據(jù)復(fù)接成一路多節(jié)目TS(MPTS)(如圖1所示)。從現(xiàn)在數(shù)字電視前端產(chǎn)品的發(fā)展來(lái)看，我們對(duì)復(fù)用器的要求已經(jīng)不再滿足于單獨(dú)功能的產(chǎn)品了。而且復(fù)用器有時(shí)會(huì)被要求集成在多通道編碼器或者字幕機(jī)之中。這就為我們提出了兩個(gè)要求：(1)它的移植性要好。(2)由于復(fù)用器和它所應(yīng)用的產(chǎn)品在數(shù)字電視廣播中是中間級(jí)設(shè)備，我們希望它最好可以有碼流監(jiān)測(cè)的功能。

眾所周知，專用的碼流分析儀是數(shù)字電視技術(shù)開發(fā)階段，分析和監(jiān)測(cè)TS流的必要手段之一，為了迅速有效地找出故障源，解決問(wèn)題，需要對(duì)碼流進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。在實(shí)際工作中，我們發(fā)現(xiàn)常常有這樣的一種情況，在不方便使用碼流分析儀或者不中斷設(shè)備連接的情況下，希望看到一些TS流的關(guān)鍵信息。同樣，復(fù)用器的使用者也希望不通過(guò)其它的專用設(shè)備，就可以監(jiān)測(cè)到復(fù)用器所處理的節(jié)目流信息，比如PSI信息以及各路節(jié)目的業(yè)務(wù)名稱。另外，在復(fù)用器的設(shè)計(jì)中對(duì)TS流的一部分處理方法和過(guò)程也是碼流分析儀工作時(shí)需要的。這樣我們就可以合理利用資源，將解復(fù)用和再?gòu)?fù)用部分對(duì)TS流的分析結(jié)果應(yīng)用于碼流監(jiān)測(cè)模塊當(dāng)中。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

該復(fù)用器系統(tǒng)基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)思想實(shí)現(xiàn)（如圖2所示）。整個(gè)系統(tǒng)由一塊FPGA、外圍異步串行接口(ASI)芯片（CYP15G0101）、16×2LCD液晶屏及存儲(chǔ)芯片構(gòu)成。本次設(shè)計(jì)采用了Altera的嵌入式NIOSⅡ處理器，整個(gè)系統(tǒng)在FPGA上嵌入了復(fù)用器的硬核邏輯模塊以及用于系統(tǒng)控制的NIOSⅡ處理器。具體對(duì)TS流的分析處理大都由外圍硬核模塊處理，這些模塊全部通過(guò)AVALON總線作為從設(shè)備與NIOSⅡ處理器相關(guān)聯(lián)，NIOSII處理器負(fù)責(zé)TS流解復(fù)用、復(fù)用以及監(jiān)測(cè)模塊的控制(各寄存器的配置等)以及液晶顯示器(LCD)的控制。

具體功能模塊

解復(fù)用器根據(jù)CPU設(shè)置各個(gè)解復(fù)用通道所要輸出的節(jié)目流PID，并輸出相應(yīng)的節(jié)目，而復(fù)用器一方面將單路及多路節(jié)目比特流按照一定的格式重新組織、復(fù)用成單路串行的傳輸流，另一方面它將編碼端的時(shí)鐘信息插入到TS流中，接收端借此恢復(fù)并調(diào)整本地時(shí)鐘，使之與編碼端保持嚴(yán)格的同步關(guān)系，保證音頻／視頻的同步恢復(fù)。碼流監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，我們并不要求它完全達(dá)到碼流分析儀的功能，本次設(shè)計(jì)只需要實(shí)現(xiàn)我們平時(shí)比較關(guān)心的TS流信息處理：

（1）監(jiān)測(cè)傳輸碼流同步丟失（造成傳輸中斷）；

（2）分析PSI信息（解出節(jié)目圖像的關(guān)鍵依據(jù)）；

（3）打印出TS流的節(jié)目表（確定各路節(jié)目的業(yè)務(wù)名稱）。

2.1 解復(fù)用器包括以下模塊

（1）188-204識(shí)別模塊：對(duì)輸入的MPTS和SPTS進(jìn)行包長(zhǎng)確認(rèn)與同步鎖定。

（2）碼率統(tǒng)計(jì)模塊：對(duì)輸入的節(jié)目流進(jìn)行有效和非法PID識(shí)別與統(tǒng)計(jì)。

（3）8通道解復(fù)用子模塊：軟件編程對(duì)輸入的節(jié)目流進(jìn)行PID比較與選通輸出。

（4）PID過(guò)濾模塊：CPU向模塊內(nèi)部分布并行寄存器設(shè)定所要過(guò)濾掉數(shù)據(jù)流的PID值，在輸出部分進(jìn)行相應(yīng)的PID過(guò)濾。

（5）PID替換模塊：CPU向模塊內(nèi)部RAM設(shè)定所要替換的PID值，在輸出部分進(jìn)行相應(yīng)的PID替換。

2.2 復(fù)用器包括以下模塊

（1）8通道復(fù)用模塊：對(duì)8個(gè)通道進(jìn)行仲裁讀取整包數(shù)據(jù)，復(fù)用輸出后的數(shù)據(jù)保持恒定的碼率。

（2）復(fù)用接口模塊：8通道復(fù)用模塊進(jìn)行復(fù)用前，各通道數(shù)據(jù)需要進(jìn)行緩存并通過(guò)申請(qǐng)應(yīng)答機(jī)制寫入16通道復(fù)用模塊復(fù)用輸出，復(fù)用接口模塊作用為連接TS數(shù)據(jù)流與復(fù)用模塊之間的接口。

（3）PSI信息插入模塊：在復(fù)用TS流中定時(shí)插入PSI信息。

（4） DCM-CC插入模塊：由CPU通過(guò)AVALON總線模塊發(fā)送DSM_CC數(shù)據(jù)在復(fù)用子模式中緩存后通過(guò)8通道復(fù)用模塊復(fù)用輸出。

（5）PCR、PTS、DTS調(diào)整模塊：兩種調(diào)整模式，一種采用本地27MHz時(shí)鐘重新生成PCR，用原PCR值與之對(duì)比并用兩者相應(yīng)差值修正PTS與DTS的值，另一種為在復(fù)用器入口處提取PCR值并開始計(jì)數(shù)，計(jì)算其在復(fù)用輸出后的計(jì)數(shù)值并相應(yīng)修改PCR。在復(fù)用器的數(shù)據(jù)傳送流輸入端檢測(cè)PCR域并記錄PCR域初值，然后在復(fù)用器的數(shù)據(jù)傳送流輸出端檢測(cè)PCR域并將經(jīng)過(guò)補(bǔ)償計(jì)數(shù)后的PCR的新值裝載進(jìn)PCR域。

2.3 碼流監(jiān)測(cè)模塊

（1）監(jiān)測(cè)傳輸碼流同步丟失

TS流中的一包，是以0x47這樣的字節(jié)為同步頭的長(zhǎng)為188字節(jié)的一段數(shù)據(jù)。要找到包同步頭Sync_byte（0x47），需要檢測(cè)輸入的TS流的每一個(gè)字節(jié)，尋找其中匹配的值（0x47）。由于0x47并不是一個(gè)被同步頭所獨(dú)占的值，在包的其他位置也可能出現(xiàn)這個(gè)值，為了準(zhǔn)確無(wú)誤地檢測(cè)到同步頭，在找到0x47之后，還要檢測(cè)該字節(jié)后第188字節(jié)是否也為0x47。我們暫且認(rèn)為如果能夠連續(xù)5次在間隔187個(gè)字節(jié)后找到字節(jié)0x47，則找到同步;否則，則要繼續(xù)逐字節(jié)尋找。

之后，為了始終能同步TS流，每隔187個(gè)字節(jié)檢查一次同步頭，如果3次未能找到，則認(rèn)為此時(shí)發(fā)生了同步頭丟失的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤標(biāo)志位置1。于此同時(shí)，重新逐字節(jié)尋找同步頭。這一功能的實(shí)現(xiàn)是利用解復(fù)用模塊中的188—204識(shí)別模塊來(lái)完成的，CPU通過(guò)讀取錯(cuò)誤標(biāo)志位的值來(lái)判定是否顯示同步丟失錯(cuò)誤。

（2）分析PSI信息

在一路復(fù)用TS流中可以有很多包含多個(gè)不同節(jié)目的原流。為了確定哪個(gè)原流屬于哪個(gè)節(jié)目，解碼器要通過(guò)TS中包含的附加信息來(lái)識(shí)別。這樣的信息就是節(jié)目專用信息(PSI：Program Special Information)表。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，該模塊的作用就是通過(guò)分析PSI信息中的各包的PID值，來(lái)找到PAT和PMT列表，并把它們的相關(guān)信息打印出來(lái)。

由于在解復(fù)用模塊中已經(jīng)能夠識(shí)別節(jié)目流的PID，在這里我們通過(guò)識(shí)別出來(lái)的PID來(lái)找到相應(yīng)的PAT和PMT等信息。PAT的PID恒等于0X0000H，通過(guò)查找該值找到PAT包。之后在PAT列表中的節(jié)目信息中查找到各路節(jié)目的program_number 和PMT_PID，通過(guò)這兩個(gè)值我們就可以確定各路節(jié)目的業(yè)務(wù)名稱。

（3）打印出TS流的節(jié)目表

這一步利用軟件來(lái)完成。自己定義LCD.h的頭文件，里面定義了LCD液晶的初始化lcd_init()以及向LCD發(fā)送字符的寫函數(shù)lcd_write_data()等。CPU可以將識(shí)別的PSI信息發(fā)送到LCD顯示。

3 結(jié)束語(yǔ)

用該方案實(shí)現(xiàn)的復(fù)用器系統(tǒng)不單具有TS碼流監(jiān)測(cè)的功能，而且是一個(gè)典型的SOPC系統(tǒng)，它由FPGA內(nèi)嵌的NIOSII處理器代替了傳統(tǒng)的外部獨(dú)立MCU。這樣可以大大提高系統(tǒng)的可移植性及設(shè)計(jì)靈活性。由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要功能，又是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、擴(kuò)充和升級(jí)，并具有軟硬件在系統(tǒng)中可編程功能。

也就是說(shuō)我們能夠利用最小面積的電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)源流或者整個(gè)設(shè)備最終輸出TS流是否有錯(cuò)誤的初步判斷，同時(shí)也能排查設(shè)備中其它器件和電路對(duì)TS流傳輸?shù)母蓴_。

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參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李穎宏，女，工學(xué)碩士，現(xiàn)任北方工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)教授，主要從事自控理論及系統(tǒng)的教學(xué)及自動(dòng)控制裝置的研發(fā)。