TS流解復(fù)用的SoC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

云桂桂，楊秀芝

(福州大學(xué)，福建 福州350002)

責(zé)任編輯:薛 京

在數(shù)字化、信息化的21世紀(jì)，電視的數(shù)字化改革也進(jìn)入全盛時(shí)期，數(shù)字電視系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)及功能模塊都是熱門研究的對(duì)象。本文研究的解復(fù)用主要完成碼流系統(tǒng)層的解析，從碼流中抽取出指定節(jié)目的音視頻流及ECM/EMM流[1-3]。它是后續(xù)解碼的基礎(chǔ)，并為解碼提供必要的參數(shù)和信息。因此，解復(fù)用是數(shù)字電視接收系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

1 解復(fù)用實(shí)現(xiàn)方案

在目前主流的實(shí)現(xiàn)方案中，解復(fù)用有以下3種實(shí)現(xiàn)方式:

1)純硬件的設(shè)計(jì)，由FPGA等硬件電路來完成數(shù)字電視信號(hào)的分析與處理等。采用這種方案可以達(dá)到最快的處理速度，但靈活性較低，每次增加功能或更新標(biāo)準(zhǔn)都必須修改硬件電路。

2)純軟件的設(shè)計(jì)，由DSP、ARM等微處理器集成嵌入式操作系統(tǒng)。此方案具有最高的靈活性，但對(duì)于實(shí)時(shí)處理碼流顯得力不從心。

3)軟硬結(jié)合的SoC設(shè)計(jì)，用硬件來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理。SoC內(nèi)部集成的微處理器來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路的控制及碼流的分析。既滿足實(shí)時(shí)的要求，又具有較高的靈活性。

基于以上3種方案的比較，本文采用軟硬結(jié)合的SoC設(shè)計(jì)。由FPGA實(shí)現(xiàn)硬件部分的功能模塊，根據(jù)Nios設(shè)定的參數(shù)，對(duì)碼流進(jìn)行過濾、匹配及提取，最后將濾出的數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)的緩存中。NiosII軟核則作為系統(tǒng)的微處理器，用來實(shí)現(xiàn)軟件部分的設(shè)計(jì)。根據(jù)解復(fù)用要求設(shè)定過濾、匹配參數(shù)，并對(duì)硬件濾出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而完成整個(gè)解復(fù)用過程。

2 FPGA硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路首先對(duì)輸入的ASI信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并檢測(cè)TS包的同步字節(jié)[4]。本設(shè)計(jì)中采用Altera公司提供的IP核來實(shí)現(xiàn)ASI的接收，在此不再詳細(xì)描述。然后根據(jù)Nios設(shè)定的TS過濾參數(shù)和分段匹配參數(shù)，從碼流中過濾出所需的PSI/SI分段數(shù)據(jù)、音視頻的TS包及ECM/EMM的TS包，完成對(duì)傳輸流中節(jié)目的分離，過濾出用戶指定的某套節(jié)目相關(guān)的所有信息。所設(shè)計(jì)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 TS包過濾

采用參數(shù)匹配法實(shí)現(xiàn)TS包的過濾，當(dāng)需要過濾不同的數(shù)據(jù)時(shí)，只需修改對(duì)應(yīng)的過濾參數(shù)，而不用修改過濾模塊的硬件電路。根據(jù)TS包的數(shù)據(jù)格式，TS包頭的PID值是TS包的標(biāo)識(shí)，通過比對(duì)PID值便可識(shí)別所需的TS包。本設(shè)計(jì)中預(yù)設(shè)的TS包過濾參數(shù)如下:

1)pid_table_en:32位分別對(duì)應(yīng)32個(gè)PID表項(xiàng)，用來指示PID表項(xiàng)中哪些PID有效，為“1”說明對(duì)應(yīng)位置的PID值有效。

2)pid_table:32個(gè)16位的PID碼表，每個(gè)碼表對(duì)應(yīng)一個(gè)PID通道。碼表中每個(gè)值的低3位指示具有該P(yáng)ID值的TS包類型，類型值如表1所示;高13位為設(shè)置的PID值。

根據(jù)表1描述的類型分別處理，其中PSI/SI信息經(jīng)過分段匹配及數(shù)據(jù)提取后，將有效分段數(shù)據(jù)送入PSI/SI緩存區(qū)，其他TS包直接送入各自的緩存區(qū)。

3)pid_filter_en:32個(gè)32位寄存器，指示每個(gè)PID通道連接的分段過濾器。

TS過濾的實(shí)現(xiàn)過程如下:首先將當(dāng)前TS包的PID字段與pid_table中的各個(gè)PID值進(jìn)行匹配，若匹配成功，且pid_table_en中對(duì)應(yīng)位置的值為“1”，說明當(dāng)前TS包是所需要的包，否則丟棄。然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的pid_table的低3位判斷擁有該P(yáng)ID值的TS包類型，對(duì)各類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。同時(shí)為下級(jí)模塊提供當(dāng)前TS包的負(fù)載情況、加擾情況以及該P(yáng)ID值在碼表中的位置等信息。

2.2 Section分段匹配

根據(jù)預(yù)先配置的分段匹配參數(shù)對(duì)PSI/SI分段首部8個(gè)字節(jié)進(jìn)行匹配，分段首部包含了充分的標(biāo)識(shí)信息，因此可以取得很好的匹配效果[3]。分段匹配模塊的主要功能是由過濾深度為8 byte的過濾器完成的。每個(gè)過濾器有3組參數(shù):

1)sec_pattern:8個(gè)匹配字節(jié)數(shù)據(jù)，作為匹配標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

2)sec_mask:8個(gè)8位匹配掩碼，1:表示該位需要匹配;0:表示不需匹配。根據(jù)TS碼流的語法規(guī)則，有些字段對(duì)識(shí)別分段沒有意義，有些字段包含了保留位。無意義的字段和保留位不需要匹配，可將對(duì)應(yīng)的掩碼位置0。

3)sec_mode:8個(gè)8位匹配方式，1:表示不匹配模式;0:表示匹配模式。匹配模式是當(dāng)待匹配字節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)數(shù)據(jù)相同時(shí)，匹配成功。

過濾器以字節(jié)為單位，依次將分段首部的8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)與匹配字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)合匹配掩碼和匹配方式，可以對(duì)PSI/SI表中任何一個(gè)表的任意一個(gè)分段進(jìn)行匹配過濾。采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)該功能，過濾器首先處于初始等待狀態(tài)，當(dāng)分段首部字節(jié)有效時(shí)，進(jìn)入匹配狀態(tài)。每個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)字節(jié)的匹配，若當(dāng)前字節(jié)匹配成功，繼續(xù)處理下一個(gè)字節(jié)，否則轉(zhuǎn)到失敗狀態(tài)直到當(dāng)前的分段首部數(shù)據(jù)結(jié)束，返回等待狀態(tài)。只有8個(gè)字節(jié)全部匹配成功才輸出成功信號(hào)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖2 過濾器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

分段匹配模塊則由32個(gè)上述的過濾器組成。每個(gè)通道可以連接多個(gè)過濾器，即每個(gè)通道的分段數(shù)據(jù)允許同時(shí)與多個(gè)目標(biāo)分段進(jìn)行匹配，只要通過其中一個(gè)過濾器即可。分段匹配模塊根據(jù)需匹配的分段數(shù)啟動(dòng)其中一個(gè)或多個(gè)過濾器，每個(gè)過濾器匹配其中一個(gè)分段。最終的匹配結(jié)果是被啟動(dòng)的過濾器輸出結(jié)果的“或”。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分段匹配模塊結(jié)構(gòu)

2.3 PSI/SI數(shù)據(jù)提取

PSI/SI數(shù)據(jù)提取首先要判斷當(dāng)前TS包是否包含所需的PSI/SI分段數(shù)據(jù)，包含兩種情況:一是匹配成功，還需判斷該分段是否已經(jīng)被收集過，如果沒被收集過則從FIFO中讀取TS包，否則丟棄;二是沒有匹配成功，那么還需進(jìn)一步判斷，如果該包是PSI/SI分段有效數(shù)據(jù)的中間包并且攜帶該分段首部的TS包已被收集，則從FIFO中讀取該TS包。然后根據(jù)PSI/SI的語法結(jié)構(gòu)，從讀取的TS包中提取出有效的PSI/SI負(fù)載數(shù)據(jù)。

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

利用SOPC builder工具可以參數(shù)化地定制NiosII處理器及其外圍接口[4-5]，并為各個(gè)外設(shè)分配地址和中斷號(hào)建立自己的Nios系統(tǒng)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需求，定制了一個(gè)包括CPU、SDRAM、Flash、JTAG和TIMER的最小Nios系統(tǒng)。另外通過PIO內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與FPGA內(nèi)部邏輯的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞。

通過在Nios軟核處理器上集成uCOS嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件部分的功能，一是對(duì)實(shí)現(xiàn)解復(fù)用所需參數(shù)的配置;二是對(duì)碼流PSI/SI信息的過濾分析。

3.1 參數(shù)配置

在前面小節(jié)中各個(gè)模塊相關(guān)的參數(shù)已經(jīng)做了介紹。下面以某個(gè)PMT表的過濾來說明參數(shù)的具體設(shè)置，假設(shè)該P(yáng)MT表的值存在PID碼表的第7個(gè)位置上。

pid_table_en:0x00000080//第7個(gè)位置上的PID值有效。

pid_table[7]:PMT_PID＜＜3|0x00//高13位是該P(yáng)MT的PID值，低3位是000。

pid_filter_en[7]:0x00000003//啟動(dòng)第0和第1個(gè)分段匹配器。

section_filter_mode[0][8]/section_filter_mode[1][8]//8個(gè)字節(jié)均為0x00，采用匹配模式。

section_filter_mask[0][8]/section_filter_mask[1][8]//第0、3、4、6個(gè)字節(jié)為0xff，其他為0x00。即只匹配table_id(0)、program_number(3，4)、section_number(6)字段。

section_filter_pattern[0][8]:0x02，0x00，0x00//節(jié)目號(hào)高8字節(jié)，節(jié)目號(hào)低8字節(jié)，0x00，0x00(分段0)，0x00。

section_filter_pattern[1][8]:0x02，0x00，0x00//節(jié)目號(hào)高8字節(jié)，節(jié)目號(hào)低8字節(jié)，0x00，0x01(分段1)，0x00。

3.2 PSI/SI信息的過濾分析

根據(jù)數(shù)據(jù)過濾流程和特點(diǎn)，將PSI/SI信息的過濾分析分成3個(gè)子模塊:PSI/SI管理(PSI/SI_Manager)、PSI/SI分析(PSI/SI_Parser)、PSI/SI濾波(PSI/SI_filter)。

1)PSI/SI_Manager負(fù)責(zé)統(tǒng)籌調(diào)用過濾模塊或分析模塊來完成相應(yīng)的功能。

2)PSI/SI_Filter負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的PSI/SI濾波通道資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，記錄每個(gè)濾波通道的狀態(tài)和濾波參數(shù)，完成對(duì)指定PSI/SI的過濾功能。

3)PSI/SI_Parser根據(jù)PSI/SI語法規(guī)則對(duì)過濾出來的各種PSI/SI表進(jìn)行解析，并將解析的信息填充到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，供其他模塊使用。

4 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試

本設(shè)計(jì)中，作者添加了紅外遙控接口以便測(cè)試。用戶可以通過遙控來進(jìn)行選擇操作。解復(fù)用工作過程如下:首先初始化完成后，用戶確認(rèn)搜索，由Nios設(shè)定PAT過濾參數(shù)，F(xiàn)PGA硬件模塊過濾出碼流中負(fù)載完整PAT表的分段，并將PAT分段數(shù)據(jù)分配到PSI/SI緩存區(qū)中，并在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后通知Nios。Nios對(duì)PAT表進(jìn)行分析，提取碼流中的節(jié)目信息，并將PMT、CAT及SI表的分段信息置入過濾參數(shù)中，由硬件模塊過濾出碼流中所有的PMT、CAT和SI表的分段，分別分配到各自緩存區(qū)中。最后根據(jù)用戶的節(jié)目選擇情況，Nios分析該節(jié)目相關(guān)的PSI/SI，確定待解復(fù)用節(jié)目的全部PID值。將該套節(jié)目的音視頻和ECM/EMM的包信息置入過濾參數(shù)中，過濾出該節(jié)目的視音頻包和ECM/EMM包，如圖4所示。

圖4 解復(fù)用過程(截圖)

最后將解復(fù)用輸出的音視頻流、PCR信息及ECM/EMM流通過ASI接口發(fā)送，并接入到碼流分析儀進(jìn)行分析和錄制。圖5顯示的是輸出的音視頻流的帶寬信息及播放效果。

輸出碼流中包含2路PID信息，分別是所選節(jié)目的音視頻PID。利用碼流分析儀將解復(fù)用出的音視頻流進(jìn)行錄制，通過播放器可以播放出所選的節(jié)目畫面，說明系統(tǒng)正確地解復(fù)用出所選節(jié)目的音視頻流。

5 小結(jié)

圖5 解復(fù)用輸出的音視頻流帶寬信息及播放效果

解復(fù)用是數(shù)字電視接收系統(tǒng)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是后續(xù)解碼的基礎(chǔ)。本文采用SoC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)TS流的解復(fù)用，利用FPGA實(shí)現(xiàn)碼流的過濾與匹配，可以很好地滿足實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)通過Nios嵌入uCOS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定以及PSI/SI的分析，當(dāng)需不同的數(shù)據(jù)或更新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，只需修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)及分析程序，而不必修改硬件電路，使系統(tǒng)達(dá)到較高的靈活性。

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[4]云桂桂，楊秀芝，吳林煌.數(shù)字電視傳輸流中PSI信息的分析與錯(cuò)誤檢測(cè)[J].電視技術(shù)，2011，35(6):82-84.

[5]Altera corp.Nios II Software Developer's Handbook[EB/OL].[2013-02-10].http://wenku.baidu.com/view/53b55fc1d5bbfd0a79567373.html.