作者:熊偉,王軍,彭克武,潘長勇
1 引言
作為地面數字電視的組網方式之一,單頻網(SingleFrequendy Network,SFN)具有節省頻率資源和能實現大范圍無線覆蓋的特點,在世界各地得到廣泛應用。組建單頻網要解決的一個難題是發射機的同步問題,為此單頻網引入了GPS接收機和單頻網適配器來實現全網的同步。
2006年8月具有自主知識產權的DTMB標準正式確定為中國地面數字廣播傳輸標準,該標準中,系統的信號幀與絕對時間同步,與DVB-T等標準相比,實現單頻網更具優勢。
2 單頻網適配器總體實現方案
單頻網主要有中心發射站的單頻網適配器、GPS接收機、中轉站的同步系統以及支持單頻網模式的調制器組成。在中心發射站,單頻網適配器每隔一個兆幀就往MPEG-2碼流中插入一個MIP包(Mega-frame. Initial-ization Packet)。MIP包中攜帶有傳輸參數信令(TPS)、同步時間標簽(STS)和最大延遲等重要參數。經單頻網適配器處理的碼流通過初級分布網絡傳輸到中轉站后,中轉站的同步系統從MIP中提取出TPS等重要信息后調整本地發射機的發射時間和頻率,從而實現網絡同步。
DTMB的單頻網適配器主要由FPGA實現的核心功能模塊和基于Nios II軟核CPU實現的控制模塊組成,如圖1所示。核心功能模塊即適配器模塊,主要實現MIP包計算和插入,可編程參考時鐘(PCR)校正,傳輸流速率適配以及DS3輸出接口的適配;控制模塊主要實現人機交互部分如鍵盤和LCD的控制以及適配器模塊工作方式的控制。
圖1中,FLASH,SRAM和SDRAM用來存儲FPGA的配置信息和系統控制程序,DDS模塊用來產生輸出碼流所需時鐘。通過鍵盤和LCD接口,用戶可設置系統的工作模式,了解系統的工作狀態。2路ASI碼流經過專門的接口芯片后輸入到 FPGA,適配器模塊根據用戶的設置在碼流中插入相應的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系統中,它與Nios II的接口如圖2所示。
Nios II通過設置適配器模塊(技術指標見表1)內的控制寄存器來控制適配器模塊,通過讀其內部的狀態寄存器了解工作狀態,或通過中斷信號產生報警信息。
3 關鍵技術實現
適配器的設計難點在于自定義組件適配器模塊的實現,具體包括硬件邏輯的實現以及驅動程序的編寫,下面主要討論難度較大的硬件邏輯實現。
1) 適配器模塊的實現
實現框圖見圖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。包復用模塊按照時鐘產生模塊輸出數據,同時插入MIP包。當FIFO中數據不足時,則插入空包模塊產生的空包。由于碼流重組和速率適配,導致各包在適配器中停留時間不一致,因此要進行PCR校正。本文PCR校正采用置入法,即在輸入碼流中檢測到 PCR包后,將包中的PCR值減去系統27MHz時鐘當前的計數值;當輸出緩存中檢測到PCR包后,將包中已改過的PCR值加上系統27 MHz時鐘當前的計數值,這樣,用一套計數器就可完成PCR校正和更新。
2) MIP包的計算和插入
如圖4所示,根據GPS接收機收到的10 MHz和1 pulse/s信號算出STS值,同時根據Nios II的控制信息產生TPS和最大延時參數,再生成32位的CRC校驗值并復合成MIP包。其中,CRC32用的校驗多項式為D32+D26+D23+ D22+D16+D12+D11+D10+D8+D7+D5+D4+D2+D+1。由于CRC32校驗碼的實時性要求較高,因而采用并行算法--查表法。 DTMB系統兆幀的持續時間正好為1 s,MIP中的STS值在理論上應不變,因此第M個MIP包中的STS可表示為第M個兆幀實際開始的時刻與其前面最近的1 pulse/s信號的時間間隔。同時,由于STS的值用GPS的10 MHz時鐘計數,精度為100 ns。
3) DS3成幀模塊
為使中轉站通過SDH網絡接收碼流,DTMB單頻網適配器增加了DS3輸出接口。DS3是由復幀構成的,一個復幀分為7個子幀,1個子幀分成8塊具有85 bit的比特塊,每塊的第一個比特是開銷比特,其他84 bit用于傳送凈荷。所以一個復幀有56個開銷比特。包復用模塊產生的碼流是MPEG-2的TS流,因此需要一個DS3成幀模塊以實現到SDH網絡的適配。DS3成幀模塊的實現框圖如圖5所示。在一個復幀的開銷比特中,除奇偶校驗比特外,其他開銷比特在特定的網絡環境中一般都是固定的,所以單獨計算奇偶校驗比特。復幀內的各比特塊以及各比特的確定主要靠2個計數器來實現,一個用來指示比特塊,范圍是0~55,一個用來指示比特塊內的每個比特,范圍是 0~84。通過這2個計數器可在適當位置插入開銷比特和凈荷數據,從而完成到SDH網絡的適配。
系統軟件的設計主要完成人機交互程序,從按鍵式控制面板中獲得用戶提供的參數并提交給適配器模塊,同時控制LCD來提供系統的反饋信息和報警信息。系統控制部分的流程如圖6所示。
4 測試結果與結論
利用碼流發生器、DTMB調制器、數字機頂盒、電視機搭建了一套測試系統。碼流發生器產生的碼流首先輸入單頻網適配器,對輸入碼流進行MIP包插入等處理再送到DTMB調制器,輸出到接收機頂盒進行解調譯碼。測試結果表明,調制器能正確檢測出單頻網適配器插入的MIP包,能根據MIP包內容調整工作模式,如FEC碼率、保護間隔和調制方式等。對DTMB的33種傳輸速率都進行了測試,表明單頻網適配器支持全部傳輸速率,調制器能識別所有工作模式。同時,機頂盒能正常接收解調并輸出視頻圖像,未見停滯、馬賽克等現象。對單頻網適配器輸出端碼流的PCR 特性進行測試,表明碼流重組和PCR校正正確,完全滿足MPEG-2的接口規范。
本文介紹了一種基于Nios II的DTMB單頻網適配器的設計方案,實現了MIP包插入、傳輸速率適配和PCR校正等核心功能,支持DTMB標準的全部33種凈荷速率,對內部算法擁有完全的自主知識產權。同時,設計時預留一個以太網接口,以方便用戶通過以太網口控制單頻網適配器的工作模式。
責任編輯:gt
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