基于Nios II的DTMB單頻網(wǎng)適配器設計

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)省頻率資源和能實現(xiàn)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(wǎng)要解決的一個難題是發(fā)射機的同步問題，為此單頻網(wǎng)引入了GPS接收機和單頻網(wǎng)適配器來實現(xiàn)全網(wǎng)的同步。

2006年8月具有自主知識產(chǎn)權(quán)的DTMB標準正式確定為中國地面數(shù)字廣播傳輸標準，該標準中，系統(tǒng)的信號幀與絕對時間同步，與DVB-T等標準相比，實現(xiàn)單頻網(wǎng)更具優(yōu)勢。

2 單頻網(wǎng)適配器總體實現(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、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(shù)信令(TPS)、同步時間標簽(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分布網(wǎng)絡傳輸?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)射機的發(fā)射時間和頻率，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡同步。

DTMB的單頻網(wǎng)適配器主要由FPGA實現(xiàn)的核心功能模塊和基于Nios II軟核CPU實現(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，主要實現(xiàn)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(xiàn)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，F(xiàn)LASH，SRAM和SDRAM用來存儲FPGA的配置信息和系統(tǒng)控制程序，DDS模塊用來產(chǎn)生輸出碼流所需時鐘。通過鍵盤和LCD接口，用戶可設置系統(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(tǒng)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(shù)指標見表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)，或通過中斷信號產(chǎn)生報警信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

適配器的設計難點在于自定義組件適配器模塊的實現(xiàn)，具體包括硬件邏輯的實現(xiàn)以及驅(qū)動程序的編寫，下面主要討論難度較大的硬件邏輯實現(xiàn)。

1) 適配器模塊的實現(xiàn)

實現(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。包復用模塊按照時鐘產(chǎn)生模塊輸出數(shù)據(jù)，同時插入MIP包。當FIFO中數(shù)據(jù)不足時，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(tǒng)27MHz時鐘當前的計數(shù)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(tǒng)27 MHz時鐘當前的計數(shù)值，這樣，用一套計數(shù)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(jù)GPS接收機收到的10 MHz和1 pulse/s信號算出STS值，同時根據(jù)Nios II的控制信息產(chǎn)生TPS和最大延時參數(shù)，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(tǒng)兆幀的持續(xù)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(shù)，精度為100 ns。

3) DS3成幀模塊

為使中轉(zhuǎn)站通過SDH網(wǎng)絡接收碼流，DTMB單頻網(wǎng)適配器增加了DS3輸出接口。DS3是由復幀構(gòu)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(chǎn)生的碼流是MPEG-2的TS流，因此需要一個DS3成幀模塊以實現(xiàn)到SDH網(wǎng)絡的適配。DS3成幀模塊的實現(xiàn)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(wǎng)絡環(huán)境中一般都是固定的，所以單獨計算奇偶校驗比特。復幀內(nèi)的各比特塊以及各比特的確定主要靠2個計數(shù)器來實現(xiàn)，一個用來指示比特塊，范圍是0～55，一個用來指示比特塊內(nèi)的每個比特，范圍是0～84。通過這2個計數(shù)器可在適當位置插入開銷比特和凈荷數(shù)據(jù)，從而完成到SDH網(wǎng)絡的適配。

系統(tǒng)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(shù)并提交給適配器模塊，同時控制LCD來提供系統(tǒng)的反饋信息和報警信息。系統(tǒng)控制部分的流程如圖6所示。

4 測試結(jié)果與結(jié)論

利用碼流發(fā)生器、DTMB調(diào)制器、數(shù)字機頂盒、電視機搭建了一套測試系統(tǒng)。碼流發(fā)生器產(chǎn)生的碼流首先輸入單頻網(wǎng)適配器，對輸入碼流進行MIP包插入等處理再送到DTMB調(diào)制器，輸出到接收機頂盒進行解調(diào)譯碼。測試結(jié)果表明，調(diào)制器能正確檢測出單頻網(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、保護間隔和調(diào)制方式等。對DTMB的33種傳輸速率都進行了測試，表明單頻網(wǎng)適配器支持全部傳輸速率，調(diào)制器能識別所有工作模式。同時，機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。對單頻網(wǎng)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(guī)范。

本文介紹了一種基于Nios II的DTMB單頻網(wǎng)適配器的設計方案，實現(xiàn)了MIP包插入、傳輸速率適配和PCR校正等核心功能，支持DTMB標準的全部33種凈荷速率，對內(nèi)部算法擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。同時，設計時預留一個以太網(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。