基于FPGA和RTOS的嵌入式碼流分析設(shè)計方案

　　針對傳統(tǒng)數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)碼流分析儀價格昂貴、使用不方便的問題，本文提出一種性價比較好的補充設(shè)計方案，它以通用的FPGA和RTOS為基礎(chǔ)、基于嵌入式硬件平臺來實現(xiàn)碼流分析功能。文中還闡述了碼流采集、碼流分析和信息顯示等多項關(guān)鍵技術(shù)。

　　碼流分析儀可用作數(shù)字電視設(shè)備的調(diào)試工具，如檢測MPEG編碼器、復(fù)用器、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備的輸入輸出碼流是否符合MPEG-2/數(shù)字電視廣播(DVB)標準等。作為標準檢驗設(shè)備，碼流分析儀是整個數(shù)字電視系統(tǒng)的不可缺少的重要設(shè)備。實際使用中的數(shù)字電視集成系統(tǒng)是一項龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從前端到后端，無論哪個環(huán)節(jié)出了差錯，都將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓，為了迅速有效地找出故障源，需要在各測試點使用碼流分析儀。如圖1所示，可以在測試點1-4插入碼流分析儀，組成對傳輸(TS)碼流互聯(lián)層的監(jiān)控、測試和報警。



　　國外碼流分析儀的研究工作開展比較早，在MPEG-2標準制定的同時，就有碼流分析儀問世，惠普、WG、RS和泰克等公司都推出了各自的碼流分析儀。這幾家公司的產(chǎn)品各有特點，而其核心都是基于PC硬件平臺。雖然性能較穩(wěn)定，但產(chǎn)品價格均比較昂貴，操作不便。隨著應(yīng)用范圍和規(guī)模的擴大，在一個應(yīng)用場合下，可能會需要對較多的測試點進行長時間的實時碼流分析、監(jiān)控、系統(tǒng)信息采集和報警管理工作，昂貴的基于PC的測試設(shè)備顯然無法滿足這種要求。

　　為了解決這一缺陷，國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠商都轉(zhuǎn)向選擇在便攜式工控機上開發(fā)。便攜式工控機雖然沒有復(fù)雜的外設(shè)連線，但是也存在設(shè)備體積較大和硬件成本昂貴，功能受限于PC硬件和操作系統(tǒng)平臺穩(wěn)定性等問題。另外，市場上還有一種手持式的測試儀，有較好的移動性，但是也無法滿足以較低的成本完成實時監(jiān)控的要求。針對中國目前的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展狀況，我們提出以通用的FPGA和RTOS為基礎(chǔ)、基于嵌入式硬件平臺的設(shè)計方法，該模塊可以實現(xiàn)穩(wěn)定和長期的可靠工作，具有很好的性價比，可以在現(xiàn)實應(yīng)用場合廣泛應(yīng)用。

　　碼流分析功能設(shè)計

　　功能設(shè)計將完全符合以下標準：MPEG-2；ISO/IEC 13818-2(System)；DVB；ETS 300 468( DVB SI)；EN 50083-9(DVB SPI，ASI)；ETR 154(Implementation guidelines for MPEG2 systems)；ETR 290(Measurement Guidelines)；ETR 211( DVB SI Recommendation)。

　　作為一種測試儀器，無論是軟件還是硬件都要保證穩(wěn)定可靠。同時考慮采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，容許用戶通過任何一臺計算機的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問圖形化的用戶界面，將碼流分析結(jié)果以最直觀的方式顯示給用戶。嵌入式測試設(shè)備的設(shè)計目標根據(jù)實際需要提出，設(shè)計目的是TS碼流系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備，在操作和使用的問題上要方便，故障的監(jiān)測和定位要快速準確，模塊化的設(shè)計要求結(jié)構(gòu)緊湊，接口簡單。針對這種需要，設(shè)計目標至少要實現(xiàn)以下功能：

　　1．對碼流數(shù)據(jù)進行同步字節(jié)提取和包序錯誤檢查，并進一步對數(shù)據(jù)根據(jù)ETR290標準進行三個優(yōu)先級別的語法錯誤的檢查；對數(shù)據(jù)流進行實時監(jiān)測，及時紀錄出錯的時間和錯誤的情況；同時還可根據(jù)用戶的需要制訂硬件觸發(fā)模式，選擇不同的監(jiān)測項目。

　　2．實時統(tǒng)計各路PID的當前帶寬占用情況，當前的TS包的總數(shù)量和傳輸碼率。

　　3．將TS包中的PSI/SI信息提取并拼接成段,分析段頭部的信息并存儲在特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

　　4．提取TS流中的PCR信息，計算其傳輸?shù)拈g隔，同時作PCR抖動的分析，出現(xiàn)錯誤及時報錯。

　　5．從PES 段中提取PES頭信息以及各路視音頻的基本信息。

　　6．分析視音頻數(shù)據(jù)，根據(jù)TS流中的PCR、PTS和視音頻數(shù)據(jù)來分析其解碼時各路視音頻傳輸流標準目標解碼器中緩沖器模型的情況，當緩沖器出現(xiàn)排空和上溢的錯誤時及時報錯。

　　這些功能將滿足運營環(huán)境的現(xiàn)場監(jiān)測要求。實際應(yīng)用中這些分析的結(jié)果需要以某種方式提交給用戶觀察。因此，以下的信息顯示是必須的。

　　1．基本信息：主要向用戶提供關(guān)于TS流的最基本的信息，如TS流的傳輸速率、同步錯誤、TS包長度、視音頻比例、PSI表的簡要信息等。

　　2．實時監(jiān)測：本界面按照DVB ETR290標準規(guī)定的3級檢錯內(nèi)容而設(shè)計。

　　3．節(jié)目信息：顯示描述一個節(jié)目內(nèi)容的PMT、SDT和EIT的具體信息。

　　4．帶寬信息：基于PID的帶寬統(tǒng)計信息。

　　5．復(fù)用結(jié)構(gòu)：TS流中最基本的節(jié)目復(fù)用信息。

　　6．PSI/SI信息：將2進制形式的PSI/SI信息翻譯成文字，以樹的形式顯示，TS流的層次結(jié)構(gòu)一目了然。

　　7．PCR分析：分析PCR傳送的間隔和抖動。

　　硬件結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，本設(shè)計方案選用Altera公司的FPGA――根據(jù)實際的設(shè)計容量可以選擇具體的型號和系列。這里我們將討論輸入輸出、過濾邏輯和控制系統(tǒng)的設(shè)計思想。