用ＡＤＳＰ－２１８１和ＭＣ６８３０２實(shí)現ＭＰＥＧ－２傳送復用器

摘要：在概述ＭＰＥＧ－２傳送流（ＴＳ）語(yǔ)法規范的基礎上，給出了用ＡＤＳＰ－２１８１ 數字信號處理器和ＭＣ６８３０２微控制器實(shí)現傳送復用器的設計方案和實(shí)現技術(shù)。該方法是在ＭＣ６８３０２的控制下，用ＤＳＰ查詢(xún)復用器各輸入ＦＩＦＯ的狀態(tài)，根據各ＦＩＦＯ的狀態(tài)讀入數據，完成音頻、視頻的均勻打包。

關(guān)鍵詞：ＭＰＥＧ－２編碼傳輸系統 傳送復用器 ＴＳ流 打包

當今世界正在向數字化方向發(fā)展，電視信號的數字編碼、數字化存儲、數字化傳輸、數字化處理在我們的現實(shí)世界中已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛。電視系統的全面數字化給節目制作和傳輸都帶來(lái)了革命性的變化。隨著(zhù)碼率壓縮技術(shù)的突破和ＭＰＥＧ標準的建立，從演播室到發(fā)射整個(gè)系統的各個(gè)方面正處于全面數字化的進(jìn)程中。ＭＰＥＧ－２編解碼傳輸系統是目前解決演播室節目制作和傳輸的主流產(chǎn)品。

ＭＰＥＧ－２編碼傳輸系統由音、視頻編碼器（包括音、視頻原始流的分組基本流打包）、傳輸流系統復用器、網(wǎng)絡(luò )適配器等組成，如圖１所示。

復用器是整個(gè)系統的關(guān)鍵設備之一，它接收前端多套節目編碼器來(lái)的視頻、音頻壓縮數據流，按照一定的復用策略將其交織復用成符合ＭＰＥＧ－２系統層規范的單一的系統碼流（傳輸流）。為實(shí)現一套節目音頻、視頻的解碼同步，在碼流中需插入各種時(shí)間標記、系統控制等信息。最后送到網(wǎng)絡(luò )適配器或者信道調制設備，得到與傳輸信道相匹配的標準輸出碼流后，送往信道。復用器還提供整個(gè)編碼系統的系統時(shí)鐘。

本文復用器的設計是在ＭＰＥＧ－２音／視頻國際標準的第一部分ＩＳＯ／ＩＥＣ１３８１８－１系統層語(yǔ)法規范的基礎上，采用ＡＤＳＰ－２１８１信號處理器芯片和ＭＯＴＯＲＯＬＡ的微處理器ＭＣ６８３０２實(shí)現的。

１ 復用器的設計

１．１ ＩＳＯ／ＩＥＣ １３８１８－１傳送層語(yǔ)法結構

復用器以ＭＰＥＧ－２系統規范為基礎，對于地面廣播方式，復用器按傳輸流（ＴＳ）格式打包。ＴＳ包的長(cháng)度固定為１８８字節，傳送層采用固定字長(cháng)數據包的優(yōu)點(diǎn)在于為以后新業(yè)務(wù)的創(chuàng )立提供了靈活性，新增的比特流可以直接在傳送層處理而無(wú)需增加硬件。數據包字頭信息中采用數據包標識（ＰＩＤ）作為比特流的識別工具，因此可以將視頻、音頻和其它數據混合在一起。經(jīng)網(wǎng)絡(luò )適配器后，得到具有Ｇ．７０３標準的碼流，以便在類(lèi)似ＳＤＨ多路復用的環(huán)境中進(jìn)行數據的發(fā)送；同時(shí)也有利于抗信道誤碼和誤碼后的恢復。

傳送層的語(yǔ)法結構如圖２所示。１８８字節長(cháng)度的ＴＳ包由４字節的鏈接字頭、可變長(cháng)字節的自適應字頭以及有效數據負荷組成。每個(gè)ＴＳ包的字頭信息鑒別一種應用比特流，它們構成ＴＳ包的負荷，支持的應用包括視頻、音頻、數據、節目流和系統控制信息等。

１．２ 多路復用流語(yǔ)意的限制

（１）節目參考時(shí)鐘ＰＣＲ的編碼頻率

打包時(shí)，ＴＳ流的構造應使得含有每一節目的ＰＣＲ－ＰＩＤ的ＴＳ流分組中連續出現ｐｒｏｇｒａｍ＿ｃｌｏｃｋ＿ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ字段最后一位的字節間隔應小于等于０．１ｓ。

（２）顯示時(shí)間標簽的編碼頻率

對每一個(gè)原始視頻或音頻流來(lái)說(shuō)，傳送流的結構應使編碼的顯示時(shí)間標簽的最大差值為０．７ｓ，也就是

│ｔＰｎｋ－ｔＰｎｋ’’│≤０．７ｓ

（３）在傳送流中，音頻采樣速率和系統目標解碼器的系統時(shí)鐘頻率之間有特定的比例關(guān)系，而且視頻圖象速率和系統時(shí)鐘頻率之間也有特定的比例關(guān)系。

２ ＡＤＳＰ－２１８１的性能

數字信號處理器（ＤＳＰ）具有速度快、運算能力強、花費低、可擴展和集成度高等優(yōu)良特性，這就使得我們在選擇內嵌環(huán)境下工作的信號協(xié)處理器時(shí)，能夠提供非常強大且靈活的系統，并且價(jià)格非常合理。

本文采用ＡＤ公司的ＡＤＳＰ－２１８１ 數字信號處理器，它具有以下主要性能：

·２５ｎｓ的單周期指令執行時(shí)間

·片內１６Ｋ字程序存儲器ＰＲＡＭ；片內１６Ｋ字數據存儲器ＤＲＡＭ

·三個(gè)獨立的計算單元ＡＬＵ、乘法／累加器和桶形移位器

·兩個(gè)獨立的地址發(fā)生器

·強有力的程序定序器

·循環(huán)無(wú)額外時(shí)鐘開(kāi)銷(xiāo)

·條件算術(shù)指令

·具有壓擴硬件和自動(dòng)數據緩沖的兩個(gè)雙緩沖串行口

·可編程的內部定時(shí)器

·可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器

·１６比特內部ＤＭＡ口可快速訪(fǎng)問(wèn)片內存儲器

·具有２０４８個(gè)存儲單元的Ｉ／Ｏ口支持并行的外圍設備

·１３個(gè)可編程的標志管腳可提供靈活的系統信令

·ＥＰＲＯＭ的自動(dòng)引導或通過(guò)內部ＤＭＡ口自動(dòng)引導

這些特點(diǎn)使得它只需最小的外部支持環(huán)境就可以工作。

用ＡＤＳＰ－２１８１實(shí)現壓縮的音、視頻的傳輸流打包時(shí)，如果視頻編碼器以８Ｍｂｐｓ的速率輸出壓縮的視頻流，存于視頻ＦＩＦＯ中，而１６位操作的ＤＳＰ每個(gè)指令讀兩個(gè)字節，則需讀０．５Ｍ次，即每秒需要５００ ０００次讀指令才能保證ＦＩＦＯ不發(fā)生溢出。與此同時(shí)，ＤＳＰ還需對讀出的數據進(jìn)行一定的處理，才能從ＤＳＰ串口發(fā)出。ＡＤＳＰ－２１８１的最高指令周期為４０ＭＩＰＳ，按每秒從ＦＩＦＯ讀１ＭＢ計算，則平均１秒一個(gè)字節可有４０條指令的處理時(shí)間。對于打包處理，ＡＤＳＰ－２１８１可以滿(mǎn)足一套節目的復用。

３ ＡＤＳＰ－２１８１的ＩＤＭＡ接口與ＭＣ６８３０２的連接

為了使ＤＳＰ實(shí)現最好的性能，有效的微處理器通信是最關(guān)鍵的。摩托羅拉ＭＣ６８３００系列微控制器能提供強大且靈活的總線(xiàn)接口，很適合ＤＳＰ的要求。

復用器設計時(shí)，整個(gè)過(guò)程的協(xié)調控制工作是用摩托羅拉的微處理器ＭＣ６８３０２完成的?？刂撇僮髁鞒桃?jiàn)圖３。圖中的標號表示系統的整個(gè)初始化過(guò)程，其中，“（１）”表示ＭＣ６８３０２對打包ＤＳＰ進(jìn)行ＲＥＳＥＴ（復位），ＤＳＰ開(kāi)始初始化；“（２）”表示ＭＣ６８３０２給編碼器加載程序；“（３）”表示打包ＤＳＰ通知ＭＣ６８３０２已初始化完畢；“（４）”表示ＭＣ６８３０２通知編碼器開(kāi)始工作。

ＭＣ６８３０２對整個(gè)系統初始化完畢后，ＡＤＳＰ－２１８１便開(kāi)始從ＦＩＦＯ中讀取分組的視頻原始流和音頻原始流，并對所讀數據進(jìn)行判斷，加相應的包頭，然后在外加串口時(shí)鐘的控制下，以固定速率從ＡＤＳＰ－２１８１串口把打包的ＴＳ流數據送往信道。

下面介紹ＡＤＳＰ－２１８１芯片的ＩＤＭＡ接口同ＭＣ６８３０２微控制器之間的硬件界面和軟件接口的設計方案。

３．１ ＩＤＭＡ操作

外部器件能通過(guò)ＤＳＰ的ＩＤＭＡ接口訪(fǎng)問(wèn)ＡＤＳＰ－２１８１的內存。微處理器ＭＣ６８３０２能夠通過(guò)ＩＤＭＡ接口與ＡＤＳＰ－２１８１的內存通信，把此ＤＳＰ芯片當作是隸屬自身的以存儲區劃分的外圍設備，并且可以訪(fǎng)問(wèn)ＡＤＳＰ－２１８１的所有數據存儲器（ＤＭ）和程序存儲器（ＰＭ）。

ＡＤＳＰ－２１８１的ＩＤＭＡ接口由以下幾部分組成：一條１６比特的地址／數據復用總線(xiàn)（ＩＡＤ１６：０），一條選擇線(xiàn)（ＩＳ），地址鎖存有效信號（ＡＬＥ），讀信號（ＩＡＤ），寫(xiě)信號（ＩＷＲ），通知信號（ＩＡＣＫ）。ＭＣ６８３０２負責所有數據傳輸的初始化工作。
ＡＤＳＰ－２１８１的存儲器地址裝載在ＩＤＭＡ地址寄存器中，ＩＤＭＡ地址寄存器包括１４比特的內存地址和１比特限定傳輸類(lèi)型的標志位。該標志位用于區分所傳輸的是２４比特的程序存儲器代碼，還是１６比特的數據存儲器數據。ＩＤＭＡ地址寄存器的初始化工作既可以由ＤＳＰ完成，也可以由微處理器完成。微處理器可以通過(guò)運行一個(gè)地址鎖存周期來(lái)初始化此寄存器。一個(gè)地址鎖存周期的過(guò)程如下：先由微處理器發(fā)ＡＬＥ信號，然后在ＩＡＤ上傳輸１５比特位（１４位地址信號和位目的存儲類(lèi)型信號）。為了更有效地傳送大段的操作代碼或數據，并不是ＩＤＭＡ存取都需要一個(gè)地址鎖存周期。相反，一旦鎖定，每個(gè)ＩＤＭＡ字傳輸之后地址就會(huì )自動(dòng)增加。

３．２ 硬件界面設計

占用微控制器外圍空間的ＡＤＳＰ－２１８１芯片的ＩＤＭＡ端口需要劃分成兩個(gè)部分：一部分由微控制器使用，用來(lái)設置它想訪(fǎng)問(wèn)的ＤＳＰ存儲器地址；另一部分則用于傳輸數據和指令信息。
對于基于ＤＳＰ的協(xié)處理系統的設計而言，微控制器和ＤＳＰ之間的硬件接口設計僅僅是驅動(dòng)工作的一部分。系統的啟動(dòng)問(wèn)題及微處理器和ＤＳＰ之間的通信問(wèn)題在系統設計中是很重要的部分。

３．３ 加載ＤＳＰ芯片

在加電情況下，ＤＳＰ上的ＩＤＭＡ接口可用來(lái)加載程序。這樣ＤＳＰ就無(wú)需再用單獨的ＥＰＲＯＭ芯片。對于芯片ＡＤＳＰ－２１８１，加載過(guò)程由管腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ來(lái)控制。保持管腳ＭＭＡＰ低電位、管腳ＢＭＯＤＥ高電位，就可以通過(guò)ＩＤＭＡ接口進(jìn)行程序加載了。在此狀態(tài)下，當有復位信號時(shí)，ＤＳＰ并不激活它的外部地址總線(xiàn)去訪(fǎng)問(wèn)ＥＰＲＯＭ芯片，而是等待微處理器開(kāi)始ＩＤＭＡ傳輸來(lái)填充其內部數據存儲器和程序存儲器，并且利用ＩＤＭＡ接口的地址自動(dòng)增加特性來(lái)加速以升地址順序進(jìn)行的代碼段的傳輸。當所有初始化工作結束時(shí)，微處理器初始化ＤＳＰ的重啟動(dòng)向量ＰＭ（０ｘ００００），至此，程序加載結束，ＤＳＰ 程序開(kāi)始執行。此過(guò)程的流程如圖４所示。

３．４ 產(chǎn)生加載代碼

ＡＳＤＰ－２１ｘｘ系列的指令操作代碼位有２４位，而ＩＤＭＡ接口只能接收１６位的值。為了通過(guò)ＩＤＭＡ接口傳輸指令操作代碼，需要先傳輸１６位，然后再傳輸另外８位 并進(jìn)行適當的調整。

ＤＳＰ的可執行文件是由ＡＤＳＰ＿２１ＸＸ鏈接器生成的。鏈接器接收由匯編器生成的目標文件，把它們放置在由系統結構文件定義的存儲結構中，產(chǎn)生ＤＳＰ可執行文件。

４ ＡＤＳＰ－２１８１完成傳輸流打包

傳輸流的打包需要在ＡＤＳＰ－２１８１的數據存儲區ＤＭ中開(kāi)辟兩個(gè)緩沖區，一個(gè)是ＴＳ頭固定長(cháng)度部分的ＢＵＦＦＥＲ，其中包含是否需要ＰＣＲ字段的ＰＣＲ－ｆｌａｇ標志；另一個(gè)是可調字段的ＢＵＦＦＥＲ，其中包括標識ＰＣＲ編碼的相關(guān)字段。根據輸入修改ＴＳ的兩個(gè)緩沖，判斷是否需要可調字段、是否需加ＰＣＲ字段、是否有填充字節以及填充字節的數目等。然后以恒定速率（在此是８．４４８Ｍｂｐｓ）發(fā)出。

從編碼器來(lái)的視頻、音頻原始流分組（ＰＥＳ）在ＡＤＳＰ－２１８１中被分割成一個(gè)個(gè)長(cháng)度為１８８字節的小包，并插入相應的ＴＳ字頭。由于視頻流的輸入速率遠大于音頻的輸入速率，在同一時(shí)間內的視頻ＴＳ包遠遠多于音頻的ＴＳ包，因此必須采取一定的措施使得視頻、音頻數據ＴＳ包能夠均勻地交織復用到最終的傳送碼流中，以保證解碼端的視頻、音頻解碼器的ＢＵＦＦＥＲ不會(huì )產(chǎn)生上溢和下溢。ＰＣＲ時(shí)間標記在傳送復用器中規定的視頻ＴＳ包頭中傳輸，但要說(shuō)明的是，按照ＭＰＥＧ－２的系統層規范，ＰＣＲ采樣的時(shí)刻必須是當ＰＣＲ字段串行輸出離開(kāi)復用器那一刻的時(shí)間，也就是說(shuō)ＰＣＲ的插入邏輯是復用器的最后一步操作。此外，一個(gè)ＰＥＳ包的包頭必須包含在一個(gè)新的ＴＳ傳送包中，同時(shí)ＰＥＳ包數據要充滿(mǎn)ＴＳ傳送包的負荷，若ＰＥＳ包數據的結尾無(wú)法與ＴＳ包結尾對齊，則需要在ＴＳ的調整字段中插入相應數量的填充字節，使得兩者的結尾對齊。解碼時(shí)填充字節則直接被丟棄。

復用器啟動(dòng)后，由ＭＣ６８３０２首先向前級視頻、音頻編碼器發(fā)出系統編碼開(kāi)始信號，同時(shí)發(fā)送２７ＭＨｚ系統時(shí)鐘。ＡＤＳＰ－２１８１被動(dòng)地接收前級編碼數據。視頻、音頻分別在各自的ＦＩＦＯ中緩存，各ＦＩＦＯ設有各自的雙向計數器，動(dòng)態(tài)地反映各ＦＩＦＯ中緩存的視頻、音頻字節數。采用ＤＳＰ輪詢(xún)技術(shù)控制復用比特流中各種ＴＳ包的交織策略。由于視頻ＰＥＳ數據流的輸入速率是可變的，而音頻的速率則是恒定的，若采用其他固定比例的復用策略，無(wú)法保證輸出碼流各種ＴＳ包的均勻性，采用輪詢(xún)技術(shù)除了能夠均勻打包輸出變速率的視頻數據流外，同時(shí)對多節目數據流的復用具有很好的靈活性，只需在軟件中增加輪詢(xún)的數目并合理安排其輪詢(xún)的優(yōu)先級即可，可用圖５來(lái)描述。

ＡＤＳＰ－２１８１按視頻、音頻的次序對視頻ＦＩＦＯＶ ＦＩＦＯ、音頻ＦＩＦＯＡ ＦＩＦＯ進(jìn)行輪詢(xún)，即讀取反映ＦＩＦＯ狀態(tài)的雙向計數器，若大于預先確定的門(mén)限數值，則從相應的ＦＩＦＯ中讀?。保福醋止?，送入第二級公共ＦＩＦＯ中。

ＡＤＳＰ－２１８１在對視頻、音頻１８４字節的讀取過(guò)程中，同時(shí)檢測是否碰到ＰＥＳ包起始碼，若未碰到ＰＥＳ字頭，則由ＡＤＳＰ－２１８１向傳輸緩存器寫(xiě)入相應的ＴＳ包頭４字節，無(wú)可調字段，再將公共ＦＩＦＯ中的１８４字節送入傳輸緩存器；若碰到ＰＥＳ字頭則立即停止從第一級視頻或音頻ＦＩＦＯ中讀取數據，同時(shí)向ＡＤＳＰ－２１８１發(fā)出中斷，ＡＤＳＰ－２１８１的中斷服務(wù)讀取公共ＦＩＦＯ中的字節數目，設其為Ｎ，由于在這Ｎ字節數據中包含４字節的ＰＥＳ字頭，為了使ＴＳ包與ＰＥＳ包字頭對齊，公共ＦＩＦＯ中的數據要打成兩個(gè)ＴＳ包，由于第一個(gè)ＴＳ包有效負荷數據只有Ｎ－４個(gè)字節，ＰＥＳ包的結尾未能和ＴＳ包的結尾對齊，因此在第一個(gè)ＴＳ包的自適應域要插入１８２－Ｎ－４個(gè)填充字節０ｘＦＦ，有效數據負荷為Ｎ－４，第二個(gè)ＴＳ包由于是一個(gè)新的ＰＥＳ數據包的開(kāi)始，公共ＦＩＦＯ中還保留４字節的ＰＥＳ字頭，因此ＡＤＳＰ－２１８１還需從第一級ＦＩＦＯ中讀入相應數目字節的視頻或音頻數據。對于音頻來(lái)說(shuō)，不需插入ＰＣＲ信息，只從音頻ＦＩＦＯ中讀入１８４－４個(gè)字節的數據。在向輸出緩存器寫(xiě)入ＴＳ字頭后，再將公共ＦＩＦＯ中的數據送入輸出緩存器。對視頻來(lái)說(shuō)，在不考慮ＰＣＲ信息插入時(shí)其操作同音頻一樣。

由于兩ＰＣＲ之間的時(shí)間間隔在ＭＰＥＧ－２視頻編碼器傳送流中要求為１００ ｍｓ，因此，在ＤＳＰ軟件中設計了一個(gè)計數器，用于對所有已生成的ＴＳ包進(jìn)行計數。由于ＡＤＳＰ－２１８１串口的輸出速率是恒定的（在此是靠外加８．４４８ＭＨｚ串口時(shí)鐘實(shí)現的），因而單位時(shí)間內的總的ＴＳ包的數目也是一定的。要使ＰＣＲ之間的時(shí)間間隔保持恒定，只需將計數器的預置數目設定為“總的ＴＳ包數目／每秒÷２５”，復用器每生成一個(gè)ＴＳ包，計數器減１，當計數器計到零時(shí)將時(shí)間間隔標記置位。ＡＤＳＰ－２１８１在每次輪詢(xún)打包ＴＳ數據之前，先檢測時(shí)間間隔標記是否置位，若未置位則按前述方法處理，若置位則在打包的下一個(gè)視頻ＴＳ包中插入ＰＣＲ時(shí)間標記，當然這里只是在ＴＳ包頭中插入相應的可調字段，而沒(méi)有插入真正的ＰＣＲ時(shí)間標記，只是將６字節的ＰＣＲ位置預留出來(lái)。因此，如果下一個(gè)復用的ＴＳ包為視頻數據并且恰好需插入ＰＣＲ時(shí)間標記，則ＤＳＰ從視頻ＦＩＦＯ中讀的數據是１７６字節而不是１８４字節，因為可調字段已占用了８字節。如果該ＴＳ包為含有ＰＥＳ字頭的視頻ＴＳ包，則讀入的數據字節為１７２字節。在ＡＤＳＰ－２１８１的最后輸出單元中最重要的是完成ＰＣＲ時(shí)間標記的插入。ＭＰＥＧ－２系統規范要求ＰＣＲ時(shí)間必須為ＰＣＲ域最后一字節離開(kāi)復用器的時(shí)間，因此，ＰＣＲ只能在串出的時(shí)刻鎖存系統時(shí)鐘。ＰＣＲ信息只包含在特定的視頻ＴＳ包中，ＡＤＳＰ－２１８１在寫(xiě)入該ＴＳ字頭時(shí)可調字段已預先保留６字節的ＰＣＲ位置，因此，在數據串出的同時(shí)要進(jìn)行字頭檢測。當滿(mǎn)足ＰＣＲ插入條件時(shí)，即在檢測到ＴＳ包的同步字節以及可調字段標志位后，則在相應時(shí)刻啟動(dòng)ＰＣＲ鎖存及串出邏輯。

需要說(shuō)明的是：對于多節目輸入復用的情況，除了可以采用以上所設計的ＤＳＰ輪詢(xún)策略外，還應注意優(yōu)先級的排隊問(wèn)題，以防視頻緩沖區有上溢問(wèn)題出現。對于ＶＢＲ視頻的多節目復用問(wèn)題，尤其要慎重考慮。不僅要設置雙向計數器，動(dòng)態(tài)地反映各ＦＩＦＯ中緩存的視頻、音頻字節數，還要采用相應的預測機制來(lái)即時(shí)獲取各路視頻速率的變化趨勢，同時(shí)采用相應的返回控制機制來(lái)調整輸入端的速率，保證各路信號均勻交織，使輸入ＦＩＦＯ不溢出也是很有必要的。另外，節目特殊信息ＰＳＩ的插入要滿(mǎn)足ＰＡＴ之間和ＰＭＴ之間的時(shí)間間隔恒定為４０ｍｓ，設計時(shí)是在ＴＳ包計數器置零后緊接著(zhù)的兩個(gè)ＴＳ包中放入ＰＡＴ和ＰＭＴ表格。解碼時(shí)選擇感興趣的節目就是根據ＰＡＴ中標明的節目號在ＰＭＴ中尋找該節目對應的音頻、視頻信息，進(jìn)而實(shí)現該套節目的同步解碼。