基于Nios II的DTMB單頻網(wǎng)適配器設計

作為地面數字電視的組網(wǎng)方式之一，單頻網(wǎng)(SingleFrequendy Network，SFN)具有節省頻率資源和能實(shí)現大范圍無(wú)線(xiàn)覆蓋的特點(diǎn)，在世界各地得到廣泛應用。組建單頻網(wǎng)要解決的一個(gè)難題是發(fā)射機的同步問(wèn)題，為此單頻網(wǎng)引入了GPS接收機和單頻網(wǎng)適配器來(lái)實(shí)現全網(wǎng)的同步。

2006年8月具有自主知識產(chǎn)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(shí)間同步，與DVB-T等標準相比，實(shí)現單頻網(wǎng)更具優(yōu)勢。

2 單頻網(wǎng)適配器總體實(shí)現方案

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、中轉站的同步系統以及支持單頻網(wǎng)模式的調制器組成。在中心發(fā)射站，單頻網(wǎng)適配器每隔一個(gè)兆幀就往MPEG-2碼流中插入一個(gè)MIP包(Mega-frame Initial-ization Packet)。MIP包中攜帶有傳輸參數信令(TPS)、同步時(shí)間標簽(STS)和最大延遲等重要參數。經(jīng)單頻網(wǎng)適配器處理的碼流通過(guò)初級分布網(wǎng)絡(luò )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(fā)射機的發(fā)射時(shí)間和頻率，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )同步。

DTMB的單頻網(wǎng)適配器主要由FPGA實(shí)現的核心功能模塊和基于Nios II軟核CPU實(shí)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(shí)現MIP包計算和插入，可編程參考時(shí)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(shí)現人機交互部分如鍵盤(pán)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(lái)存儲FPGA的配置信息和系統控制程序，DDS模塊用來(lái)產(chǎn)生輸出碼流所需時(shí)鐘。通過(guò)鍵盤(pán)和LCD接口，用戶(hù)可設置系統的工作模式，了解系統的工作狀態(tài)。2路ASI碼流經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的接口芯片后輸入到FPGA，適配器模塊根據用戶(hù)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(guò)Avalon總線(xiàn)掛接在Nios II系統中，它與Nios II的接口如圖2所示。

Nios II通過(guò)設置適配器模塊(技術(shù)指標見(jiàn)表1)內的控制寄存器來(lái)控制適配器模塊，通過(guò)讀其內部的狀態(tài)寄存器了解工作狀態(tài)，或通過(guò)中斷信號產(chǎn)生報警信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現

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

1) 適配器模塊的實(shí)現

實(shí)現框圖見(jiàn)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(shí)鐘產(chǎn)生模塊輸出數據，同時(shí)插入MIP包。當FIFO中數據不足時(shí)，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(shí)間不一致，因此要進(jìn)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(shí)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(guò)的PCR值加上系統27 MHz時(shí)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(shí)根據Nios II的控制信息產(chǎn)生TPS和最大延時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)間正好為1 s，MIP中的STS值在理論上應不變，因此第M個(gè)MIP包中的STS可表示為第M個(gè)兆幀實(shí)際開(kāi)始的時(shí)刻與其前面最近的1 pulse/s信號的時(shí)間間隔。同時(shí)，由于STS的值用GPS的10 MHz時(shí)鐘計數，精度為100 ns。

3) DS3成幀模塊

為使中轉站通過(guò)SDH網(wǎng)絡(luò )接收碼流，DTMB單頻網(wǎng)適配器增加了DS3輸出接口。DS3是由復幀構成的，一個(gè)復幀分為7個(gè)子幀，1個(gè)子幀分成8塊具有85 bit的比特塊，每塊的第一個(gè)比特是開(kāi)銷(xiāo)比特，其他84 bit用于傳送凈荷。所以一個(gè)復幀有56個(gè)開(kāi)銷(xiāo)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(gè)DS3成幀模塊以實(shí)現到SDH網(wǎng)絡(luò )的適配。DS3成幀模塊的實(shí)現框圖如圖5所示。在一個(gè)復幀的開(kāi)銷(xiāo)比特中，除奇偶校驗比特外，其他開(kāi)銷(xiāo)比特在特定的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中一般都是固定的，所以單獨計算奇偶校驗比特。復幀內的各比特塊以及各比特的確定主要靠2個(gè)計數器來(lái)實(shí)現，一個(gè)用來(lái)指示比特塊，范圍是0～55，一個(gè)用來(lái)指示比特塊內的每個(gè)比特，范圍是0～84。通過(guò)這2個(gè)計數器可在適當位置插入開(kāi)銷(xiāo)比特和凈荷數據，從而完成到SDH網(wǎng)絡(luò )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(hù)提供的參數并提交給適配器模塊，同時(shí)控制LCD來(lái)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(fā)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(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(jìn)行MIP包插入等處理再送到DTMB調制器，輸出到接收機頂盒進(jìn)行解調譯碼。測試結果表明，調制器能正確檢測出單頻網(wǎng)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(jìn)行了測試，表明單頻網(wǎng)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(shí)，機頂盒能正常接收解調并輸出視頻圖像，未見(jiàn)停滯、馬賽克等現象。對單頻網(wǎng)適配器輸出端碼流的PCR特性進(jìn)行測試，表明碼流重組和PCR校正正確，完全滿(mǎn)足MPEG-2的接口規范。

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(shí)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(chǎn)權。同時(shí)，設計時(shí)預留一個(gè)以太網(wǎng)接口，以方便用戶(hù)通過(guò)以太網(wǎng)口控制單頻網(wǎng)適配器的工作模式。