基于FPGA和RTOS的嵌入式碼流分析設計方案

　　針對傳統數字視頻廣播系統碼流分析儀價(jià)格昂貴、使用不方便的問(wèn)題，本文提出一種性?xún)r(jià)比較好的補充設計方案，它以通用的FPGA和RTOS為基礎、基于嵌入式硬件平臺來(lái)實(shí)現碼流分析功能。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字電視設備的調試工具，如檢測MPEG編碼器、復用器、調制解調器等設備的輸入輸出碼流是否符合MPEG-2/數字電視廣播(DVB)標準等。作為標準檢驗設備，碼流分析儀是整個(gè)數字電視系統的不可缺少的重要設備。實(shí)際使用中的數字電視集成系統是一項龐大、復雜的系統工程，從前端到后端，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節出了差錯，都將導致整個(gè)系統的癱瘓，為了迅速有效地找出故障源，需要在各測試點(diǎn)使用碼流分析儀。如圖1所示，可以在測試點(diǎn)1-4插入碼流分析儀，組成對傳輸(TS)碼流互聯(lián)層的監控、測試和報警。



　　國外碼流分析儀的研究工作開(kāi)展比較早，在MPEG-2標準制定的同時(shí)，就有碼流分析儀問(wèn)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(diǎn)，而其核心都是基于PC硬件平臺。雖然性能較穩定，但產(chǎn)品價(jià)格均比較昂貴，操作不便。隨著(zhù)應用范圍和規模的擴大，在一個(gè)應用場(chǎng)合下，可能會(huì )需要對較多的測試點(diǎn)進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的實(shí)時(shí)碼流分析、監控、系統信息采集和報警管理工作，昂貴的基于PC的測試設備顯然無(wú)法滿(mǎn)足這種要求。

　　為了解決這一缺陷，國內外主要生產(chǎn)廠(chǎng)商都轉向選擇在便攜式工控機上開(kāi)發(fā)。便攜式工控機雖然沒(méi)有復雜的外設連線(xiàn)，但是也存在設備體積較大和硬件成本昂貴，功能受限于PC硬件和操作系統平臺穩定性等問(wèn)題。另外，市場(chǎng)上還有一種手持式的測試儀，有較好的移動(dòng)性，但是也無(wú)法滿(mǎn)足以較低的成本完成實(shí)時(shí)監控的要求。針對中國目前的應用現狀和發(fā)展狀況，我們提出以通用的FPGA和RTOS為基礎、基于嵌入式硬件平臺的設計方法，該模塊可以實(shí)現穩定和長(cháng)期的可靠工作，具有很好的性?xún)r(jià)比，可以在現實(shí)應用場(chǎng)合廣泛應用。

　　碼流分析功能設計

　　功能設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(wú)論是軟件還是硬件都要保證穩定可靠。同時(shí)考慮采用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，容許用戶(hù)通過(guò)任何一臺計算機的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)圖形化的用戶(hù)界面，將碼流分析結果以最直觀(guān)的方式顯示給用戶(hù)。嵌入式測試設備的設計目標根據實(shí)際需要提出，設計目的是TS碼流系統監測設備，在操作和使用的問(wèn)題上要方便，故障的監測和定位要快速準確，模塊化的設計要求結構緊湊，接口簡(jiǎn)單。針對這種需要，設計目標至少要實(shí)現以下功能：

　　1．對碼流數據進(jìn)行同步字節提取和包序錯誤檢查，并進(jìn)一步對數據根據ETR290標準進(jìn)行三個(gè)優(yōu)先級別的語(yǔ)法錯誤的檢查；對數據流進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，及時(shí)紀錄出錯的時(shí)間和錯誤的情況；同時(shí)還可根據用戶(hù)的需要制訂硬件觸發(fā)模式，選擇不同的監測項目。

　　2．實(shí)時(shí)統計各路PID的當前帶寬占用情況，當前的TS包的總數量和傳輸碼率。

　　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據結構中。

　　4．提取TS流中的PCR信息，計算其傳輸的間隔，同時(shí)作PCR抖動(dòng)的分析，出現錯誤及時(shí)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．分析視音頻數據，根據TS流中的PCR、PTS和視音頻數據來(lái)分析其解碼時(shí)各路視音頻傳輸流標準目標解碼器中緩沖器模型的情況，當緩沖器出現排空和上溢的錯誤時(shí)及時(shí)報錯。

　　這些功能將滿(mǎn)足運營(yíng)環(huán)境的現場(chǎng)監測要求。實(shí)際應用中這些分析的結果需要以某種方式提交給用戶(hù)觀(guān)察。因此，以下的信息顯示是必須的。

　　1．基本信息：主要向用戶(hù)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(cháng)度、視音頻比例、PSI表的簡(jiǎn)要信息等。

　　2．實(shí)時(shí)監測：本界面按照DVB ETR290標準規定的3級檢錯內容而設計。

　　3．節目信息：顯示描述一個(gè)節目?jì)热莸腜MT、SDT和EIT的具體信息。

　　4．帶寬信息：基于PID的帶寬統計信息。

　　5．復用結構：TS流中最基本的節目復用信息。

　　6．PSI/SI信息：將2進(jìn)制形式的PSI/SI信息翻譯成文字，以樹(shù)的形式顯示，TS流的層次結構一目了然。

　　7．PCR分析：分析PCR傳送的間隔和抖動(dòng)。

　　硬件結構

　　如圖2所示，本設計方案選用Altera公司的FPGA――根據實(shí)際的設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(guò)濾邏輯和控制系統的設計思想。