基于Nios II DTMB单频网适配器设计

发布时间:2010-8-19 10:31    发布者:lavida
关键词: DTMB , NIOS , 单频网 , 适配器
1 引言  

作为地面数字电视的组网方式之一,单频网(SingleFrequendy Network,SFN)具有节省频率资源和能实现大范围无线覆盖的特点,在世界各地得到广泛应用。组建单频网要解决的一个难题是发射机的同步问题,为此单频网引入了GPS接收机和单频网适配器来实现全网的同步。  

2006年8月具有自主知识产权的DTMB标准正式确定为中国地面数字广播传输标准,该标准中,系统的信号帧与绝对时间同步,与DVB-T等标准相比,实现单频网更具优势。  

2 单频网适配器总体实现方案  

单频网主要有中心发射站的单频网适配器、GPS接收机、中转站的同步系统以及支持单频网模式的调制器组成。在中心发射站,单频网适配器每隔一个兆帧就往MPEG-2码流中插入一个MIP包(Mega-frame. Initial-ization Packet)。MIP包中携带有传输参数信令(TPS)、同步时间标签(STS)和最大延迟等重要参数。经单频网适配器处理的码流通过初级分布网络传输到中转站后,中转站的同步系统从MIP中提取出TPS等重要信息后调整本地发射机的发射时间和频率,从而实现网络同步。  

DTMB的单频网适配器主要由FPGA实现的核心功能模块和基于Nios II软核CPU实现的控制模块组成,如图1所示。核心功能模块即适配器模块,主要实现MIP包计算和插入,可编程参考时钟(PCR)校正,传输流速率适配以及DS3输出接口的适配;控制模块主要实现人机交互部分如键盘和LCD的控制以及适配器模块工作方式的控制。  


  
图1中,FLASH,SRAM和SDRAM用来存储FPGA的配置信息和系统控制程序,DDS模块用来产生输出码流所需时钟。通过键盘和LCD接口,用户可设置系统的工作模式,了解系统的工作状态。2路ASI码流经过专门的接口芯片后输入到 FPGA,适配器模块根据用户的设置在码流中插入相应的MIP包,最终输出为2路ASI接口的码流,一路光纤接口的码流,一路DS3接口的码流。  

适配器模块作为自定义组件通过Avalon总线挂接在Nios II系统中,它与Nios II的接口如图2所示。  


  
Nios II通过设置适配器模块(技术指标见表1)内的控制寄存器来控制适配器模块,通过读其内部的状态寄存器了解工作状态,或通过中断信号产生报警信息。  

3 关键技术实现  

适配器的设计难点在于自定义组件适配器模块的实现,具体包括硬件逻辑的实现以及驱动程序的编写,下面主要讨论难度较大的硬件逻辑实现。  

1) 适配器模块的实现  

实现框图见图3,输入的MPEG-2 TS流先要同步,找到TS流的包头,去掉空包后输入FIFO。包复用模块按照时钟产生模块输出数据,同时插入MIP包。当FIFO中数据不足时,则插入空包模块产生的空包。由于码流重组和速率适配,导致各包在适配器中停留时间不一致,因此要进行PCR校正。本文PCR校正采用置入法,即在输入码流中检测到 PCR包后,将包中的PCR值减去系统27MHz时钟当前的计数值;当输出缓存中检测到PCR包后,将包中已改过的PCR值加上系统27 MHz时钟当前的计数值,这样,用一套计数器就可完成PCR校正和更新。  


  
2) MIP包的计算和插入  

如图4所示,根据GPS接收机收到的10 MHz和1 pulse/s信号算出STS值,同时根据Nios II的控制信息产生TPS和最大延时参数,再生成32位的CRC校验值并复合成MIP包。其中,CRC32用的校验多项式为D32+D26+D23+ D22+D16+D12+D11+D10+D8+D7+D5+D4+D2+D+1。由于CRC32校验码的实时性要求较高,因而采用并行算法--查表法。 DTMB系统兆帧的持续时间正好为1 s,MIP中的STS值在理论上应不变,因此第M个MIP包中的STS可表示为第M个兆帧实际开始的时刻与其前面最近的1 pulse/s信号的时间间隔。同时,由于STS的值用GPS的10 MHz时钟计数,精度为100 ns。  

3) DS3成帧模块  

为使中转站通过SDH网络接收码流,DTMB单频网适配器增加了DS3输出接口。DS3是由复帧构成的,一个复帧分为7个子帧,1个子帧分成8块具有85 bit的比特块,每块的第一个比特是开销比特,其他84 bit用于传送净荷。所以一个复帧有56个开销比特。包复用模块产生的码流是MPEG-2的TS流,因此需要一个DS3成帧模块以实现到SDH网络的适配。DS3成帧模块的实现框图如图5所示。在一个复帧的开销比特中,除奇偶校验比特外,其他开销比特在特定的网络环境中一般都是固定的,所以单独计算奇偶校验比特。复帧内的各比特块以及各比特的确定主要靠2个计数器来实现,一个用来指示比特块,范围是0~55,一个用来指示比特块内的每个比特,范围是 0~84。通过这2个计数器可在适当位置插入开销比特和净荷数据,从而完成到SDH网络的适配。  


  
系统软件的设计主要完成人机交互程序,从按键式控制面板中获得用户提供的参数并提交给适配器模块,同时控制LCD来提供系统的反馈信息和报警信息。系统控制部分的流程如图6所示。  

4 测试结果与结论  

利用码流发生器、DTMB调制器、数字机顶盒、电视机搭建了一套测试系统。码流发生器产生的码流首先输入单频网适配器,对输入码流进行MIP包插入等处理再送到DTMB调制器,输出到接收机顶盒进行解调译码。测试结果表明,调制器能正确检测出单频网适配器插入的MIP包,能根据MIP包内容调整工作模式,如FEC码率、保护间隔和调制方式等。对DTMB的33种传输速率都进行了测试,表明单频网适配器支持全部传输速率,调制器能识别所有工作模式。同时,机顶盒能正常接收解调并输出视频图像,未见停滞、马赛克等现象。对单频网适配器输出端码流的PCR 特性进行测试,表明码流重组和PCR校正正确,完全满足MPEG-2的接口规范。  

本文介绍了一种基于Nios II的DTMB单频网适配器的设计方案,实现了MIP包插入、传输速率适配和PCR校正等核心功能,支持DTMB标准的全部33种净荷速率,对内部算法拥有完全的自主知识产权。同时,设计时预留一个以太网接口,以方便用户通过以太网口控制单频网适配器的工作模式。
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