基于FPGA和处理器实现单频网适配器的应用方案

作者：熊伟，王军，彭克武，潘长勇

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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