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基于SOPC的数字电视码流分析系统

杨秀芝; 陈建; 王玉欣| 码流分析系统,SOPC技术,数字电视| 2010-11-05
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中心议题
    * 提出了一种基于SOPC的数字电视码流分析系统
    * 给出了设计方案
解决方案
    * 码流检测主板采用FPGA硬件逻辑及内嵌软核
    * 上位机分析软件作为检测主板的功能扩展


在数字化和信息化时代
,用户对高品质视听生活的不断追求正加速推动着模拟电视数字化进程,数字电视正日益成为现代电视系统的主流.数字电视系统是一项庞大、复杂的工程,从制作、播出到传输,无论哪个环节出错,都将导致整个系统的瘫痪.为了迅速有效地找出故障源,解决问题,需要对码流进行检测.码流检测设备已成为数字电视系统在开发和运行中不可缺少的调试工具和监测仪器.随着EDA(电子设计自动化)ASIC(专用集成电路)技术的融合发展, ASICFPGA之间的界限日益模糊.系统级芯片不但包含微处理器、存储器等通用模块,也集成了FPGA,即所谓的SOC(片上系统). SOPC技术是采用大规模可编程逻辑器件来实现SOC的有效途径. SOPC技术主要面向单片系统级专用集成电路设计,将整个电子系统集成在一块芯片上,实现软硬件在系统可编程、可裁减、可升级. SOPC技术的出现,EDA的发展推向一个新阶段,也为数字电视相关设备的研制提供了有效的技术支持.

1 方案

从现有的码流分析仪的构造角度出发,可分为以下3大基本类型:①方案1:采用工控机箱++TS采集卡,相当于一台普通计算机内插一块TS采集卡,可对码流进行实时分析,也可将采集的码流保存在硬盘上以便于离线分析;②方案2:采用USB接口的TS采集卡,将分析软件安装在计算机上, TS采集卡将所采集到的TS流通过USB接口送入计算机, TS流的分析在计算机内完;③方案3:TS采集卡和相关必须的硬件软件集成在一个小盒子内,该仪器预留以太网口与计算机连接,码流分析的全部工作在仪器内完成,操作人员可在计算机上用Web浏览器登录到仪器进行分析,并将分析结果在计算机浏览器上显示.

方案1依赖PC端的上位机软件进行码流分析,软件成本较低,升级方便;但需要有特定配置的机箱(TS采集卡插槽的主机),切换到不同主机上使用时很不方便,且检测性能受PC机本身性能影响较大.方案2使采集卡同计算机以及软件相分离,可大大降低使用成本,操作和切换主机十分方便;但检测性能还是受制于PC机性能,实时性较差.方案3将软硬集成在一个小盒中,检测速度主要取决于所选器件,不受PC机性能影响,盒内的硬件模块主要完成数据的实时采集,分析和控制则由软件模块完成,因此对软硬件的性能要求较高.

本设计吸取了以上3种方案的长处,采用“码流检测主板+PC端上位机分析软件”的组合形式,二者通过局域网进行通信.其中,码流检测主板基于可编程片上系统,在一块芯片上完成实时码流的采集和信息提取,即使未连上网络,也能直接进行码流基本信息的分析和显示.主板的控制面板包含按键和液晶屏,可通过按键控制液晶屏切换到感兴趣的页面,以便随时观察码流信息的更新,其优点是实时性好.对于码流中更新频率较低的信息无需实时检测,可传给后台上位机软件进一步分析和显示.上位机分析软件是一个独立的系统,无需消耗硬件资源,可以设计成一个功能强大的码流分析系统,能更详尽地分级显示各层次的码流信息,既可检测PC机上的静态码流文件,又能对从检测主板传来的动态码流信息进行解析.由于静态码流文件及后台软件都是基于PC平台上,不可避免受PC机性能的影响.而实时码流已通过检测主板滤除无用信息,上位机软件只需对保留的关键信息进行检测,大大减轻上位机软件的检测负担,相对于前三种用PC端软件直接分析原始码流的方案要快得多.

目前国际上通用的数字电视传输标准有欧洲的DVB、美国的ATSC、日本的ISDB,最流行的编码标准有MPEG-2MPEG-4H. 264,我国也提出了具有自主产权的地面传输标准DTMB-T和信源编码标准AVS.虽然各国的数字电视标准各不相同,但是在系统层都采用MPEG-2标准及其扩展,为了节约硬件成本,码流检测主板仅对MPEG-2/PSI信息进行基本分析,而把种类繁多、信息量较大的SI信息交由上位机软件进行分析.

2 设计

系统采用软硬件相结合的设计思路,对实时性要求较强的模块,如实时码流的基本错误检测,数据采集及关键信息的提取,由硬件完成;软件则进行信息分析,交互控制,网络通信,和界面显示等.

2.1 流检测主板

码流检测主板是本系统的核心部分,需要兼备高速采集、数据分析和信息转发的功能.传统思路一般采用硬件+软件的组合,CPLD+DSP, FPGA+ARMFPGA+单片机等方式.近年来,大规模可编程逻辑器件的规模和功能日益强大,内部嵌入了RAMPLLDSP模块,有的还包含硬核CPU,能将内部资源灵活配置成复杂的数字逻辑、软核CPU或其他特殊单元.本系统仅采用单片FPGA就能完成基本的软硬件检测任务,相对于传统思路,不但具有高速可靠,软硬件可编程的优点,还节约了成本,减轻了布板难度.

根据以上分析和资源预估,检测主板选用Altera公司的DE2-35开发板,主芯片为EP2C35F672C6N,约有33个逻辑单元,相当于200万门,足以完成码流分析的功能;板上配有512k SRAM8M SDRAM4M FLASH等片外存储芯片,NiosII软核提供足够的编程和存储空间;还配有多个按键、开关、LEDLCD、数码管等常用外设,用于控制和信息显示;板上的网络接口和RS232接口模块,方便了FPGAPC机的通信;另有2GPIO插槽,可留作输入和输出ASI接口板的插槽.

该部分按照软硬件功能,可分为基于FPGA的实时码流信息提取和基于Nios II软核的码流基本信息检测两个子模块.

2. 1. 1 基于FPGA的实时码流信息提取

如图1所示的实时码流信息提取框图,输入码流由ASI接口板进入FPGA内部,转换为并行码流后, 经过同步检测和FIFO缓存后,分别进行PSI/SI及其他数据信息的提取,并定时将测得的信息存储在相应的片内存储器上,以供NIOSIICPU提取.其中,硬件逻辑控制器是该模块的主控模块,控制硬件逻辑各子模块的正常运行,协调硬件逻辑和NIOSII软核之间的通信.另外,该模块还能完成一些简单的报错指示,如同步检测、CRC出错、码率溢出等,并通过不同的LED指示灯显示.

图1 基于FPGA的实时码流信息提取

 

2. 1. 2 基于Nios II软核的码流基本信息检测

利用FPGA内部资源定制的NIOSIICPU及所有外设都挂载在Avalon总线上的.外设组件包括AlteraSOPCBuiler中提供的标准组件PIOUARTSDRAM、三态桥、FLASHEPCS控制器等,还有与FPGA硬件逻辑交互的自定义接口、网络接口、SRAM控制器等用户自定制逻辑.其中, NiosIICPU是该部分最核心的模块,所有的软件程序都在该CPU上运行,它控制Avalon总线上所有外设的工作,既能与FPGA硬件逻辑进行交互,又能通过网络接口与PC端的上位机软件通信.

NiosII软核配置成UCOSII多任务实时操作系统,可以完成码流关键信息的分析,按键控制、LEDLCD的指示,FPGAPC机的通信等任务.由于带操作系统的软核需要较大的数据和指令存储空间,故一般把软件代码的运行和复位地址设在外部存储器上.综合考虑性价比, NiosII软核上仅检测各种数字电视标准传输流所公有的基本PSI信息,而对于SI信息只做提取,并交由上位机软件分析.基于NiosII的实时码流PSI信息分析的总体流程如图2所示,先进行同步检测,然后按包读入内存,分别进行PATPMTCAT的分析及信息显示.

图2 PSI分析的总体流程

2.2 上位机分析软件

上位机分析软件的编程采用面向对象的C++语言,开发工具选择目前最流行的VisualC++,具有良好的编译和调试环境,并提供各种常用及专用控件,方便上位机软件交互界面的设计.该分析软件的总体工作流程如图3所示.

图3 基于VisualC++的上位机分析软件

首先选择离线或在线码流类型,不论输入的是静态码流还是实时码流关键信息(PSISI及数据包),都是以TS包格式装载,故可按包读入缓存,分别进行PSISI的分析,然后将各种信息以树型格式分类显示在软件界面上.为了获得更详细的实时码流信息,可通过交互方式传达命令给FPGA,令其将感兴趣的其他信息提取给软件模块,进行更深入的分析.

传输流中携带许多系统信息,由于篇幅所限,这里仅给出PATPMTCAT的分析流程,如图4所示.

图4 PSI分析的具体流程

 

3 验证

为验证设计的可行性,1个包含两套节目的实时流作为输入码流,测试系统对传输流PSI信息的分析效果,包括码流检测主板和上位机软件两部分的测试.

码流检测主板采集实时码流数据,提取PSI信息并进行CRC校验,然后分别对PATPMTCAT进行简要分析.5展示了通过NIOSIIJTAG调试窗口打印出的基本信息分析结果,TS流包含1PAT2PMT0CAT, 2套节目的Program_numPMT_PID分别为0x00010x00100x0002,0x0020, PCR及视音频PID分别为0x00110x00110x00140x00210x00210x0024.实际设备中这些信息将通过液晶屏分层分页显示,当改变输入码流或改变PSI/SI的发送间隔(PSI/SI发送间隔时间一般小于0. 5 s)后进行检测时,可立即在液晶屏上观察到更新的码流信息变化,达到实时刷新的效果.

图5 基于NIOSII的PSI分析

6是上位机码流分析软件解析的码流关键信息.由于上位机软件无需考虑资源消耗,可以更详尽地显示PSI信息,能具体看到PATPMT的表头信息table_id, section_syntax_indicator, section_length, vertion_number, current_number, last_section及循环描述子等字段,未检测到CAT.由软件检测结果可知,两套节目PMTProgram_numPID,以及各套节目的PCR_PID、音视频PID,与码流检测主板的分析结果统一,也与标准码流分析仪的检测结果吻合.因此,采用该方案设计的码流分析系统是正确可行的.

图6 上位机软件的分析结果

其次,通过输入多种类型的TS,检测本系统的性能.将由卫星接收机收到的多个频点的不同码率的TS,经过多路复用器复用后的多节目TS,以及自制码流发生器发送的各种大码率测试流分别接入本系统,均能在测试码流的最小PSI/SI发送间隔内正确检测到关键信息.目前国内大多数厂家推出的码流分析仪所支持的ASI输入最大码流速率约在160~210MHz,该系统能支持的最大输入码率接近270Mb·s-1,达到ASI信号的最大传输码率.不论从检测速度,还是从可支持的码率来看,性能都不低于标准码流分析仪.

4 结语

SOPC技术应用于数字电视码流分析系统,具有实时好、性价比高、易升级、易剪裁、使用方便等优点.其最终产品包括码流在线检测样机和分析软件两部分,既可以自成系统,独立工作,分别实现传输流的实时检测和离线码流文件的解析,又可以通过局域网连成一整套功能较完善的码流检测系统,便于用户选购.


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