MPEG-2信道解復用器的DSP+FPGA設計
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1 MPEG-2標準簡介以及數(shù)字電視功能分析
MPEG（Motion pictures expert group）譯為運動圖像專家組，他是在ISO的召集下，為數(shù)字視頻和音頻制定壓縮標準的專家組。該組織于1994年推出MPEG-2標準。此標準分為4個文件，分別是：
系統(tǒng)層（System,ISO13818-1）描述視頻，音頻的數(shù)據(jù)復用方式和視頻，音頻同步方式。
視頻壓縮層（Video，ISO13818-2）描述數(shù)字視頻編碼方式和解碼過程。
音頻壓縮層（Audio,ISO13818-3）描述數(shù)字音頻編碼方式和解碼過程。
一致
MPEG-2運動圖像及其伴音通用國際標準在數(shù)字音/視頻領域得到了廣泛的應用。在MPEG-2中，定義了兩種形式的碼流，即傳輸流（TS）和節(jié)目流(PS)。節(jié)目流一般用于相對無錯的環(huán)境中，如交互式多媒體業(yè)務，其長度是可變的。傳輸流則用于有錯誤的環(huán)境中，如數(shù)字電視的地面廣播傳輸，其分組長度固定為188 b。傳輸流和節(jié)目流都是編碼后的基本數(shù)據(jù)流（ES）按照一定的格式打包后形成PES包，再加上一些系統(tǒng)級信息而構成。碼流的形成過程可以用圖1來表示。其中，采樣得到的視頻數(shù)據(jù)流和音頻數(shù)據(jù)流經過編碼器后，成為MPEG-2 基本流（ES），再通過打包，成為包化ES流（PES）,再經過傳輸復用器，將音頻PES，視頻PES,以及其他的數(shù)據(jù)和控制信息，轉換成MPEG2傳輸流（TS）.TS流經過信道編碼和調制之后，發(fā)送到信道中。在接收端，正好相反，經過解調，信道解碼和前向糾錯之后，再通過傳輸解復用器，分別輸出視頻PES流，音頻PES流，以及數(shù)據(jù)和控制信息，再通過視頻解碼器和音頻解碼器后，分別送入DTV顯示系統(tǒng)和音頻播放系統(tǒng)。
2 關于傳輸流以及傳輸流中幾個重要概念
傳輸流TS包的結構如圖2所示。
傳輸流由一道或多道節(jié)目組成，每道節(jié)目由一個或多個原始流和一些其他流復合在一起，包括視頻流，音頻流，節(jié)目特殊信息流和其他數(shù)據(jù)包。
首先介紹視頻和音頻PES流是如何轉換成TS流的。PES流是由視頻或音頻基本流分別打包處理后形成的PES包系列，PES包的長度是不定的。每個PES包的包頭攜帶了：
流標識(SID)由同一個ES經打包處理后得到的PES，其流標識相同。
顯示時間戳（PTS）用于視頻和音頻之間的同步控制，它指示對解碼后視頻和音頻播放的適當時刻。
解碼時間戳（DTS）用于視頻基本流解碼器和音頻基本流解碼器的同步控制，它指示對視頻和音頻基本流解碼的適當時刻基本流的速率控制信息。
由于TS包長固定為188 b，所以在打包時，PES包長若大于188 b,則對其進行分段處理，因為PES是放在TS包的有效載荷區(qū)進行傳送的，所以分段后每段大小為184 b,不足184 b的加上適應字段構成184 b，有沒有適應字段則由包頭中的適應字段控制來指示。每段加上TS包頭就形成一個TS包。
TS包包頭中各字段含義如下：
同步字節(jié)指示一個TS包的開始。
傳輸錯誤指示表示該傳輸包在傳輸過程中有無錯誤。
有效傳輸開始指示若有效載荷區(qū)傳輸?shù)氖莵碜訮ES包的數(shù)據(jù),則有效傳輸開始指示表示有效載荷區(qū)的第一字節(jié)是否為被分段的PES包的起首字節(jié)。若有效載荷區(qū)傳輸?shù)氖莵碜怨?jié)目特殊信息的數(shù)據(jù)，則有效傳輸開始指示表示載荷區(qū)第一字節(jié)是否是PSI數(shù)據(jù)起首字節(jié)的位置指針。
傳輸優(yōu)先指示表示的是具有相同的PID的傳輸包的優(yōu)先級。
連續(xù)計數(shù)器PID相同的傳輸包的計數(shù)。
此外，在TS包包頭的調整字段中，有一個重要的域PCR,即節(jié)目時鐘基準。它以固定的頻率插入包頭。在解碼端，正是根據(jù)PCR來恢復系統(tǒng)時鐘的。
PSI信息使用4個表來定義碼流的結構，分別為節(jié)目關聯(lián)表（PAT）、節(jié)目映射表(PMT)、條件接收表（CAT）和網(wǎng)絡信息表（NIT）。其中，最重要的表信息是PAT和PMT。PAT是PSI信息的根，其PID是0，表中列出了傳送碼流中所有節(jié)目的節(jié)目映射表的PID，PMT表中列出與該節(jié)目有關的所有基本碼流，如視頻、音頻和PCR及有關信息的PID。除PAT表包的PID永遠是0外，還有兩種包的PID是預留的：
?、倏瞻脕碜鞔a流填充，PID是8191。
?、贑AT包，PID值是1。所有PSI信息必須以一定的頻率發(fā)送，每秒鐘至少要發(fā)送20次。
3 信道解復用器的原理
信道解復用器位于信道調制前端，它對輸入TS流進行處理以適應該信道要求，基于MPEG-2的實時TS流信道解復用器的原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)包括碼流輸入接口、PCR校正模塊、PSI分析和重新生成模塊及用戶接口等部分。
碼流輸入接口支持ASI（異步串行接口）和SPI（同步并行接口）兩種輸入格式。輸入信號經過接口電平轉換，變?yōu)椴⑿蠺TL電平信號。輸入TS流的最大數(shù)據(jù)率可達120 Mb／s，該系統(tǒng)實現(xiàn)兩路獨立的TS流輸出，它們各自的數(shù)據(jù)率分別由CLOCK1和CLOCK2時鐘決定。其取值范圍從1.5 Mb／s到120 Mb／s。
系統(tǒng)中核心部分為2片F(xiàn)PGA和1片DSP，其中1片F(xiàn)PGA主要完成PID過濾和PCR延時補償，另外1片負責用戶接口。而DSP則負責分析TS流，根據(jù)用 戶設定分路，并生成新的PAT及PMT數(shù)據(jù)包。CLOCK1和CLOCK2來自后端信道調制器的時鐘，輸入的單路多節(jié)目TS流的內容將根據(jù)用戶的設定被分別分配到TS1和TS2，輸出碼率分別決定于CLOCK1和CLOCK2。DSP前端和后端的FIFO消除了輸入輸出碼率不同所帶來的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。27 MHz的本地時鐘用來補償輸入TS流的PCR在系統(tǒng)中所產生的延時。用戶接口通過一雙口RAM與系統(tǒng)交換相關的設定信息。下面對系統(tǒng)的幾個重要部分說明如下：
3.1 碼流分析
信道解復用器系統(tǒng)進入正常狀態(tài)工作前要完成用戶參數(shù)設定，用戶最關心的參數(shù)是輸入TS流中所含節(jié)目類型、PID號、碼率等信息。系統(tǒng)首先會對輸入的TS進行分析，從中提取出所有的節(jié)目信息，并且計算出不同類型數(shù)據(jù)包的碼率。用戶根據(jù)這些分析結果可以了解到目前輸入TS流的所有基本信息。
3.2 用戶設定
根據(jù)用戶的實際需要，輸入TS流的節(jié)目內容可以分別被指定分配到兩個輸出通道，并且允許同一個節(jié)目同時被分配到兩個通道，用戶也被允許修改PID號。比如：輸入為一個22 Mb／s的TS流，包含3個節(jié)目，每個節(jié)目又包含多個視頻、音頻等數(shù)據(jù)流。假如目前用戶有兩個輸出信道，一個為829 Mb／s，另一個為2356 Mb／s，并且用戶打算將輸入碼流中的節(jié)目1分配到信道1，節(jié)目2和3分配到信道2。用戶則可根據(jù)需要做相應的設定，解復用器系統(tǒng)將根據(jù)用戶的設定來分別為輸出TS1和TS2生成新的PAT和PMT并且將相應的視頻、音頻等數(shù)據(jù)包分配到相應的通道。用戶選擇節(jié)目時也可以只選擇該節(jié)目中的部分數(shù)據(jù)流。比如某個節(jié)目包含4個視頻流，而用戶只對其中的兩個視頻流感興趣，那么用戶在設定時可以只選擇需要的視頻流，在系統(tǒng)進入正常工作時，未被選中的數(shù)據(jù)流將被自動過濾。
3.3 PCR補償
PCR是TS流的重要部分，它的精度決定了解碼端恢復時鐘的精度，直接關系到解碼器是否能正常的工作。輸入TS流中各節(jié)目的數(shù)據(jù)包從進來到出去會在信道解復用器的FIFO內產生一定的延時，如果不對其PCR做相應的延時補償，其輸出TS流的PCR誤差將有可能遠大于協(xié)議所規(guī)定的
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