基于FPGA和RTOS的嵌入式碼流分析設(shè)計方案

　　針對傳統(tǒng)數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)碼流分析儀價格昂貴、使用不方便的問題，本文提出一種性價比較好的補(bǔ)充設(shè)計方案，它以通用的FPGA和RTOS為基礎(chǔ)、基于嵌入式硬件平臺來實現(xiàn)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(shù)字電視設(shè)備的調(diào)試工具，如檢測MPEG編碼器、復(fù)用器、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備的輸入輸出碼流是否符合MPEG-2/數(shù)字電視廣播(DVB)標(biāo)準(zhǔn)等。作為標(biāo)準(zhǔn)檢驗設(shè)備，碼流分析儀是整個數(shù)字電視系統(tǒng)的不可缺少的重要設(shè)備。實際使用中的數(shù)字電視集成系統(tǒng)是一項龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從前端到后端，無論哪個環(huán)節(jié)出了差錯，都將導(dǎo)致整個系統(tǒng)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(jiān)控、測試和報警。



　　國外碼流分析儀的研究工作開展比較早，在MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)制定的同時，就有碼流分析儀問世，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(wěn)定，但產(chǎn)品價格均比較昂貴，操作不便。隨著應(yīng)用范圍和規(guī)模的擴(kuò)大，在一個應(yīng)用場合下，可能會需要對較多的測試點(diǎn)進(jìn)行長時間的實時碼流分析、監(jiān)控、系統(tǒng)信息采集和報警管理工作，昂貴的基于PC的測試設(shè)備顯然無法滿足這種要求。

　　為了解決這一缺陷，國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠商都轉(zhuǎn)向選擇在便攜式工控機(jī)上開發(fā)。便攜式工控機(jī)雖然沒有復(fù)雜的外設(shè)連線，但是也存在設(shè)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(tǒng)平臺穩(wěn)定性等問題。另外，市場上還有一種手持式的測試儀，有較好的移動性，但是也無法滿足以較低的成本完成實時監(jiān)控的要求。針對中國目前的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展?fàn)顩r，我們提出以通用的FPGA和RTOS為基礎(chǔ)、基于嵌入式硬件平臺的設(shè)計方法，該模塊可以實現(xiàn)穩(wěn)定和長期的可靠工作，具有很好的性價比，可以在現(xiàn)實應(yīng)用場合廣泛應(yīng)用。

　　碼流分析功能設(shè)計

　　功能設(shè)計將完全符合以下標(biāo)準(zhǔn)：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，無論是軟件還是硬件都要保證穩(wěn)定可靠。同時考慮采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，容許用戶通過任何一臺計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問圖形化的用戶界面，將碼流分析結(jié)果以最直觀的方式顯示給用戶。嵌入式測試設(shè)備的設(shè)計目標(biāo)根據(jù)實際需要提出，設(shè)計目的是TS碼流系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備，在操作和使用的問題上要方便，故障的監(jiān)測和定位要快速準(zhǔn)確，模塊化的設(shè)計要求結(jié)構(gòu)緊湊，接口簡單。針對這種需要，設(shè)計目標(biāo)至少要實現(xiàn)以下功能：

　　1．對碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行同步字節(jié)提取和包序錯誤檢查，并進(jìn)一步對數(shù)據(jù)根據(jù)ETR290標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三個優(yōu)先級別的語法錯誤的檢查；對數(shù)據(jù)流進(jìn)行實時監(jiān)測，及時紀(jì)錄出錯的時間和錯誤的情況；同時還可根據(jù)用戶的需要制訂硬件觸發(fā)模式，選擇不同的監(jiān)測項目。

　　2．實時統(tǒng)計各路PID的當(dāng)前帶寬占用情況，當(dāng)前的TS包的總數(shù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

　　4．提取TS流中的PCR信息，計算其傳輸?shù)拈g隔，同時作PCR抖動的分析，出現(xiàn)錯誤及時報錯。

　　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(shù)據(jù)，根據(jù)TS流中的PCR、PTS和視音頻數(shù)據(jù)來分析其解碼時各路視音頻傳輸流標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)解碼器中緩沖器模型的情況，當(dāng)緩沖器出現(xiàn)排空和上溢的錯誤時及時報錯。

　　這些功能將滿足運(yùn)營環(huán)境的現(xiàn)場監(jiān)測要求。實際應(yīng)用中這些分析的結(jié)果需要以某種方式提交給用戶觀察。因此，以下的信息顯示是必須的。

　　1．基本信息：主要向用戶提供關(guān)于TS流的最基本的信息，如TS流的傳輸速率、同步錯誤、TS包長度、視音頻比例、PSI表的簡要信息等。

　　2．實時監(jiān)測：本界面按照DVB ETR290標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3級檢錯內(nèi)容而設(shè)計。

　　3．節(jié)目信息：顯示描述一個節(jié)目內(nèi)容的PMT、SDT和EIT的具體信息。

　　4．帶寬信息：基于PID的帶寬統(tǒng)計信息。

　　5．復(fù)用結(jié)構(gòu)：TS流中最基本的節(jié)目復(fù)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，以樹的形式顯示，TS流的層次結(jié)構(gòu)一目了然。

　　7．PCR分析：分析PCR傳送的間隔和抖動。

　　硬件結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，本設(shè)計方案選用Altera公司的FPGA――根據(jù)實際的設(shè)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、過濾邏輯和控制系統(tǒng)的設(shè)計思想。