基于NiosII的DTMB单频网适配器设计

1引言 作为地面数字电视的组网方式之一，单频网(singlefrequendynetwork，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-frameinitial-izationpacket)。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niosii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niosii系统中，它与niosii的接口如图2所示。 niosii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-2ts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27mhz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 根据gps接收机收到的10mhz和1pulse／s信号算出sts值，同时根据niosii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1s，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1pulse／s信号的时间间隔。同时，由于sts的值用gps的10mhz时钟计数，精度为100ns。 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85bit的比特块，每块的第一个比特是开销比特，其他84bit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。