双E1接口的MPEG2码流传输卡的设计与实现

MPEG2码流传输卡的设计与实现上海交通大学自动化系薛祥川徐王景陈卫东摘要:本文介绍了一块基于PCI 总线的符合欧洲数字广播系统DVB标准的MPEG2码流传输卡的设计与实现方法。

利用该卡与相应的软件配合可以满足多种场合下MPEG2码流发生、传输、分析和存储的不同需要。

关键词: PCI；MPEG2；DMA；DVB-ASI；DVB-SP；FPGA引言MPEG2码流传输卡主要是针对实时传送分析及存储MPEG2传送流(Transport Stream，简称TS码流)而设计的产品，适用面宽，用途广泛。

该卡与不同的上层软件配合能够以低成本实现多用途码流发送接收设备，可以构成的产品有：实时TS码流发生器、实时TS码流分析仪、TS码流复用器、TS码流存储设备以及TS码流转发器等。

相比国外的产品，该卡可设定的码流速率范围宽，并且任意可调。

许多场合可以直接替代国外价格昂贵的MPEG2码流分析仪器。

图1 硬件组成框图图2 JTAG加载模式图图3 NCO寄存器写入时序图4 DVB-ASI发送方式时序图图5 同轴电缆ASI接口链路流程图图6 DVB-SP1接口定义硬件设计系统硬件设计见图1所示，该图表示了各芯片之间的连接关系。

下面对主要硬件在本设计中的功能进行说明。

PCI桥PCI桥芯片是板卡内部总线与PCI总线接口的桥接芯片，这里选用的是PLX公司的PLX9054，该芯片符合PCI总线V2.2标准，内部具有DMA控制器，可以在MASTER和SLAVE方式工作，进行DMA操作时不占用系统CPU资源。

在该设计中用它的目的是建立计算机和该卡之间的联系，系统在上电后首先识别该芯片，然后根据要求分配给该卡所需的计算机操作系统资源，操作系统为其在内存中分配所需的空间映射地址和范围，从而建立与操作系统的联系。

该芯片与PCI总线连接的称为PCI侧，另一端提供给用户使用的称为LOCAL侧，提供的是与各种CPU或者DSP接口的通用总线形式。

Mpeg2编码器技术文档本方案为符合MPEG-2/DVB 标准的广播级高品质数字压缩编码设备开发方案，可对模拟/数字视频和音频信号进行数字压缩处理,通过DVB 标准的ASI 接口与其它设备互联互通。

可通过系统控制台或本机控制按键方便的进行系统参数设置，紧凑的尺寸和低码率性能，使之在节目覆盖/传输系统、数字电视平台及监测系统的节目接收/解码部分广泛应用。

其特色是视频音频编码全部使用DSP 实现，避免了对专用芯片的依赖，同时各项指标完全达到了广播标准。

1.硬件框图数字音视频模拟音视频LCD 按键ASI 输出网管控制端口LCD 屏幕LED 指示灯图1.1 ：Mpe g-Ⅱ视频编码器硬件原理图硬件设计兼顾扩展性通用性与当前项目的特定要求，综合考虑了实现复杂度与尺寸的限制，硬件由主体的DSP 板和一块接口扩展板组成。

视频采用模拟复合视频（CVBS ）/S-Video/SDI （内嵌数字音频）接口，音频采用模拟平衡或非平衡音频接口，数字音频（AES/EBU ）接口，支持双路立体声或4个单声道，采用DVB 标准的ASI 接口，4个E1捆绑接口，100/10bBase-T 以太网接口，支持SNMP 网管控制，方便远程维护与升级。

DSP 板主要由一块DM642、一块ARM9和一块FPGA 构成，如图1.1所示。

ARM9负责上电后的系统配置、接收控制命令、与外部的数据通讯以及控制DSP 。

DSP 板上还有一块FPGA ，用来增强ARM9与外部的通讯功能，ARM9 通过该FPGA 控制LCD ，扩展外部接口等。

扩展板接口板通过FPGA 与ARM9通讯，主要是为接入一路视频输入或输出，也可以扩展其它数据接口。

2.软件架构系统软件由DSP与ARM的软件组成。

DSP负责核心的视频编码算法，ARM负责数据通讯和系统控制，DSP采用DSP/BIOS核完成实时多任务调度。

图2.1是DSP的软件架构，并指出了应用层主要任务间的数据流向。

文章编号!"##$%&#’()*##+,#’%#’"-%#+新型./01*码流合成系统的设计与实现徐燕凌2周源华2方向忠)上海交通大学图像通信与信息处理研究所2上海2*###’#,摘要!根据数字电视发展的要求2设计实现了一种新型的./01*码流合成数字电视发端系统2可将视音频的信源编码与复用集成为一体3本文讨论了视音频打包与复用的关键技术2包括时序匹配2复用时序与逻辑2码流合成以及缓存控制等3该系统改进了时钟匹配与音视频同步方案4基于复用器产生音视频时间标签2并同步送给音频编码器与视频编码器4复用器采用新型的级联结构来完成多节目的复用与再复用2无需对时钟参考值的抖动进行额外的校正4采用56/与7/18联合构建节目特定信息和包结构2节约了存储空间4改进了/06打包单元的缓存逻辑与码流的输出缓存控制3测度显示该系统结构灵活2性能稳定2码流的各项指标均达到国家广播级要求3关键词!视频4音频4复用4合成4码流中图分类号!9:&"&;-文献标识码!8收稿日期!*##$%#<%*+4修订日期!*##+%#+%"*=>?@A BC B DE F G H >F >B I C I @J BK J L MN O P *Q I L >C F Q R B I S >?@?Q R ?I >FT U V W X %Y Z X [2\]^U V _W X %‘_W 2a b cdT Z W X [%e ‘f X [)g h i j k j l j m n o g p q r m s n p p l h k t q j k n hq h ug h o n v p q j k n h/v n t m i i k h r26w q h r w q k x k q n j n h ry h k z m v i k j {26w q h r w q k 2*###’#2s w k h q,|}?I L C ~I !8t t n v u k h rj nj w m v m !l k v m p m h j n o j w m 59"u m z m #n $p m h j 2j w m i t w m p m k i u m i k r h m uo n v q h n z m #./01*i j v m q p t n h i j v l t j k n hi {i j m p k h j m r v q 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r"n #’*#:n ’’6m $’*##+万方数据量!同时有利于更好地做到音视频同步"#标清编码系统方案设计标准清晰度数字电视编码与复用系统方案如图$所示"音频输入接口支持模拟音频输入以及符合%&’(&)*+%,-./012.1003.124/5.067(0,3/890:1;3/:-5:46.12,1./1<标准的数字音频输入"视频源信号可以是数字的’=>+’03.:?-.2.6:?.160385/11056<视频信号!也可以是模拟的@A)’+@/B89/4.60C.-0/;:40;:1-4.21:?<复合视频信号"辅助数据接口支持D’E F G与以太网输入"传输流的输入与输出提供=A)8’H>+’715I3/1/,49:3:??0?.16038 J:50<与=A)8%’>+%4715I3/1/,49:3:??0?.16038 J:50<接口"以上的输入输出接口均可根据用户设置自由配置"该系统可以对输入的视频与音频信号进行>’K(>&@$L F$F8M NH O NP视频压缩Q L R和>’K(>&@$L F$F8L?:703>>音频压缩Q E R!并完成对多路输入码流的节目复用"图$NH&S M编码与复用系统方案时钟同步与节目复用是数字电视系统设计的关键问题"本文改进了时钟匹配与音视频同步方案!并对视音频打包与复用的关键技术!包括时序匹配!复用时序与逻辑!码流合成!缓存控制等提出了新的解决方案"T码流合成的设计与实现T U#时钟匹配与同步为了描述编码数据中各个部分之间的定时关系!NH&S M V’定义了一个理想的时间模型WW 传输流系统目标解码器+V3:149/364630:B47460B 6:3206-05/-03!V8’V=<!用于确定音频单元与视频单元之间解码与显示的同步关系"系统目标解码器所定义的时间关系通过在码流中嵌入两类时间元素WW时钟参考值与时间标签来实现"+$<时钟参考值的产生V’系统层提供H@D作为时钟参考值来实现编解码操作的同步"H@D是M X NY Z系统时钟+’7460B6.B05?/5[!’V@<的采样值"当解码端检测到本地系统时钟与码流中H@D所表征的时钟不一致时!通过数字锁相环将本地系统时钟调整到与其一致!恢复并建立编解码系统统一的时间基准Q G R"H@D以一种特殊的V’包WW H@D包的包头自适应域的形式周期性地在码流中出现Q\R"为避免系统缓存过程中各字节的不同延时造成H@D抖动!H@D的插入操作在系统复用的最后阶段完成!保证在H@D域最后离开复用器的时刻!把M X NY Z 系统时钟的采样值插入到相应的字段中"为限制和减少解码端由于时钟漂移所产生的同步累积误差!复用器每隔E]B4产生一个H@D包"M X NY Z时钟与视频的扫描速度密切相关!所以本文采用由视频信号解析出的M X NY Z时钟源作为系统时钟!其他部分如音频都要由这个时钟源得到采样时钟!这样可以实现整个系统良好的同步"+M<时间标签的产生NH&S M在H&’层中设定了两个时间标签^解码时间标签+=05/-.126.B046:B9!=V’<与显示时间标签+H304016:6./16.B046:B9!H V’<"这两个时间标签用来分别标识视频流移出解码缓存进行解_$L第L期徐燕凌!等^新型NH&S M码流合成系统的设计与实现　万方数据码的时间和解码后的图像数据移出视频缓存进行显示的时间!当编码帧是"帧时#对应的$%&值即为其’%&值#’(&包中不存在$%&域!当编码帧为’帧时#’%&相对$%&有一定延时#需要在$%&上加一个偏移量得到’%&值#该偏移量的大小根据编码参数的不同计算得到#如式)*+,-.)*/0123451264+7899997:)*+式中:为’帧之间"帧的数目!当编码帧是;帧时#对于<’(=><’结构#采取和’帧相同的方式对于@A <&(><’结构#则采取和"帧相同的方式!为更好地实现音视频同步功能#本系统的$%&值由系统复用器产生#并同时送给视频编码器和音频编码器!其值与><’的结构和帧类型无关#而按编码顺序递增!复用器利用系统时钟一起产生’@B 和$%&计数值#可以灵活地调节’@B 值在码流中比’%&/$%&计数值超前的时间差#保证解码器输入缓冲区不上溢和下溢!视频单元与音频单元在接收实时送来的串行$%&数据时都需要一个同步信号!视频数据在进行压缩编码之前#先由视频输入接口模块根据"%CD C 视频格式进行解析#得到每一帧图像开始的帧同步信号!视频单元就利用帧同步信号锁存一个有效的串行$%&值#再由移位寄存器将串行E E 位$%&数据转为并行#从而可以保证其准确性和实时性!每个音频帧前均有*C 位包头信息#搜索这个包头信息#并作为一个音频帧开始的同步信号来锁存一个对应的$%&串行值#再由(’A $接收并作串并转换!F G F 复用时序与逻辑本文设计的复用器采用正码率调整#即复用器输出的传输流码率要高于输入的各码流码率之和#并采用了自适应的方法对输入视音频和辅助数据进行交织复用!复用器根据瞬间输入H ;H <内数据量的大小#自动进行输入码字比例的调整#同时利用输出H ;H <的状态进行插入空包处理!本文的复用器同时还完成对输入传输流或数据流的处理与再复用功能!复用器先根据’I %#’J%表对输入的传输流进行码流结构分析#然后根据用户设置的输出码流结构进行重新组合#并对同步信息进行相应的处理以保证码流时间信息的正确性#同时对’&;信息作相应修改以保证解码器能正常工作!本系统的节目复用器采用级联结构#可以输入上一级的传输码流#与本地产生的传输流经过再复用后生成新的传输流送出!输入的传输流包含较多的空包#本地复用器将根据码率要求及其他用户配置#丢弃部分的空包#并代替本地产生的%&包!图*中的逻辑控制与复用单元根据如下输入码流及复用器的不同状态#判定某一特定时刻所需传送的%&包的类型,)*+输入的%&包是否有效数据K ’@B 或者’&;包?)L +是否需要发送’&;包?)E +本地的视频H ;H <K 音频H ;H <是否满溢!对于输入的%&包K ’@B 包以及’&;包#由于多路节目内音频或视频的’;$可能会重复#因此进行必要的’;$映射与’&;表更新#之后将其送入输出缓存!对于输入的空包#逻辑控制单元将其丢弃#并转向处理本地的’(&流!如果有本地的’&;表需要发送#则如L G E 节所述#从对应的存储地址中读出#作必要的修改后写入输出缓存中!如果不发送’&;表#本地复用器会检查音频与视频的H ;H <的充盈度#进行本地的%&打包?如果H ;H <中没有要传送的数据)H ;H <没有达到半满+#则发送空包!主要的打包策略由$&’与H ’>I 共同完成#$&’采用%;公司的%J&E L 9M @D N 9L #H ’>I 采用O P Q P R S 公司的&’I B %I =;;#工作频率E 9>T U #系统有足够高的处理速度#加上输出缓存逻辑的控制#可以保证输入输出缓存不上溢也不下溢#使得输入%&包的相对顺序与间隔保持不变#从而不需要传统再复用器中采用的对再复用器’@B 值进行校正V W X !F G Y 复用包头与Z [\信息的插入节目特定信息’&;描述了传输流的组成结构!传统构造’&;信息表的方法有两种,用单独的B I J )B 2R ]^3I __4‘‘J43^1a +器件或者在’A $)’1^b 12332c Q 4A ^b P _$4d P _4+内构造一个*E c P 6地址K *C c P 6数据的B I J !前者使用额外的芯片#导致成本上升#并且降低系统性能?而后者将浪费大量的’A $资源#经济性不佳!本文在H ’>I 中采用@I J e B I J 结构V f X#不同的存储空间分别存放不同的包头信息以及’&;表数据等#利用$&’的定时中断服务子程序#间隔一定的时间更新’&;表数据!打包时可根据需要修改必要的值!$&’与H ’>I 联合高效运作#这样可以缓解码流合成时数据处理繁忙的压力#同时不浪费和占用过多的存储空间#有很强的灵活性!9L E 数据采集与处理第L 9卷　万方数据!"#$%&码流结构合成视频压缩编码生成的’(流)在与音频’(流复用前需要按照*’(分组结构进行*’(打包)加入开始码前缀+流的标志,-./01234+优先级信息+以及*5(675(同步时间戳等*’(头信息)再进行系统级复用8视频*’(码流结构合成的原理图如图98编码器生成的’(包数据首先进行搜头工作8根据视频’(流结构)采用每帧打成一个*’(包时)要搜索:种头数据;序列(/<=/>?/头)图像组@A .B =C B D C 3?-=./,)A E *F 头)图像*3?-=./头)并要满足一定的插入*’(包头的条件;@G F 检测到(/<=/>?/头H @9F 检测到A E *头)但不是紧跟在(/<=/>?/头后H@:F 检测到*3?-=./头)但不是紧跟在A E *头后8图9视频*’(打包原理在编码开始前)控制单元根据视频压缩参数的不同产生不同的*’(头信息和*5(值的偏移量)分别写入打包器的相应寄存器中8根据搜索到的’(头信息的不同)直接从寄存器中调用相应的*’(头数据输出)并输出锁存的75(值)以及计算得到的*5(值)然后继续输出从I J I E 中读到的’(数据)完成打包8为了保证编码输出的视频数据不丢失)在插入*’(包信息时)需将I J I E 的读信号禁止)使视频数据紧随包信息数据后面)这样一个完整的视频*’(包就打包完成了8如果其中有一次头漏检)将导致当前帧码字中K 粘贴L 了下一帧的码字)非但当前帧错)更为严重的是码流的后续帧会超前)产生帧类型连续错8如果误检了一次)则当前帧将会被误分为两个子帧)造成后续帧由于该帧的滞后而连续错帧8这种错误无法通过硬件自行恢复)所以搜头单元必须简单稳定可靠)本设计采用状态机实现此功能8为防止尖脉冲干扰而使头标志检测错误)头标志位采用及时清除方式)状态机的其他非法状态位都设计有返回逻辑8!"M 码流输出缓存控制码流输出接口控制也是决定视频压缩质量和系统稳定性的一个重要环节8为了使编码完成后的’(流数据与实时加入的*’(包头信息在时序上配合)设计中在二者之间用高速I J I E 来实现缓存)它同时还起到补偿音频通道与视频通道不同编码时延的作用8视频编码器中I J I E 的接口控制逻辑如图:所示8I J I E 的写入控制由视频编码主芯片根据I J I E 的状态反馈和码率控制算法来完成8而I J I E 的读出控制由完成打包功能的I *A N 保证8在I *A N 中通过一个读写双向监控器可以动态观测I J I E 中数据的总量8并根据其满溢程度)产生I J I E 的状态信号)通知复用器中的时序逻辑)复用器根据音视频均匀交织的前提)依据一定的控制策略)来完成使能读信号+暂停读数或恢复读数等操作8图:I J I E 接口控制!"O 总体控制与协调基于微处理器的总控制模块负责协调各个单元的功能与相互之间通信8用户可以通过友好的用户界面设定系统参数)如图像组的结构+*(J 设置+视频音频码流以及5(流的码率等8控制模块在开始编码前)根据用户设置)对视频音频编码单元的操作模式与参数进行初始化)控制开始时序)并向各编码处理器下载必要的程序代码8在系统操作过程中)控制模块可以接受用户的干预)实时改变编码与复用的参数8P 结束语本文介绍了一种新型的Q*’A 9编码复用一G9:第:期徐燕凌)等;新型Q*’A 9码流合成系统的设计与实现　万方数据体化系统的设计与实现方案!整个编码与复用系统集成在一个印刷电路板上"产品整合在一个#$的标准机盒内!系统支持数字与模拟视音频信号的处理"实时完成基于%&’()的数字电视发端音视频编码与码流合成"输出的传输流通过了罗德施瓦茨公司的%&’()*+,-标准分析仪检测"满足欧洲+,-项目的指标"经其解码后送音视频专业测试仪,%.//测试"各项指标均达到国家广播级要求!图0为该系统输出12流经码流分析后得到的其中一个节目的&34抖动情况!由图0可见"经复用器后&34抖动严格的控制在%&’()所规定的56// 78范围内!图0输出12流&34抖动分析系统的高度灵活性体现在9操作参数可以由用户灵活控制"在编码过程中可以灵活设置编码参数:采用+2&与;&(<协同运作"并用高速;=;>作缓存"来完成主要的功能"有很高的数据吞吐能力"软硬件构架可以灵活配置"并提高了整个系统的可靠性:采用软件实现打包与复用"简化了系统设计"增加了系统的适应性"可调性和可维护性增强:以软件为主"对于实现%&’()的多种规范集具有更大的灵活性"可以根据不同需要作调整:以级联的结构实现再复用"而无需传统复用器的&34校正!利用+2&的高速运算能力"还可以扩展输出码流的加扰功能!该系统已经实现了科研样机向产品样机的转化"可以用于2+1,"?+1,"+,+" +,-"+-2等领域"具有良好的应用前景!参考文献9@#A B C C2=D=E F G C E C7H I H J K7K L%&’(*)12M C E N G H J*F G C O C MI7PP I H IH M I78F K M HN7J HL K M?+1,8I H C G G J H CQ M K I P R I8H J7S@T A D=’’’1M I78I R H J K78K73K78N E C M’G C R H M K7J R8"#U U."0V W V X9V)0YV)U D@)A B J I7S B;"Z N2Z"[I7S\+D=E F G C E C7H I H J K7K L I 7C]%&’(*)H M I78F K M H8H M C I E F M K R C88K M L K M P J S J H I GH C G C^J8J K7Q M K I P R I8H J7S@T A 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数字电视MPEG-2码流解析一、方案背景随着数字电视的普及，数字码流非标的问题也越来越多的出现，这给数字电视的正常解码带来很大的困扰。

为了提高数字电视解码的可靠性，需要在测试方面建立一套非标的测试码流，来验证数字电视对异常情况的处理。

由于目前使用最广泛的数字码流仪为SFEBROADCASTTESTER，因此计划对现有的数字码流进行修改，再使用SFE加载播放来完成非标码流的模拟。

二、码流数据格式对于测试的数字码流格式，我们选择了MPEG-2TransportStream，简称TS流。

它是根据ITU-TRec.H.222.0|ISO/IEC13818-2和ISO/IEC13818-3协议而定义的一种数据流，其目的是为了在有可能发生严重错误的情况下进行一道或多道程序编码数据的传送和存储。

这种错误表现为比特值错误或分组丢失。

TS流由一道或多道节目组成,每道节目由一个或多个原始流和一些其他流复合在一起，包括视频流、音频流、节目特殊信息流（PSI）和其他数据包。

其中PSI表有4种类型：节目关联表（PAT）、节目映射表（PMT）、网络信息表和条件访问表。

PSI信息是整个解码过程中涉及到的最关键的信息。

下面给出TS流的数据结构示意图：由图可以看出，TS流是使用固定188个字节的TS包进行传输。

TS包则是由固定4字节的包头、可变长度的自适应区（可选）和包数据（净荷）构成，而TS包中的包数据（净荷）所传输的信息主要包括4种：(1) 视频、音频的PES包以及辅助数据。

(2) 描述单路节目信息的节目映射表（PMT）与描述多路节目服用信息的节目关联表（PAT）以及对CA系统所要求的条件访问表（CAT）(3) 各种业务信息（SI）表，包括强制性的网络信息表（NIT）、业务描述表（SDT）、节目段信息表（EIT）与时间和日期表（TDT），还保罗可选的业务组表（BAT）、运行状态表（RST）和时间偏移表（TOT）等。

(4) DVB数据广播信息，包括数据管道、异步数据报、同步、被同步数据流、多协议封装、循环数据、循环对象。

双E1接口MPEG2码流传输卡的设计与实现
徐璟;薛祥川;陈卫东
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】2002(000)022
【摘要】本文采用FPGA与微控制器相结合的方式,给出了一套双E1接口的MPEG2码流传输卡的软、硬件设计,该设计的特点是设计灵活、价格低廉、功能多样.
【总页数】4页(P25-28)
【作者】徐璟;薛祥川;陈卫东
【作者单位】施耐德电气公司;上海贝尔阿尔卡特有限公司;上海交通大学自动化系【正文语种】中文
【中图分类】TN4
【相关文献】
1.E1基群速率接口用于流传输时的码流分析 [J], 沈坚清
2.MPEG2码流传输卡的设计与实现 [J], 薛祥川;徐璟;陈卫东
3.MPEG2码流传输卡的设计与实现 [J], 薛样川;徐璟;陈卫东
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