關(guān)于基于CPCI的有線(xiàn)數字電視信號監測系統

［摘要］文章針對有線(xiàn)數字電視信號的傳輸特點(diǎn)，應用CPCI架構技術(shù)搭建有線(xiàn)數字電視信號傳輸的質(zhì)量監測系統，以解決在PCI架構的監測系統遇到的難以克服的問(wèn)題，更好地提升系統性能。文中著(zhù)重闡述構成監測系統的各個(gè)模塊的功能和具體的實(shí)現。詳細介紹無(wú)視頻、無(wú)音頻、圖像靜止、黑場(chǎng)、彩條等異態(tài)視音頻的判別方法。 ［關(guān)鍵詞］ CPCI；嵌入式；音視頻監測；TS流；編碼解碼；POWERPC；FPGA

一、引言 隨著(zhù)全國各地廣播電視有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數字化整體平臺的轉換，有線(xiàn)數字電視信號已進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，如何保障節目信號的安全傳輸，是廣電網(wǎng)絡(luò )傳輸部門(mén)和廣電監管部門(mén)必須要考慮的事情，建立一套運行穩定、及時(shí)準確、高效率的監測系統勢在必行。 目前，我國在對廣播電視信號監測方面還廣泛采用的是PCI架構的通用工控機與Windows操作系統以及測量板卡組建的專(zhuān)用監測系統，這樣的系統存在如下問(wèn)題： 1.Windows操作系統的安全漏洞、內存溢出等問(wèn)題。 2.通用硬件的穩定性、可靠性不能夠滿(mǎn)足長(cháng)期全天候運行。 3.系統硬盤(pán)長(cháng)時(shí)間工作反復讀寫(xiě)對硬盤(pán)的機械磨損容易損壞磁盤(pán)。 4.IPC機的硬件和軟件冗余使系統效率低、可靠性差、功耗大。 5.IPC機內的功能板卡不支持熱插拔，維護時(shí)，必須要關(guān)機。 為解決PCI架構存在的缺陷，當前的發(fā)展趨勢是采用CPCI架構研究方向發(fā)展。 采用標準的CPCI架構，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.CPCI開(kāi)放的總線(xiàn)技術(shù)，有利于各類(lèi)系統集成，可以隨時(shí)增加具有不同功能的板卡放入一套機箱。 2.拋棄IPC傳統機械結構，改用可靠的歐洲卡結構，改善了散熱條件，提高了抗振動(dòng)沖擊能力，符合電磁兼容性要求。 3.靈活的連接方式，2mm密度的針孔連接器，具有氣密性、防腐性、可靠性、高負載能力。 4.高效的熱插拔技術(shù)，在系統運行沒(méi)有斷電的情況下，插拔功能模塊板，而不破壞系統的正常運行。 CPCI所具有高開(kāi)放性、高可靠性、可熱插拔的特點(diǎn)，使該技術(shù)除了可以廣泛應用在通訊、網(wǎng)絡(luò )、計算機、電話(huà)整合，也適合實(shí)時(shí)系統控制、產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)數據采集、軍事系統等需要高速運算、智能交通、航空航天、醫療器械、水利等模塊化及高可靠度、可長(cháng)期使用的應用領(lǐng)域。由于CPCI擁有較高的帶寬，它也適用于一些高速數據通信的應用，包括服務(wù)器、路由器、交換機等。 現在超大規模的集成電路飛速發(fā)展，嵌入式計算機的應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，構建基于CPCI嵌入式系統具有體積小、結構緊湊、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 嵌入式系統采用模塊化的設計思想，根據有線(xiàn)數字電視信號監測系統功能及其應用環(huán)境的特定要求，制作各種特定功能的板卡，安裝在機箱內，通過(guò)CPCI總線(xiàn)與主板相連，完成系統功能。 二、廣電有線(xiàn)數字電視傳輸信號特點(diǎn) 目前我國數字有線(xiàn)電視系統采用DVB-C標準。在前端編碼器將各種設備輸出的視音頻信號按照MPEG-2的編碼標準，對A/D輸出信號進(jìn)行壓縮編碼，送入復用器完成多套節目的復用，通過(guò)QAM調制，形成TS流或PS流 。在一個(gè)8MHz電視頻道內傳輸多套（目前國內采用QAM64調制方式，最多包含8套）數字電視節目。 TS流中業(yè)務(wù)信息具有特殊重要作用，它關(guān)系到嵌入式監測系統的頻道調諧、節目選擇和定位、電子節目指南、解碼。 三、系統技術(shù)原理 （一）原理框架圖（圖1） （二）功能模塊原理分析 本方案由四部分組成，分別是：有線(xiàn)數字信號接口模塊、碼流分析模塊、解碼模塊、編碼模塊。 1.有線(xiàn)數字信號接口模塊 該模塊主要由調諧器（TUNER）和CAM卡及各種內部總線(xiàn)組成。 基本原理：調諧器接收射頻信號并下行變頻為中頻信號，接收的射頻信號的頻率是碼流分析模塊控制設定要接收的頻率。碼流分析模塊中的CPU（PowerPC）通過(guò)外部總線(xiàn)與FLASH、SDRAM相連，從FLASH中讀取應用程序指令，如給調諧器設置頻率指令，然后從SDRAM讀取所需的數據，如頻率參數，通過(guò)I2C總線(xiàn)控制調諧器。調諧器輸出的中頻信號，通過(guò)QAM解調成TS流，送入CAM卡專(zhuān)用芯片，得到解CA的TS流。CAM卡芯片通過(guò)PCI總線(xiàn)與碼流分析模塊的PowerPC處理器連接。 解CA的TS流通過(guò)并行數據總線(xiàn)輸入到解碼模塊的8塊解碼芯片，完成一個(gè)頻點(diǎn)的8套節目PES流的分離。 2.碼流分析模塊 該模塊主要由CPU、FPGA、FLASH、SDRAM及各種內部總線(xiàn)組成。 FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。FPGA的基本特點(diǎn)： （1）采用FPGA設計ASIC電路(專(zhuān)用集成電路)，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 （3）FPGA內部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。 （4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開(kāi)發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。 （5） FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說(shuō)，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。 碼流分析模塊的主要任務(wù)： （1）通過(guò)執行應用程序給調諧器設置頻率，并讀取調諧器的數據有：翻轉狀態(tài)、該頻點(diǎn)的電平值、QAM類(lèi)型、符號率、制式等。 （2）讀出CAM卡的模式（有無(wú)）。 CAM卡座可以同時(shí)插2塊CAM卡，碼流分析模塊可以讀出CAM卡的使用數量及卡的位置。 （3）調諧器輸出的一路TS流進(jìn)入FPGA，為了精確分析碼流必須打上100MHz的計數時(shí)鐘，得到TS流的PID包間隔，使PCR（解碼時(shí)鐘基準）的抖動(dòng)消除、延時(shí)得到修正。 （4）碼流分析是此模塊最主要的任務(wù)。在MPEG-2的TS流中，可以包含多個(gè)節目，每個(gè)節目又可以包含多個(gè)基本碼流，基本碼流和其他的控制數據等都被打成固定長(cháng)度的包，每個(gè)包都有一個(gè)包識別符（PID）。MPEG-2用節目特定信息（PSI）來(lái)傳送節目和PID之間的相互關(guān)系。PSI必須以一定的頻率不斷發(fā)送。PSI使用4個(gè)表來(lái)定義碼流結構，分別是：節目關(guān)聯(lián)表PAT、節目映射表PMT、網(wǎng)絡(luò )信息表NIT、條件接收表CAT。在監測方面， PAT和PMT表特別重要。PAT表的PID號為“0x00”，它包含了與多路節目復用有關(guān)的控制信息，用于指出TS流中包括哪些節目，每個(gè)節目的編號及相應的PMT的位置PID＝0xXXXX，同時(shí)還提供網(wǎng)絡(luò )信息表（NIT）的位置。PAT丟失將導致接收端無(wú)法解碼TS流的任何節目。PMT完整地描述了一路節目是由哪些PES組成的及它們的PID號，如：某一路視頻PES、音頻PES、PCR的PES。PAT和PMT在傳輸過(guò)程中是不加密的。對TS流的分析可作如下簡(jiǎn)述：首先從TS流中找到188B，包頭占4B，包頭中的同步字節為0x47的TS包，再從此包中找出PID＝0x00的PAT表，PAT含有每套節目相對應的PMT的PID，查找到對應的一套PMT里的視頻PID、音頻PID、PCR的PID ，最后可以分析出對應視頻流的基本數據：Aspect、Size、FRate、BRate等；音頻流的基本數據：Layer、BRate、Freq。