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        基于以太網(wǎng)的單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器設(shè)計(jì)

        2012-08-10 04:43:46陳振睿王勁濤潘長勇
        電視技術(shù) 2012年19期
        關(guān)鍵詞:傳輸方式碼流示意圖

        陳振睿,王勁濤,潘長勇

        (清華大學(xué)a.電子工程系;b.清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室;c.微波與數(shù)字通信技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

        責(zé)任編輯:薛 京

        地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)有兩種主要的組網(wǎng)模式:多頻網(wǎng)(Multiple Frequency Network,MFN)和單頻網(wǎng)(Single Frequency Network,SFN)。多頻網(wǎng)模式中,相鄰的發(fā)射臺(tái)使用不同的發(fā)射頻率。與移動(dòng)通信系統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)類似,多頻網(wǎng)模式?jīng)]有充分利用現(xiàn)有頻譜資源,頻帶利用率很低。單頻網(wǎng)模式中,多個(gè)位于不同地點(diǎn)、處于同步狀態(tài)的發(fā)射機(jī),以相同頻率,在相同時(shí)刻發(fā)射相同節(jié)目。同多頻網(wǎng)模式相比,單頻網(wǎng)模式具有頻帶利用率高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、發(fā)射機(jī)功率小、便于頻譜規(guī)劃等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí),單頻網(wǎng)模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,系統(tǒng)成本增加。

        1 網(wǎng)絡(luò)適配器概述

        地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu),如圖1所示,主要由單頻網(wǎng)適配器、TX網(wǎng)絡(luò)適配器、TS流信號分配網(wǎng)絡(luò)、RX網(wǎng)絡(luò)適配器、同步系統(tǒng)、地面數(shù)字電視激勵(lì)器等部分組成。

        圖1 地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

        電視節(jié)目從節(jié)目中心通過分配網(wǎng)絡(luò)傳遞到各發(fā)射臺(tái)。常用的分配網(wǎng)絡(luò)有光纖網(wǎng)、數(shù)字微波網(wǎng)、以太網(wǎng)等,對應(yīng)著特定的傳輸格式。網(wǎng)絡(luò)適配器的作用是完成MPEG-TS碼流與分配網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。

        本文研究了使用以太網(wǎng)作為單頻網(wǎng)碼流分配網(wǎng)絡(luò),并且在FPGA開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)適配器采用多路TS碼流復(fù)用,傳輸過程中使用RS糾錯(cuò)編碼,支持“點(diǎn)對點(diǎn)”方式和“點(diǎn)對多點(diǎn)”方式傳輸,發(fā)送速率可調(diào)。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

        TX網(wǎng)絡(luò)適配器,如圖2所示,主要由TS碼流復(fù)用模塊、RS編碼模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成模塊、以太網(wǎng)MAC、模式控制模塊和時(shí)鐘處理等模塊組成。下文以2路TS碼流輸入為例,介紹網(wǎng)絡(luò)適配器的設(shè)計(jì)方案。

        圖2 TX網(wǎng)絡(luò)適配器結(jié)構(gòu)示意圖

        圖3為RX網(wǎng)絡(luò)適配器的設(shè)計(jì)框圖,實(shí)現(xiàn)與TX網(wǎng)絡(luò)適配器對應(yīng)的處理。

        圖3 RX網(wǎng)絡(luò)適配器結(jié)構(gòu)示意圖

        FPGA核心芯片采用Altera公司CycloneⅢ系列中的EP3C120F484,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器的主要功能。單片機(jī)芯片采用Silicon Labs公司的C8051F022,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器模式選擇、參數(shù)配置等控制信息的輸入功能。PHY芯片使用Broadcom公司的BCM5461SA1KPF,實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在物理層的發(fā)送功能。晶振產(chǎn)生頻率為10 MHz的信號,作為時(shí)鐘輸入提供給FPGA使用。除上述單元外,硬件平臺(tái)還包括輸入輸出接口、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、電源等部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Altera公司的開發(fā)工具Quartus II完成。

        2.1 TS碼流復(fù)用模塊

        TS碼流復(fù)用模塊,把輸入的多路TS碼流合成為1路TS數(shù)據(jù)碼流,同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)來源標(biāo)記信號,標(biāo)明TS數(shù)據(jù)碼流來自哪一路輸入信號。碼流復(fù)用模塊的輸入、輸出都是長度為188 byte的MPEG-2包。模塊內(nèi)部的讀寫操作同時(shí)進(jìn)行,處理過程沒有中斷,使得復(fù)用器能夠高速處理數(shù)據(jù)。

        2.2 RS編碼模塊

        為了保證TS碼流傳輸?shù)目煽啃?,對?fù)用后的TS碼流進(jìn)行RS糾錯(cuò)編碼。圖4是RS編碼模塊結(jié)構(gòu)示意圖。輸入TS碼流是長度為188 byte的MPEG-2包,選擇(204,188)模式進(jìn)行信道編碼。RS編碼模塊工作模式受外界輸入?yún)?shù)控制,可以選擇對數(shù)據(jù)進(jìn)行RS編碼處理,也可以直接在校驗(yàn)位進(jìn)行補(bǔ)零操作。

        圖4 RS編碼模塊結(jié)構(gòu)示意圖

        系統(tǒng)對4個(gè)188 byte的MPEG-2數(shù)據(jù)包同時(shí)進(jìn)行RS編碼,得到4個(gè)204 byte的編碼MPEG-2數(shù)據(jù)包。RS編碼核的處理速率與TS碼流的傳輸速率不一致,需要在RS編碼核前后添加FIFO(First In First Out,先進(jìn)先出)緩存進(jìn)行速率適配。為了保證數(shù)據(jù)來源標(biāo)記信號與對應(yīng)的數(shù)據(jù)碼流同步傳輸,系統(tǒng)把數(shù)據(jù)來源標(biāo)記信號也寫入FIFO緩存,進(jìn)行數(shù)據(jù)速率適配。

        2.3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成模塊

        1)以太網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

        為了減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,以太網(wǎng)采用分層結(jié)構(gòu)。不同層之間采用接口傳遞信息,相同層采用統(tǒng)一的協(xié)議。各層具有特定的功能,如表1所示。網(wǎng)絡(luò)適配器中,外部的物理層芯片完成物理層的處理,其他各層的操作都在FPGA中完成。

        表1 以太網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)功能描述

        2)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式

        TS碼流數(shù)據(jù)無法直接在以太網(wǎng)中傳播,需要轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的MAC幀格式。MAC幀的結(jié)構(gòu)如圖5所示,由8部分組成,其中前導(dǎo)碼、幀首定界符、填充和幀檢測序列4部分由以太網(wǎng)MAC模塊添加,目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、類型和數(shù)據(jù)4部分在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成模塊中得到。目標(biāo)MAC地址:接收端與發(fā)送端處于同一子網(wǎng)時(shí)配置為接收端MAC地址,處于不同子網(wǎng)時(shí)配置為發(fā)送端子網(wǎng)中路由器接口的MAC地址。MAC幀的數(shù)據(jù)部分最大長度為1500 byte,填入需要傳輸?shù)腡S碼流數(shù)據(jù)。

        圖5 MAC幀格式示意圖(單位:byte)

        網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議,IP數(shù)據(jù)包格式如圖6所示;傳輸層采用UDP協(xié)議,UDP段格式如圖7所示。

        把4個(gè)編碼后的MPEG-2數(shù)據(jù)包處理成1個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包總長度為860 byte,包括14 byte的MAC幀包頭,20 byte的IP包頭,8 byte的UDP包頭,以及818 byte的傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)由4個(gè)長度為204 byte的編碼MPEG-2數(shù)據(jù)包,4個(gè)編碼MPEG-2數(shù)據(jù)包對應(yīng)的數(shù)據(jù)來源標(biāo)記信號組成的1 byte TS編號,以及1 byte 0x00組成。

        3)傳輸方式

        RX網(wǎng)絡(luò)適配器的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包解包模塊進(jìn)行與數(shù)據(jù)包生成模塊對應(yīng)的處理,支持“點(diǎn)對點(diǎn)”和“點(diǎn)對多點(diǎn)”兩種傳輸方式。TX網(wǎng)絡(luò)適配器在以太網(wǎng)中發(fā)送數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包中包含目標(biāo)主機(jī)的IP地址、MAC地址和端口號等信息?!包c(diǎn)對點(diǎn)”傳輸方式下,只有信息完全匹配的RX網(wǎng)絡(luò)適配器能夠正確接收數(shù)據(jù),其他RX網(wǎng)絡(luò)適配器無法正確接收?!包c(diǎn)對多點(diǎn)”傳輸方式下,與目標(biāo)主機(jī)處于同一子網(wǎng)的RX網(wǎng)絡(luò)適配器能夠正確接收數(shù)據(jù),其他子網(wǎng)的RX網(wǎng)絡(luò)適配器無法正確接收。

        2.4 以太網(wǎng)MAC

        TS碼流轉(zhuǎn)換得到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在以太網(wǎng)MAC模塊中添加前導(dǎo)碼、幀首定界符、填充和幀檢測序列等部分,組成完整的MAC數(shù)據(jù)幀,輸出到外部的物理層芯片。以太網(wǎng)MAC接口如圖8所示,支持10 Mbit/s,100 Mbit/s和1000 Mbit/s三種傳輸速率,能夠進(jìn)行沖突檢測、校驗(yàn)和驗(yàn)證、雙工模式選擇等處理。

        圖8 以太網(wǎng)MAC結(jié)構(gòu)示意圖

        以太網(wǎng)MAC與物理層芯片間傳輸數(shù)據(jù)時(shí),在10 Mbit/s和100 Mbit/s模式下使用MII(Media Independent Interface,介質(zhì)無關(guān)接口),1000 Mbit/s模式下使用 GMII(Gigabit Media Independent Interface,千兆介質(zhì)無關(guān)接口)。同時(shí),以太網(wǎng)MAC通過MDIO(Management Data Input/Output,管理數(shù)據(jù)輸入輸出)接口配置物理層芯片的工作狀態(tài)。

        3 測試結(jié)果

        利用碼流發(fā)生器、TX網(wǎng)絡(luò)適配器、RX網(wǎng)絡(luò)適配器、碼流分析儀等搭建了一套測試系統(tǒng),如圖9所示。碼流發(fā)生器產(chǎn)生的碼流,通過TX網(wǎng)絡(luò)適配器處理后送入千兆以太網(wǎng),RX網(wǎng)絡(luò)適配器把接收到的碼流送入碼流分析儀,同時(shí)用計(jì)算機(jī)檢測千兆以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包。

        圖9 網(wǎng)絡(luò)適配器測試示意圖

        TX網(wǎng)絡(luò)適配器采用1000 Mbit/s的發(fā)送速率,4路TS碼流輸入?!包c(diǎn)對點(diǎn)”傳輸方式使用1臺(tái)RX網(wǎng)絡(luò)適配器,“點(diǎn)對多點(diǎn)”傳輸方式使用2臺(tái)RX網(wǎng)絡(luò)適配器。在不同的輸入碼流速率和傳輸方式下進(jìn)行測試,如表2所示,RX網(wǎng)絡(luò)適配器都能夠有效恢復(fù)出發(fā)送的TS碼流。使用WireShark軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)包在千兆以太網(wǎng)中的傳輸,無TS碼流數(shù)據(jù)包丟失。測試結(jié)果表明,通過網(wǎng)絡(luò)適配器的處理,TS碼流能夠在千兆以太網(wǎng)中有效傳輸。

        表2 千兆以太網(wǎng)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)適配器測試結(jié)果

        4 小結(jié)

        本文介紹了一種基于以太網(wǎng)的單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)基于現(xiàn)有的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),利用FPGA開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn),采用多路復(fù)用和RS糾錯(cuò)編碼,發(fā)送速率可調(diào),支持“點(diǎn)對點(diǎn)”方式和“點(diǎn)對多點(diǎn)”方式傳輸。對單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行測試,在“點(diǎn)對點(diǎn)”和“點(diǎn)對多點(diǎn)”模式下都能有效傳輸。該系統(tǒng)可以為地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的建設(shè)提供一種新的網(wǎng)絡(luò)適配方案和手段。

        [1]GY/T229.1—2008,地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)適配器技術(shù)要求和測量方法[S].2008.

        [2]楊霏,程磊.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)適配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù),2010,34(9):44-46.

        [3]熊偉.基于Nios II的DTMB單頻網(wǎng)適配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:清華大學(xué),2008.

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