基于FPGA和RTOS的嵌入式码流分析设计方案

　　针对传统数字视频广播系统码流分析仪价格昂贵、使用不方便的问题，本文提出一种性价比较好的补充设计方案，它以通用的FPGA和RTOS为基础、基于嵌入式硬件平台来实现码流分析功能。文中还阐述了码流采集、码流分析和信息显示等多项关键技术。

　　码流分析仪可用作数字电视设备的调试工具，如检测MPEG编码器、复用器、调制解调器等设备的输入输出码流是否符合MPEG-2/数字电视广播(DVB)标准等。作为标准检验设备，码流分析仪是整个数字电视系统的不可缺少的重要设备。实际使用中的数字电视集成系统是一项庞大、复杂的系统工程，从前端到后端，无论哪个环节出了差错，都将导致整个系统的瘫痪，为了迅速有效地找出故障源，需要在各测试点使用码流分析仪。如图1所示，可以在测试点1-4插入码流分析仪，组成对传输(TS)码流互联层的监控、测试和报警。



　　国外码流分析仪的研究工作开展比较早，在MPEG-2标准制定的同时，就有码流分析仪问世，惠普、WG、RS和泰克等公司都推出了各自的码流分析仪。这几家公司的产品各有特点，而其核心都是基于PC硬件平台。虽然性能较稳定，但产品价格均比较昂贵，操作不便。随着应用范围和规模的扩大，在一个应用场合下，可能会需要对较多的测试点进行长时间的实时码流分析、监控、系统信息采集和报警管理工作，昂贵的基于PC的测试设备显然无法满足这种要求。

　　为了解决这一缺陷，国内外主要生产厂商都转向选择在便携式工控机上开发。便携式工控机虽然没有复杂的外设连线，但是也存在设备体积较大和硬件成本昂贵，功能受限于PC硬件和操作系统平台稳定性等问题。另外，市场上还有一种手持式的测试仪，有较好的移动性，但是也无法满足以较低的成本完成实时监控的要求。针对中国目前的应用现状和发展状况，我们提出以通用的FPGA和RTOS为基础、基于嵌入式硬件平台的设计方法，该模块可以实现稳定和长期的可靠工作，具有很好的性价比，可以在现实应用场合广泛应用。

　　码流分析功能设计

　　功能设计将完全符合以下标准：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)。

　　作为一种测试仪器，无论是软件还是硬件都要保证稳定可靠。同时考虑采用网络通信技术，容许用户通过任何一台计算机的网络浏览器访问图形化的用户界面，将码流分析结果以最直观的方式显示给用户。嵌入式测试设备的设计目标根据实际需要提出，设计目的是TS码流系统监测设备，在操作和使用的问题上要方便，故障的监测和定位要快速准确，模块化的设计要求结构紧凑，接口简单。针对这种需要，设计目标至少要实现以下功能：

　　1．对码流数据进行同步字节提取和包序错误检查，并进一步对数据根据ETR290标准进行三个优先级别的语法错误的检查；对数据流进行实时监测，及时纪录出错的时间和错误的情况；同时还可根据用户的需要制订硬件触发模式，选择不同的监测项目。

　　2．实时统计各路PID的当前带宽占用情况，当前的TS包的总数量和传输码率。

　　3．将TS包中的PSI/SI信息提取并拼接成段,分析段头部的信息并存储在特定的数据结构中。

　　4．提取TS流中的PCR信息，计算其传输的间隔，同时作PCR抖动的分析，出现错误及时报错。

　　5．从PES 段中提取PES头信息以及各路视音频的基本信息。

　　6．分析视音频数据，根据TS流中的PCR、PTS和视音频数据来分析其解码时各路视音频传输流标准目标解码器中缓冲器模型的情况，当缓冲器出现排空和上溢的错误时及时报错。

　　这些功能将满足运营环境的现场监测要求。实际应用中这些分析的结果需要以某种方式提交给用户观察。因此，以下的信息显示是必须的。

　　1．基本信息：主要向用户提供关于TS流的最基本的信息，如TS流的传输速率、同步错误、TS包长度、视音频比例、PSI表的简要信息等。

　　2．实时监测：本界面按照DVB ETR290标准规定的3级检错内容而设计。

　　3．节目信息：显示描述一个节目内容的PMT、SDT和EIT的具体信息。

　　4．带宽信息：基于PID的带宽统计信息。

　　5．复用结构：TS流中最基本的节目复用信息。

　　6．PSI/SI信息：将2进制形式的PSI/SI信息翻译成文字，以树的形式显示，TS流的层次结构一目了然。

　　7．PCR分析：分析PCR传送的间隔和抖动。

　　硬件结构

　　如图2所示，本设计方案选用Altera公司的FPGA――根据实际的设计容量可以选择具体的型号和系列。这里我们将讨论输入输出、过滤逻辑和控制系统的设计思想。