地面数字电视单频网适配器的设计与实现

杨 霏，程 磊

（1.中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024；2.中国移动北京公司 网络运行支撑中心，北京 100053）

1 引言

地面数字电视广播传输系统支持多频网（MFN）和单频网（SFN）两种组网模式。MFN模式是指相邻发射台使用不同的频道发送同一个节目的无线传输网络；而SFN模式是指由多个位于不同地点、处于同步状态的发射机组成的数字电视覆盖网络，网络中的各个发射机以相同的频率、在相同的时刻发射相同的节目信号，以实现对特定服务区的可靠覆盖。相对MFN模式而言，SFN模式具有频谱利用率高、网络覆盖质量好、便于频率规划、降低发射机功率、减少电磁污染等优势。但同时，地面数字电视广播单频网的网络结构也更复杂，网络建设和维护成本更高[1]。这里，笔者参考地面数字电视的单频网国家标准[2]，设计并研发了一款符合国标的单频网适配器。

2 单频网组网概述

图1是国标中规定的地面数字电视单频网组网系统的结构框图。主要由单频网适配器、TX网络适配器、RX网络适配器、同步系统、地面数字电视激励器以及全球定位系统（GPS）接收机等部分组成[2-4]。

其中，根据单频网适配器在单频网中的位置，该设备需要实现的主要功能有：1）根据用户的要求生成秒帧初始化包（SIP），并按标准要求插入TS流中。SIP中包含国标要求的工作模式、最大延时、对单个发射机寻址特殊控制等信息。2）按标准规定使不同的发射机工作模式自适应不同的传输码率。用FPGA编程实现码率适配，以GPS时钟为基准，通过插空包来调整码率。3）由于插入SIP，原TS流的某些信息失效，需要对其进行调整和更新，如节目参考时钟（PCR）更新。

3 单频网适配器硬件设计

图2所示为单频网适配器的硬件设计框图。

适配器硬件系统中：人机控制由液晶屏、按键、以太网接口及ARM平台组成，完成参数的设置和状态显示；接口芯片CY7B923和CY7B933完成TS流的输入输出适配；GPS接收模块接收GPS信号，驯服恒温晶振，为系统提供稳定的频率参考和时间参考信号；时钟及锁相环电路，产生锁定在GPS频率参考上的27MHz和14.592MHz时钟信号，供FPGA程序处理使用，其中14.592 MHz可以产生国标地面数字电视标准中33种不同模式的码流适配速率。

4 单频网适配器软件设计

该单频网适配器的核心功能均是由FPGA软件编程来实现的，其系统框图如图3所示。

4.1 数据接收及输入控制模块

由于单频网适配器的输入是DVB-ASI信号，通过FPGA控制高速串行数据通信接收芯片CY7B933，将原DVB-ASI信号转换为并行数据送入FPGA以便进行后续的信号处理。

本模块首先接收TS码流，利用一个异步FIFO提取有效数据，并进行码流同步，明确每个字节在包中的位置。

4.2 码流解析及码流重组模块

并行码流送入FPGA后，要实现对有效码流和有用信息的提取存储，即码流解析。之后，将有效码流数据包、系统根据用户配置信息生成的SIP包按照标准进行重组，并按标准进行码率适配，同时还需进行PCR更新。

码流解析及码流重组模块是整个软件编程中的重点和难点，其基本框图如图4所示。

4.2.1 码流解析

从图4中可知，删除空包和提取PCR信息是该模块的两个主要组成部分。由于TS流用PID来标识该包的数据类型，可以通过提取并判断该包的PID是否为空来确定该包是否为空包。如果是空包，则不将其送入下一个RAM模块，直接丢弃。

提取PCR信息部分还分为提取PCR的PID以及信息字段两个部分。首先要过滤解析PAT表、PMT表，提取PCR包的PID信息。然后，从TS流中过滤PCR数据包。由于从PCR包中提取PCR信息后需要重计算，此部分内容将在PCR更新模块（4.2.2节）详细叙述。

4.2.2 PCR的更新

PCR作为编码器中时钟定时的比较参考信号，由编码器端的27 MHz时钟信号抽样产生。它是42 bit的码字，由两部分组成：一部分以系统参考时钟的1/300（90 kHz）为单位，称为PCR基础部分，长33 bit；另一部分称PCR扩展部分，直接以系统参考时钟（27MHz）为单位，长9 bit。PCR在MPEG-2系统中非常重要，其携带的信息相当于编码器端的时钟信息，解码器利用PCR信息，通过解码端的锁相环电路修正解码器的系统时钟，使其达到与编码器端时钟趋于一致的27 MHz时钟。其视频和音频抽样时钟也需要锁相于该系统时钟，也就是说，视音频解码过程能否正常进行，首先取决于解复用器能否准确恢复PCR。PCR信息在DVB标准中要求至少每隔40 ms被传输一次，通常情况下，PCR不直接改变解码器的本地时钟，而仅作为参考基准来调整本地时钟，使解码器的本地时钟与PCR趋于一致，从而与编码端的时钟趋于一致[5]。

PCR信息是节目时钟参考的依据，但当该TS流送入单频网适配器后，要对其删空包、插SIP包、码流适配，这一系列操作使得原来的PCR数据变的无效，所以，单频网适配器内部也需要一个27 MHz的计数器，将原TS流中的PCR信息提取、重计算后再插入输出的TS流中。

综上所述，PCR信息更新的基本原理是将原PCR包的PCR信息记录下来，在该PCR包要输出时，将该包在本系统中逗留的时间 （该包离开本系统和进入本系统时本地27 MHz计数器的计数值差）加在原PCR信息上，就得到更新后的PCR值，与TS流一并输出。按照PCR的更新原理可以得到

式中：ΔPCR本地可以由 PCR本地出-PCR本地入来获得，所以可得

从式（2）可得这样的实现方法（见图5）：首先，当TS流进入系统后，首先通过已找到的PCR包的PID信息找到PCR数据包，将其包头0x47改为其他值，方便在输出部分被快速找出。同时将PCR信息与本地27 MHz计数器相减，相减后的值仍插入TS流中，一并送入TS流的RAM中。在输出阶段，在发现包头位置为预先设定的其他值时，可以立刻确定该包为PCR包，将PCR信息提取出来与本地27 MHz计数器的当前值相加，最后插入TS流中送出系统，完成PCR信息的更新。

4.2.3 码流重组

码流重组模块主要实现两种功能：1）将原TS流、SIP包、空包按国标要求调整输出顺序，控制SIP包的输出时间；2）根据单频网不同的工作模式进行码率适配。

根据GY/T229.1-2008[2]中的要求，每秒应向TS码流中插入1个SIP包，并且插入时刻要与GPS的秒脉冲对齐。软件实现TS包的发送顺序如图6所示。每个TS包发送完毕后，都会进入等待发送下一个TS包的时刻，这时，首先判断程序是否一直能检测到秒脉冲，若秒脉冲的状态良好，则在其到来的同时，发送SIP包；如果当前状态不是秒脉冲到来时刻，或者不应该发送SIP时，则检测输入TS流的RAM中是否有未发送的TS包，若有，发送TS流RAM中的数据包，若没有，则发送空包。在秒脉冲到来的这一时刻，不能有其他TS包正在发送的现象，否则会因为发送的TS包突然中断而造成个别TS包不完整。这个问题可以通过严格适配TS流的输出码率来避免。

GY/T229.1-2008[2]中还明确规定了在不同的调制方式、帧头模式、编码效率情况下，1个秒帧（即1 s）中包含TS包的数量。首先，根据工作模式的信息，确定发送TS流码率。采用14.592 MHz的时钟，可以满足国标中规定的所有模式下的TS包率，可以保证在1 s内正好发完相应的包数。而数据发送和输出部分是以27 MHz为控制时钟，在发送时要保证均匀发送每个TS字节。

4.3 其他模块

数据发送和输出控制模块，将处理后的码流送入高速串行数据通信发送芯片CY7B923，同时向CY7B923提供控制信号，通过此芯片将并行数据转换为串行数据后输出。

用户设定模式的参数获取模块，通过RS-232串口通信协议实现与外部ARM控制平台的通信，获取由用户设定的单频网工作模式的相关参数。

5 小结

参照国标中的要求，对经单频网适配器实现的功能、输出TS流的指标进行了测试，其输出的SIP包内容正确，输出的TS流码率、PCR抖动以及TS流抖动各项指标均符合国标要求。配合码流复用器、地面数字电视调制器、测试机顶盒构建系统，对单频网适配器进行测试，机顶盒接收正常，视频图像流畅。

[1]冯景峰，刘骏，李国松.国家地面数字电视标准单频网技术研究[J].广播与电视技术，2008（6）：23-26.

[2]GY/T229.1-2008，地面数字电视广播单频网适配器技术要求和测量方法[S].2008.

[3]宋靖涛，陈雪红.单频网适配器关键技术研究与实现[J].中国有线电视，2007（8）：738-741.

[4]吴治庆，杨小雪，余少波.DTMB单频网适配器设计[J].电视技术，2008，32（11）：7-10.

[5]秦娟，吴琪，宣玉栋，等.数字电视PCR分析及校正实现[J].现代电视技术，2008（1）：47-48.