基于以太网的单频网网络适配器设计

陈振睿，王劲涛，潘长勇

(清华大学a.电子工程系;b.清华信息科学与技术国家实验室;c.微波与数字通信技术国家重点实验室，北京 100084)

责任编辑:薛 京

地面数字电视传输技术有两种主要的组网模式:多频网(Multiple Frequency Network，MFN)和单频网(Single Frequency Network，SFN)。多频网模式中，相邻的发射台使用不同的发射频率。与移动通信系统的蜂窝结构类似，多频网模式没有充分利用现有频谱资源，频带利用率很低。单频网模式中，多个位于不同地点、处于同步状态的发射机，以相同频率，在相同时刻发射相同节目。同多频网模式相比，单频网模式具有频带利用率高、网络覆盖范围广、发射机功率小、便于频谱规划等优点。与此同时，单频网模式的网络结构更加复杂，系统成本增加。

1 网络适配器概述

地面数字电视广播单频网结构，如图1所示，主要由单频网适配器、TX网络适配器、TS流信号分配网络、RX网络适配器、同步系统、地面数字电视激励器等部分组成。

图1 地面数字电视广播单频网结构示意图

电视节目从节目中心通过分配网络传递到各发射台。常用的分配网络有光纤网、数字微波网、以太网等，对应着特定的传输格式。网络适配器的作用是完成MPEG－TS码流与分配网络传输数据格式之间的转换。

本文研究了使用以太网作为单频网码流分配网络，并且在FPGA开发平台实现功能验证。网络适配器采用多路TS码流复用，传输过程中使用RS纠错编码，支持“点对点”方式和“点对多点”方式传输，发送速率可调。

2 系统设计方案

TX网络适配器，如图2所示，主要由TS码流复用模块、RS编码模块、以太网数据包生成模块、以太网MAC、模式控制模块和时钟处理等模块组成。下文以2路TS码流输入为例，介绍网络适配器的设计方案。

图2 TX网络适配器结构示意图

图3为RX网络适配器的设计框图，实现与TX网络适配器对应的处理。

图3 RX网络适配器结构示意图

FPGA核心芯片采用Altera公司CycloneⅢ系列中的EP3C120F484，实现网络适配器的主要功能。单片机芯片采用Silicon Labs公司的C8051F022，实现网络适配器模式选择、参数配置等控制信息的输入功能。PHY芯片使用Broadcom公司的BCM5461SA1KPF，实现以太网数据包在物理层的发送功能。晶振产生频率为10 MHz的信号，作为时钟输入提供给FPGA使用。除上述单元外，硬件平台还包括输入输出接口、数据格式转换、电源等部分。系统设计使用Altera公司的开发工具Quartus II完成。

2.1 TS码流复用模块

TS码流复用模块，把输入的多路TS码流合成为1路TS数据码流，同时产生数据来源标记信号，标明TS数据码流来自哪一路输入信号。码流复用模块的输入、输出都是长度为188 byte的MPEG－2包。模块内部的读写操作同时进行，处理过程没有中断，使得复用器能够高速处理数据。

2.2 RS编码模块

为了保证TS码流传输的可靠性，对复用后的TS码流进行RS纠错编码。图4是RS编码模块结构示意图。输入TS码流是长度为188 byte的MPEG－2包，选择(204，188)模式进行信道编码。RS编码模块工作模式受外界输入参数控制，可以选择对数据进行RS编码处理，也可以直接在校验位进行补零操作。

图4 RS编码模块结构示意图

系统对4个188 byte的MPEG－2数据包同时进行RS编码，得到4个204 byte的编码MPEG－2数据包。RS编码核的处理速率与TS码流的传输速率不一致，需要在RS编码核前后添加FIFO(First In First Out，先进先出)缓存进行速率适配。为了保证数据来源标记信号与对应的数据码流同步传输，系统把数据来源标记信号也写入FIFO缓存，进行数据速率适配。

2.3 以太网数据包生成模块

1)以太网分层结构

为了减少网络设计的复杂性，以太网采用分层结构。不同层之间采用接口传递信息，相同层采用统一的协议。各层具有特定的功能，如表1所示。网络适配器中，外部的物理层芯片完成物理层的处理，其他各层的操作都在FPGA中完成。

表1 以太网分层结构功能描述

2)以太网数据包格式

TS码流数据无法直接在以太网中传播，需要转换成以太网传输数据的MAC帧格式。MAC帧的结构如图5所示，由8部分组成，其中前导码、帧首定界符、填充和帧检测序列4部分由以太网MAC模块添加，目标MAC地址、源MAC地址、类型和数据4部分在以太网数据包生成模块中得到。目标MAC地址:接收端与发送端处于同一子网时配置为接收端MAC地址，处于不同子网时配置为发送端子网中路由器接口的MAC地址。MAC帧的数据部分最大长度为1500 byte，填入需要传输的TS码流数据。

图5 MAC帧格式示意图(单位:byte)

网络层采用IP协议，IP数据包格式如图6所示;传输层采用UDP协议，UDP段格式如图7所示。

把4个编码后的MPEG－2数据包处理成1个以太网数据包。以太网数据包总长度为860 byte，包括14 byte的MAC帧包头，20 byte的IP包头，8 byte的UDP包头，以及818 byte的传输数据。传输数据由4个长度为204 byte的编码MPEG－2数据包，4个编码MPEG－2数据包对应的数据来源标记信号组成的1 byte TS编号，以及1 byte 0x00组成。

3)传输方式

RX网络适配器的以太网数据包解包模块进行与数据包生成模块对应的处理，支持“点对点”和“点对多点”两种传输方式。TX网络适配器在以太网中发送数据包，数据包中包含目标主机的IP地址、MAC地址和端口号等信息。“点对点”传输方式下，只有信息完全匹配的RX网络适配器能够正确接收数据，其他RX网络适配器无法正确接收。“点对多点”传输方式下，与目标主机处于同一子网的RX网络适配器能够正确接收数据，其他子网的RX网络适配器无法正确接收。

2.4 以太网MAC

TS码流转换得到的以太网数据包在以太网MAC模块中添加前导码、帧首定界符、填充和帧检测序列等部分，组成完整的MAC数据帧，输出到外部的物理层芯片。以太网MAC接口如图8所示，支持10 Mbit/s，100 Mbit/s和1000 Mbit/s三种传输速率，能够进行冲突检测、校验和验证、双工模式选择等处理。

图8 以太网MAC结构示意图

以太网MAC与物理层芯片间传输数据时，在10 Mbit/s和100 Mbit/s模式下使用MII(Media Independent Interface，介质无关接口)，1000 Mbit/s模式下使用 GMII(Gigabit Media Independent Interface，千兆介质无关接口)。同时，以太网MAC通过MDIO(Management Data Input/Output，管理数据输入输出)接口配置物理层芯片的工作状态。

3 测试结果

利用码流发生器、TX网络适配器、RX网络适配器、码流分析仪等搭建了一套测试系统，如图9所示。码流发生器产生的码流，通过TX网络适配器处理后送入千兆以太网，RX网络适配器把接收到的码流送入码流分析仪，同时用计算机检测千兆以太网中的数据包。

图9 网络适配器测试示意图

TX网络适配器采用1000 Mbit/s的发送速率，4路TS码流输入。“点对点”传输方式使用1台RX网络适配器，“点对多点”传输方式使用2台RX网络适配器。在不同的输入码流速率和传输方式下进行测试，如表2所示，RX网络适配器都能够有效恢复出发送的TS码流。使用WireShark软件监测数据包在千兆以太网中的传输，无TS码流数据包丢失。测试结果表明，通过网络适配器的处理，TS码流能够在千兆以太网中有效传输。

表2 千兆以太网环境网络适配器测试结果

4 小结

本文介绍了一种基于以太网的单频网网络适配器的设计方案。该设计基于现有的以太网结构，利用FPGA开发平台实现，采用多路复用和RS纠错编码，发送速率可调，支持“点对点”方式和“点对多点”方式传输。对单频网网络适配器进行测试，在“点对点”和“点对多点”模式下都能有效传输。该系统可以为地面数字电视单频网的建设提供一种新的网络适配方案和手段。

［1］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.

［2］杨霏，程磊.地面数字电视单频网适配器的设计与实现［J］.电视技术，2010，34(9):44－46.

［3］熊伟.基于Nios II的DTMB单频网适配器的设计与实现［D］.北京:清华大学，2008.

［4］孙宁.地面数字电视单频网组网模式及节目分配网络研究与分析［D］.北京:北京邮电大学，2010.