关于基于CPCI的有线数字电视信号监测系统

［摘要］文章针对有线数字电视信号的传输特点，应用CPCI架构技术搭建有线数字电视信号传输的质量监测系统，以解决在PCI架构的监测系统遇到的难以克服的问题，更好地提升系统性能。文中着重阐述构成监测系统的各个模块的功能和具体的实现。详细介绍无视频、无音频、图像静止、黑场、彩条等异态视音频的判别方法。 ［关键词］ CPCI；嵌入式；音视频监测；TS流；编码解码；POWERPC；FPGA

一、引言 随着全国各地广播电视有线网络数字化整体平台的转换，有线数字电视信号已进入千家万户，如何保障节目信号的安全传输，是广电网络传输部门和广电监管部门必须要考虑的事情，建立一套运行稳定、及时准确、高效率的监测系统势在必行。 目前，我国在对广播电视信号监测方面还广泛采用的是PCI架构的通用工控机与Windows操作系统以及测量板卡组建的专用监测系统，这样的系统存在如下问题： 1.Windows操作系统的安全漏洞、内存溢出等问题。 2.通用硬件的稳定性、可靠性不能够满足长期全天候运行。 3.系统硬盘长时间工作反复读写对硬盘的机械磨损容易损坏磁盘。 4.IPC机的硬件和软件冗余使系统效率低、可靠性差、功耗大。 5.IPC机内的功能板卡不支持热插拔，维护时，必须要关机。 为解决PCI架构存在的缺陷，当前的发展趋势是采用CPCI架构研究方向发展。 采用标准的CPCI架构，具有如下优点： 1.CPCI开放的总线技术，有利于各类系统集成，可以随时增加具有不同功能的板卡放入一套机箱。 2.抛弃IPC传统机械结构，改用可靠的欧洲卡结构，改善了散热条件，提高了抗振动冲击能力，符合电磁兼容性要求。 3.灵活的连接方式，2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性、可靠性、高负载能力。 4.高效的热插拔技术，在系统运行没有断电的情况下，插拔功能模块板，而不破坏系统的正常运行。 CPCI所具有高开放性、高可靠性、可热插拔的特点，使该技术除了可以广泛应用在通讯、网络、计算机、电话整合，也适合实时系统控制、产业自动化、实时数据采集、军事系统等需要高速运算、智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化及高可靠度、可长期使用的应用领域。由于CPCI拥有较高的带宽，它也适用于一些高速数据通信的应用，包括服务器、路由器、交换机等。 现在超大规模的集成电路飞速发展，嵌入式计算机的应用领域越来越广泛，构建基于CPCI嵌入式系统具有体积小、结构紧凑、可靠性高的优点。 嵌入式系统采用模块化的设计思想，根据有线数字电视信号监测系统功能及其应用环境的特定要求，制作各种特定功能的板卡，安装在机箱内，通过CPCI总线与主板相连，完成系统功能。 二、广电有线数字电视传输信号特点 目前我国数字有线电视系统采用DVB-C标准。在前端编码器将各种设备输出的视音频信号按照MPEG-2的编码标准，对A/D输出信号进行压缩编码，送入复用器完成多套节目的复用，通过QAM调制，形成TS流或PS流 。在一个8MHz电视频道内传输多套（目前国内采用QAM64调制方式，最多包含8套）数字电视节目。 TS流中业务信息具有特殊重要作用，它关系到嵌入式监测系统的频道调谐、节目选择和定位、电子节目指南、解码。 三、系统技术原理 （一）原理框架图（图1） （二）功能模块原理分析 本方案由四部分组成，分别是：有线数字信号接口模块、码流分析模块、解码模块、编码模块。 1.有线数字信号接口模块 该模块主要由调谐器（TUNER）和CAM卡及各种内部总线组成。 基本原理：调谐器接收射频信号并下行变频为中频信号，接收的射频信号的频率是码流分析模块控制设定要接收的频率。码流分析模块中的CPU（PowerPC）通过外部总线与FLASH、SDRAM相连，从FLASH中读取应用程序指令，如给调谐器设置频率指令，然后从SDRAM读取所需的数据，如频率参数，通过I2C总线控制调谐器。调谐器输出的中频信号，通过QAM解调成TS流，送入CAM卡专用芯片，得到解CA的TS流。CAM卡芯片通过PCI总线与码流分析模块的PowerPC处理器连接。 解CA的TS流通过并行数据总线输入到解码模块的8块解码芯片，完成一个频点的8套节目PES流的分离。 2.码流分析模块 该模块主要由CPU、FPGA、FLASH、SDRAM及各种内部总线组成。 FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的基本特点： （1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 （3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 （4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 （5） FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 码流分析模块的主要任务： （1）通过执行应用程序给调谐器设置频率，并读取调谐器的数据有：翻转状态、该频点的电平值、QAM类型、符号率、制式等。 （2）读出CAM卡的模式（有无）。 CAM卡座可以同时插2块CAM卡，码流分析模块可以读出CAM卡的使用数量及卡的位置。 （3）调谐器输出的一路TS流进入FPGA，为了精确分析码流必须打上100MHz的计数时钟，得到TS流的PID包间隔，使PCR（解码时钟基准）的抖动消除、延时得到修正。 （4）码流分析是此模块最主要的任务。在MPEG-2的TS流中，可以包含多个节目，每个节目又可以包含多个基本码流，基本码流和其他的控制数据等都被打成固定长度的包，每个包都有一个包识别符（PID）。MPEG-2用节目特定信息（PSI）来传送节目和PID之间的相互关系。PSI必须以一定的频率不断发送。PSI使用4个表来定义码流结构，分别是：节目关联表PAT、节目映射表PMT、网络信息表NIT、条件接收表CAT。在监测方面， PAT和PMT表特别重要。PAT表的PID号为“0x00”，它包含了与多路节目复用有关的控制信息，用于指出TS流中包括哪些节目，每个节目的编号及相应的PMT的位置PID＝0xXXXX，同时还提供网络信息表（NIT）的位置。PAT丢失将导致接收端无法解码TS流的任何节目。PMT完整地描述了一路节目是由哪些PES组成的及它们的PID号，如：某一路视频PES、音频PES、PCR的PES。PAT和PMT在传输过程中是不加密的。对TS流的分析可作如下简述：首先从TS流中找到188B，包头占4B，包头中的同步字节为0x47的TS包，再从此包中找出PID＝0x00的PAT表，PAT含有每套节目相对应的PMT的PID，查找到对应的一套PMT里的视频PID、音频PID、PCR的PID ，最后可以分析出对应视频流的基本数据：Aspect、Size、FRate、BRate等；音频流的基本数据：Layer、BRate、Freq。