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

陳振睿，王勁濤，潘長(zhǎng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室;c.微波與數(shù)字通信技術(shù)國(guó)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(hào)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(guò)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(duì)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(kāi)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(guò)程中使用RS糾錯(cuò)編碼，支持“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式和“點(diǎn)對(duì)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(duì)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(hào)，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(kāi)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(lái)源標(biāo)記信號(hào)，標(biāo)明TS數(shù)據(jù)碼流來(lái)自哪一路輸入信號(hào)。碼流復(fù)用模塊的輸入、輸出都是長(zhǎng)度為188 byte的MPEG－2包。模塊內(nèi)部的讀寫(xiě)操作同時(shí)進(jìn)行，處理過(guò)程沒(méi)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?，?duì)復(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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(lái)源標(biāo)記信號(hào)與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼流同步傳輸，系統(tǒng)把數(shù)據(jù)來(lái)源標(biāo)記信號(hào)也寫(xiě)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(wú)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)源標(biāo)記信號(hào)組成的1 byte TS編號(hào)，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(duì)應(yīng)的處理，支持“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”和“點(diǎn)對(duì)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(hào)等信息。“點(diǎn)對(duì)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(wú)法正確接收?！包c(diǎn)對(duì)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(wú)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(cè)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(cè)、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(wú)關(guān)接口)，1000 Mbit/s模式下使用 GMII(Gigabit Media Independent Interface，千兆介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)。同時(shí)，以太網(wǎng)MAC通過(guò)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)，如圖9所示。碼流發(fā)生器產(chǎn)生的碼流，通過(guò)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(cè)千兆以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包。

圖9 網(wǎng)絡(luò)適配器測(cè)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。“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳輸方式使用1臺(tái)RX網(wǎng)絡(luò)適配器，“點(diǎn)對(duì)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)包在千兆以太網(wǎng)中的傳輸，無(wú)TS碼流數(shù)據(jù)包丟失。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)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(cè)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(kāi)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(duì)點(diǎn)”方式和“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”方式傳輸。對(duì)單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)行測(cè)試，在“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”和“點(diǎn)對(duì)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(cè)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.

［4］孫寧.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)模式及節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)研究與分析［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010.