DRM系統(tǒng)中MDI接口傳輸機(jī)制的研究

董琪琪，李晶

(中國傳媒大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

DRM數(shù)字調(diào)幅廣播具有優(yōu)越的廣播性能，可靠性強(qiáng)，頻帶利用率高，發(fā)射功率低，能提供文字、圖片、數(shù)據(jù)等信息傳輸業(yè)務(wù)。從技術(shù)角度來說，DRM 標(biāo)準(zhǔn)最關(guān)鍵的功能是可以選擇一系列傳輸模式。這使得廣播者可以在傳輸比特率、服務(wù)質(zhì)量、發(fā)射功率和覆蓋范圍間作出權(quán)衡。更進(jìn)一步所有這些配置都可以動(dòng)態(tài)的進(jìn)行切換以適應(yīng)當(dāng)?shù)貍鬏敆l件的變化。

而且 DRM是唯一可以覆蓋整個(gè)波段的數(shù)字廣播系統(tǒng)。盡管DRM在我國運(yùn)用的不是很廣泛，還需要進(jìn)行很多的研究和工作，但是 DRM技術(shù)的應(yīng)用前景會(huì)是非常廣闊，它會(huì)最終替代目前在短波、中波和長波頻段所使用的模擬廣播技術(shù)。

本文采用DSP+FPGA的方式，采用DSP TMS 320C6748芯片、FPGA XC7K70T進(jìn)行設(shè)計(jì)DRM調(diào)制系統(tǒng)。使用這種方式會(huì)使系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)更加靈活，通用型更強(qiáng)，適合模塊化設(shè)計(jì)。同時(shí)由于開發(fā)周期比較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展。DRM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

圖1 DRM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過DRM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)DSP TMS 320C6748與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需求，本文的程序設(shè)計(jì)是在嵌入式操作系統(tǒng)SYS/BIOS和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境NDK上，完成了以太網(wǎng)底層驅(qū)動(dòng)和UDP協(xié)議。DSP與上位機(jī)通過以太網(wǎng)PHY進(jìn)行以太網(wǎng)通信，通過MDI(Multiplex Distribution Interface多路復(fù)用接口)傳輸數(shù)據(jù)，需要廣播的內(nèi)容送入DRM復(fù)用發(fā)生器中，經(jīng)過復(fù)用后，MDI將封裝后的傳輸超幀傳送給DRM調(diào)制器[1]。由于廣播數(shù)據(jù)從DRM復(fù)用發(fā)生器中發(fā)出后，經(jīng)過MDI編碼形成MDI流，基于UDP協(xié)議和DCP棧進(jìn)行傳輸?shù)?，因此如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允侵攸c(diǎn)研究的問題。下文主要介紹MDI傳輸機(jī)制和傳輸超幀結(jié)構(gòu)，以及如何保證數(shù)據(jù)在MDI中可靠傳輸。

2 MDI傳輸機(jī)制

MDI建立在DCP棧上。MDI和DCP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2所示，DRM復(fù)用發(fā)生器接收到需要廣播的數(shù)據(jù)，在TAG層根據(jù)DCP棧定義的格式將復(fù)用后的數(shù)據(jù)封裝成TAG item，再將多個(gè)TAG item封裝在一個(gè)TAG包中。由于應(yīng)用層是與DRM相關(guān)的，因此一個(gè)TAG包也叫做一個(gè)MDI包。MDI包中攜帶著FAC、SDC、MSC的數(shù)據(jù)，并共同描述一個(gè)400ms的邏輯幀。

圖2 MDI和DCP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

為了在設(shè)備間進(jìn)行無差錯(cuò)連接傳遞，AF(Application Framing應(yīng)用程序框架)層將MDI包封裝成一個(gè)AF包[2]。MDI接口將AF包傳遞給DRM調(diào)制器。

各層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TAG item、TAG包、AF包結(jié)構(gòu)

DRM調(diào)制器進(jìn)行DRM調(diào)制之前要先將通過AF包結(jié)構(gòu)和CRC校驗(yàn)進(jìn)行AF解碼，同理將MDI包(也就是TAG包)和TAG item進(jìn)行解碼，從而得到DRM調(diào)制所需信息。

3 DRM傳輸超幀

由于當(dāng)MDI接口接收到一個(gè)MDI包時(shí)，一個(gè)DRM傳輸幀就形成了，當(dāng)接收到連續(xù)的MDI包時(shí)，一個(gè)傳輸超幀就形成了。因此下面主要介紹傳輸超幀結(jié)構(gòu)以及所攜帶數(shù)據(jù)。

3.1 DRM傳輸超幀結(jié)構(gòu)

DRM傳輸超幀包含三個(gè)信道：MSC(主業(yè)務(wù)信道)、FAC(快速訪問信道)、SDC(服務(wù)描述信道)。DRM傳輸超幀是由三個(gè)傳輸幀構(gòu)成，每個(gè)傳輸幀中都包含一個(gè)FAC數(shù)據(jù)塊，SDC單元只存在于傳輸超幀中的第一個(gè)傳輸幀中。一個(gè)傳輸幀的長度為400ms。DRM傳輸超幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DRM傳輸超幀結(jié)構(gòu)

3.2 TAG item

由于MDI包中包含很多TAG item，因此傳輸超幀中也包含很多TAG item，具體有：*ptr、dlfc、fac_、sdc_、sdci、robm、str0、str1、str2、str3[3]。

*ptr的作用是控制和修訂TAG item的協(xié)議類型，其包長為64bits。

dlfc是DRM邏輯幀計(jì)數(shù)器，該值由MDI數(shù)據(jù)包的接收方使用，以確保無序到達(dá)的數(shù)據(jù)包被正確地重新排序。邏輯幀計(jì)數(shù)還可以用于檢測丟失的MDI包，并且如果存在合適的鏈路，則請求重傳丟失的包。

fac_攜帶的事DRM邏輯幀中的FAC數(shù)據(jù)，其超度為72bits。

sdc_攜帶的是DRM邏輯幀中的SDC數(shù)據(jù)，該DRM邏輯幀僅存在于每個(gè)傳輸超幀中第一傳輸幀中。

sdci是MSC信道的信息描述，由于MSC可以包含多達(dá)4個(gè)流的描述，因此各個(gè)流的數(shù)據(jù)儲存于str0、 str1、str2、str3中。

robm的值表示當(dāng)前的傳輸模式：A、B、C、D。

3.3 MSC

MSC(主業(yè)務(wù)信道)中包含了DRM多路復(fù)用中所有的服務(wù)數(shù)據(jù)。MSC信道的總比特率是由DRM信道帶寬和傳輸模式?jīng)Q定的。

MSC包含一到四個(gè)服務(wù)流，每個(gè)服務(wù)流都由連續(xù)的邏輯幀組成，其類型可以是音頻或者數(shù)據(jù)[4]。音頻流中包含了壓縮的音頻，并且可以選擇性地?cái)y帶文本信息。數(shù)據(jù)流可以由數(shù)據(jù)包組成，最多可以攜帶四個(gè)子流的信息。一個(gè)音頻服務(wù)可以選擇一到四個(gè)數(shù)據(jù)流或者數(shù)據(jù)子流(其中數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)子流可選)，以及一個(gè)音頻流組成。一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)是由一個(gè)數(shù)據(jù)流或者數(shù)據(jù)子流組成的。

每個(gè)邏輯幀通常包含兩部分，每一部分都有不同的保護(hù)等級，而且每一部分均能單獨(dú)配置其長度。對兩部分設(shè)置不同保護(hù)等級的目的是為了對流進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)。對于傳輸模式A、B、C、D，邏輯幀的長度為400ms。如果服務(wù)流中包含音頻的邏輯幀，則該幀就會(huì)攜帶一個(gè)音頻超幀。對于模式E，邏輯幀的長度為100ms。如果服務(wù)流中攜帶音頻流，則每兩個(gè)邏輯幀可以組成了一個(gè)長度為200ms音頻超幀。由于邏輯幀通常包括兩個(gè)保護(hù)等級，因此每個(gè)保護(hù)等級各占邏輯幀一半的字節(jié)。最后所有流的數(shù)據(jù)幀會(huì)映射成復(fù)用幀，然后將復(fù)用幀傳遞給信道編碼器進(jìn)行編碼。

3.4 FAC

FAC(快速訪問通道)是用來提供OFDM復(fù)用信號解調(diào)所用的信道參數(shù)，以及在快速掃描時(shí)提供基本服務(wù)選擇所需的信息。

信道參數(shù)不僅可以用于接收機(jī)解調(diào)，也可以改變接受頻率并且使接收機(jī)重新搜尋信號，頻率占用率及交織深度等都屬于信道參數(shù)[5]。

每個(gè)傳輸幀包含一個(gè)FAC塊，這個(gè)數(shù)據(jù)塊中攜帶了當(dāng)前信道的參數(shù)、一到兩個(gè)服務(wù)信息和CRC參數(shù)。對于模式A、B、C、D，F(xiàn)AC塊攜帶著一個(gè)服務(wù)信息。對于模式E，F(xiàn)AC塊攜帶了兩個(gè)服務(wù)信息。當(dāng)復(fù)用幀中包含多種服務(wù)時(shí)，一個(gè)FAC塊不能夠描述，那就需要多個(gè)FAC塊共同描述。

3.5 SDC

SDC(服務(wù)描述通道)的作用是為MSC解碼提供必要的信息，找到服務(wù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，以及為復(fù)用幀中的服務(wù)提供屬性信息。SDC的數(shù)據(jù)容量與頻譜占用率和其他參數(shù)有關(guān)，并可以通過使用AFS指數(shù)增加容量。

每個(gè)傳輸超幀中都包含一個(gè)SDC數(shù)據(jù)塊。SDC中還傳輸AFS信息(Seamless Alternative Frequency checking and Switching)，所謂AFS就是指無縫頻率切換[6]。在當(dāng)前頻率點(diǎn)上的廣播結(jié)束的時(shí)候，AFS可以提供無縫切換到其他頻點(diǎn)相同節(jié)目的功能。

4 MDI可靠傳輸

4.1 RS編碼

DCP(Distribution and Communication Protocols分布通信協(xié)議)是傳輸層通信協(xié)議，它使用RS編碼進(jìn)行前向糾錯(cuò)，在錯(cuò)誤的信道上提供分段尋址，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸[2]。在通信工作中，提高信息傳輸?shù)目煽啃院陀行砸恢笔瞧渥非蟮哪繕?biāo)?？煽啃院陀行砸馕吨诮邮斩四軠?zhǔn)確地或者近似重新再現(xiàn)發(fā)射端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在無線通信系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)的信道中不可避免地存在著大量的噪聲干擾，這些干擾導(dǎo)致接收端不能準(zhǔn)確地獲得發(fā)射端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。而糾錯(cuò)編碼可以有效降低傳輸信道中出現(xiàn)的噪聲干擾的一種方法。RS糾錯(cuò)編碼是一種進(jìn)行前向糾錯(cuò)的信道編碼，它有著很多優(yōu)點(diǎn)，其不但擁有嚴(yán)密的代數(shù)結(jié)構(gòu)，還擁有優(yōu)秀的糾錯(cuò)能力，因此RS編碼在無線通信等領(lǐng)域使用非常廣泛。

4.1.1 RS碼的編碼算法原理

RS碼是在GF(qm)域中 m=1 時(shí)，即在GF(q)域中的 q 進(jìn)制 BCH碼，RS碼型可表示為RS(n，k)。糾正t個(gè)錯(cuò)誤的 RS 碼的生成多項(xiàng)式g(X)以α，α2，…，α2t為域元素，其中α為本原元[7]。由于αi是GF(qm)域中的元素，因此其最小多項(xiàng)式Φi(X)即為X-αi。 q進(jìn)制 RS 碼在糾正t個(gè)錯(cuò)誤時(shí)的g(X)為

g(X)=LCM{Φ2(X)，Φ2(X)，…，Φ2t(X)}

(1)

當(dāng)Φi(X)=X-αi時(shí)，可得

g(X)=(X-α)(X-α2)…(X-α2t)=g0+g1X+g2X2+…+g2t-1X2t-1+X2t

(2)

式中：gi∈GF(q)，0≤i≤2t，Xq-1-1的根為α，α2，…，α2t，因此Xq-1-1能夠被g(X)整除。因此g(X)將恰好生成具有2t個(gè)奇偶校驗(yàn)符號、長度n=q-1的q進(jìn)制循環(huán)碼，且由循環(huán)碼的BCH界理論可知，該碼的最小距離至少為2t+1。以RS(255，233)為例，各參數(shù)分別為n=255；k=233；n-k=2t=32；t=16；最小碼距δ=2t+1=33。本原多項(xiàng)式為

p(X)=X8+X4+X3+X2+1

(3)

RS碼編碼方法是令編碼信息為

a(X)=a0+a1X+a2X2+…+ak-1Xk-1，k=n-2t

(4)

那么2t個(gè)冗余信息則為X2ta(X)除以g(X)得到冗余b(X)的系數(shù)，b(X)的表達(dá)式為

b(X)=b0+b1X+b2X2+…+b2t-1X2t-1

(5)

圖5為RS碼的編碼硬件電路，體現(xiàn)了該算法的思想。

圖5 RS碼的編碼硬件電路

4.1.2 RS編碼的DSP實(shí)現(xiàn)技術(shù)

在使用DSP編程實(shí)現(xiàn)RS編碼的過程中，主要難點(diǎn)是求余算法的實(shí)現(xiàn)。因此本小節(jié)主要描述如何使用DSP實(shí)現(xiàn)求余算法的過程。由于在實(shí)現(xiàn)算法的過程中，需要不斷進(jìn)行g(shù)alois field(有限域)的運(yùn)算，并且必須不停地根據(jù)公式計(jì)算出冪次以及元素?cái)?shù)值，并分析找出它們之間的關(guān)系。因此需要定義一些大小已知的數(shù)組，將其存放在DSP的內(nèi)存單元中，以便方便計(jì)算乘法子函數(shù)[8]。

DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)求余算法的具體步驟如下：首先定義一個(gè)長度為50的，用于存放每次做除法后的余數(shù)的數(shù)組residual[50]。該數(shù)組的第一個(gè)元素residual[0]作為下次除法的商。數(shù)組的初始值為輸入的前50個(gè)碼元數(shù)值。每進(jìn)行一次除法運(yùn)算，將數(shù)組更新一次，將數(shù)值更新成當(dāng)前除法的余數(shù)。在求余算法過程中，RS編碼中所用到的乘法運(yùn)算和加法運(yùn)算都是定義在galois field(有限域)中的。加法運(yùn)算就是模二加運(yùn)算，按位異或。乘法運(yùn)算為了方便調(diào)用，需要單獨(dú)編寫乘法函數(shù)。由于在求余的過程中，需要不斷地進(jìn)行乘法和加法運(yùn)算，因此定義一個(gè)長度為50的數(shù)組Genpoly[50]，用于存放生成多項(xiàng)式的冪次。數(shù)值的存放順序是按照從高階到低階的次序，例如Genpoly[0]存放最高階的冪次，Genpoly[1]存放下一階系數(shù)的冪次，依此類推。定義長度為128的數(shù)組GF[128]，這個(gè)數(shù)組用于存放在算法過程中隨時(shí)能用到的根的冪以及相應(yīng)的字節(jié)形式。galois field(有限域)中元素的對應(yīng)字節(jié)形式是有序存儲的，數(shù)字中的位置決定了元素冪次存放的位置。例如，GF[4]的意思是某一元素位于數(shù)組中的第五個(gè)位置，該元素的冪是5。依此類推，GF[5]是位于數(shù)組的第六個(gè)位置，其冪次是6。在求余算法實(shí)現(xiàn)的過程中，將定義的GF[128]存儲在DSP內(nèi)存單元中，以便能將元素的字節(jié)形式和冪次形式能迅速相互轉(zhuǎn)換。

4.2 UDP可靠傳輸

DSP與上位機(jī)是基于UDP協(xié)議連接，并進(jìn)行以太網(wǎng)通信[9]，MDI接口將DRM傳輸超幀傳給DRM調(diào)制器。但UDP 協(xié)議是一種不可靠的，面向無連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議。和 TCP 傳輸過程相比較，使用 UDP 套接口不用建立連接。上位機(jī)先生成套接字并綁定端口，DSP在生成與上位機(jī)相同的套接字后，兩者之間就可以建立連接，DSP即可向上位機(jī)地址發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。UDP的傳輸原理圖如圖6所示。

圖6 UDP傳輸原理圖

UDP傳輸流程中各函數(shù)功能介紹。

UDP 進(jìn)行文件傳輸以前，收、發(fā)端需要建立連接。與TCP 傳輸協(xié)議的“三次握手”建立可靠性連接機(jī)制不同的事，UDP 協(xié)議只需要綁定收、發(fā)端的 IP 地址和端口就可以建立連接。這種特點(diǎn)決定了 UDP 協(xié)議只是盡最大可能交付報(bào)文，因此在數(shù)據(jù)傳輸過程中極其容易丟包。UDP 協(xié)議由于其傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)，因此對實(shí)時(shí)性要求高的通信有優(yōu)勢，但 UDP 協(xié)議中無可靠性機(jī)制，在傳輸過程中極易產(chǎn)生丟包，造成文件的不可靠性傳輸。因此，系統(tǒng)只能進(jìn)行重傳，這將會(huì)極大地浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間資源[10]。所以使用簡單的 UDP 通信也是不滿足要求的，因此，基于 UDP 協(xié)議的以太網(wǎng)通信必須提高可靠性，下文提出了UDP確認(rèn)重傳機(jī)制模型，從而保障傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

函數(shù)名稱函數(shù)功能Socket套接字函數(shù),分配網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以及資源BlindUDP協(xié)議中用于綁定傳輸?shù)刂芬约岸丝谔柕暮瘮?shù)Recv/recvfromWindows/Unix下的用于數(shù)據(jù)接收的函數(shù)Send/sendtoWindows/Unix下的用于數(shù)據(jù)發(fā)送的函數(shù)close傳輸完成后關(guān)閉傳輸過程

在使用UDP傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，收、發(fā)端有必要咋傳輸之前建立某種連接，這和TCP 協(xié)議的三次握手機(jī)制不同的是，使用 UDP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，收、發(fā)端只需要確認(rèn)雙方的 IP 地址及端口號，即可建立連接，該過程即為 UDP 協(xié)議的確認(rèn)機(jī)制。然而在通信過程中，由于網(wǎng)絡(luò)通信鏈路經(jīng)常會(huì)受到外界因素的干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量的下降，造成通信信息的丟失。對于信息的丟失，會(huì)造成文件的不完整，進(jìn)而影響文件的使用，因此對于丟失的AF包，需要進(jìn)行丟包重傳，即在傳輸系統(tǒng)中需要加入接收確認(rèn)與丟包重傳機(jī)制，以保證通信的成功[11]。

確認(rèn)機(jī)制在下述情況下會(huì)使用到：傳輸之前，收發(fā)端建立連接；傳輸過程中，DSP對某一AF包的丟失情況進(jìn)行判別，并反饋丟包重傳信息；整個(gè)文件傳輸結(jié)束時(shí)，需要確認(rèn)文件的傳輸完成。為提高基于 UDP 的傳輸系統(tǒng)的可靠性，本文在 UDP 協(xié)議中加入數(shù)據(jù)傳輸線程和傳輸控制線程，數(shù)據(jù)傳輸線程的作用是進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸控制線程的作用是控制傳輸路徑的選擇或丟包重傳等確認(rèn)信息。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，上位機(jī)只需發(fā)送傳輸請求，該傳輸請求由控制線程發(fā)送給DSP，DSP收到傳輸請求后，打開接收窗口進(jìn)行AF包的接收。為了減少系統(tǒng)中的確認(rèn)機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)資源的占用，在文件發(fā)送之前對文件進(jìn)行分包處理時(shí)，對每一個(gè)小的AF包都進(jìn)行標(biāo)序，同時(shí)在隊(duì)尾的AF包標(biāo)注反饋指令，這樣就不需要在每個(gè)AF包到達(dá)DSP后都進(jìn)行接收確認(rèn)。當(dāng)DSP收到一個(gè)傳輸周期的AF包隊(duì)列后，檢測該段傳輸周期內(nèi)接收到的AF包的序列號連續(xù)性，若序列號連續(xù)，則DSP反饋給上位機(jī)一個(gè)確認(rèn)信號，如果AF包的序列號不完整，則缺失的AF包序列號會(huì)被上位機(jī)反饋給上位機(jī)，并請求上位機(jī)重傳所缺序列號的AF包。傳輸完成后，上位機(jī)、DSP關(guān)閉傳輸窗口。

5 結(jié)論

上位機(jī)與DSP通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，通過UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。通過MDI接口將傳輸超幀傳遞給DRM調(diào)制器后，在進(jìn)行調(diào)制之前將傳輸超幀解調(diào)，可以獲得調(diào)制所需數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含MSC、SDC、FAC的信息。由于MDI的傳輸機(jī)制，文字、圖片、數(shù)據(jù)等信息數(shù)據(jù)通過DRM復(fù)用器封裝在傳輸超幀中，因此符合DRM可以傳輸多種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)。

在通過MDI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，最重要的是傳輸?shù)目煽啃?，需要保證傳輸中不丟包。但本文基于UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的，因此與 TCP 協(xié)議嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膫鬏敱Ｕ蠙C(jī)制相對比，UDP 協(xié)議中本身是沒有眾多的傳輸保障機(jī)制，基于 UDP 協(xié)議所設(shè)計(jì)的傳輸系統(tǒng)，均會(huì)出現(xiàn)不同程度的傳輸丟包。但使用的有點(diǎn)是UDP 協(xié)議本身不占用過多的網(wǎng)絡(luò)資源，傳輸速率快，并且適合不能數(shù)據(jù)包回傳的系統(tǒng)，因此本文在 UDP 協(xié)議中加入部分保障機(jī)制，在盡可能保留傳輸速率快的優(yōu)勢下，在 UDP 傳輸系統(tǒng)中使用確認(rèn)重傳機(jī)制判別數(shù)據(jù)包是否丟失，是否需要重傳，并在文件傳輸結(jié)束時(shí)，確認(rèn)文件傳輸完成。同時(shí)由于MDI接口是建立在DCP棧的，DCP使用RS前向糾錯(cuò)編碼在編解碼的過程中進(jìn)一步保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>