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

［作者简介］夏国远，广西广播电视监测中心工程师，广西南宁，530022

［中图分类号］ TN943［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2011）05-0022-0004

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。

（5）码流监测方面：根据ETSI RT 101/290标准 通过执行应用程序读取TS流里的信息作出监测。一级错误有：TS流同步是否丢失；PAT表格是否错误；连续计数是否错误；PMT表格错误；PID是否错误。二级错误有：TS流传输错误；PCR错误；CRC错误；PCR错误；CAT表错误。三级错误有：NIT；EIT； TDT； SDT； RST；服务信息SI重复周期。

3.解码模块

该模块选用了8块解码芯片,属于硬件解压缩。支持解码全高清/标清MPEG-2、H.264 、AVS等多种视频格式。

选择解码芯片的型号时，要考虑支持多种解码格式如：高清、标清等。虽然有的解码芯片能同时解多套节目，但为了长时间大负荷的稳定运行，还是选择1块芯片解1套节目的方式为好。

有线数字电视信号在传输时，1个频点（8MHz）最多含有8套节目，为了同时解出1个频道里的节目，在模块里设计了8块解码芯片，进行节目的一对一解码。

原理：有线数字电视信号模块输出的解CA的TS流，通过并行数据总线输入到解码模块里的8块解码芯片。此频点的TS流已在码流分析模块分析出了每套节目的视频、音频、PCR的PID，并通过程序自动对解码模块的每块解码芯片单独配置1套节目的视频、音频、PCR的PID，即可分别解出该套节目的视频、音频数字信号，并设定输出格式为ITU-R BT.656视频信号和I2S格式音频信号，用于后续编码模块进一步处理。

4.编码模块

该模块是整个系统最重要的部分。对数字电视信号的质量监测，全靠这一部分完成。信号质量异态的判别有：无视频、无音频、黑场、彩条、图像静止。

芯片部分有：CPU、FPGA、VW2010编码芯片、FLASH、SDRAM、PCI桥芯片。

工作原理：解码模块输出的ITU-R BT.656格式的视频信号和I2S格式的音频信号,输入到编码模块的FPGA芯片进行无视频、无音频、黑场、彩条判断之后分别进入8块编码芯片，分别将视频编码（压缩）为MPEG-1、－2、－4、H.263视频格式，音频部分可接收双通道分立I2S格式的数据，经过滤波，可将每路音频转换为MPEG-1、－2、－3、AAC、AC-3音频格式。在编码的过程中可作图像静止判断。编码后输出为网络应用的传输流（TS）或为储存应用的节目流（PS）。CPU将压缩（编码）后的音视频数据以文件的形式经过网络作存储或作实时播放。

这部分编码的特点是：属于硬件编码；一对一编码；编码的码率可调，范围可在128Kbps到6Mbps。

以下是对黑场、彩条、无视频（蓝场）、无音频、图像静止判断的原理介绍：

（1）用FPGA判断黑场的原理

视频信号输入到FPGA中，FPGA对输入的704×576个点的YUV进行扫描，黑点的YUV特征是Y值较小，UV值都是127，当此点的YUV值与黑点的YUV差值在一定范围内（范围可以设定），就可以认为此点是黑点，这样扫描一遍后，可以获得黑点数的百分比，如果大于设定的阀值，就判断为黑场。

（2）用FPGA判断彩条的原理

视频信号输入到FPGA中，FPGA对输入的704×576个点的YUV进行分区域判断，按照彩条的特性依次划分为白、黄、靛、绿、紫、红、蓝、黑八个区域，当获得一个点后，先判断属于那个颜色的区域，然后根据此点YUV值跟这个区域对应颜色的YUV进行比较，当此点的YUV值与这个区域的YUV差值在一定范围内（范围可以设定），就可以认为此点符合此区域颜色，这样对704×576个点判断结束后，可以获得各个区域对应的点数，如果各个区域的符合条件的点数都大于设定的阀值，就认为当前是彩条。

（3）用FPGA判断蓝场（无视频）的原理

判断蓝场与黑场的原理相似，视频信号输入到FPGA中，FPGA对输入的704×576个点阵的YUV进行扫描，所获得的值与蓝点的YUV差值在一定范围内（范围可以设定），就可以认为此点是蓝点，这样对704×576个点全部判断结束后，可以获得总共的蓝点数，如果黑点数大于设定的阀值，就报蓝场。

（4）用FPGA判断无音频的原理

音频信号输入到FPGA中，FPGA对音频信号进行采样，每秒钟获得一个最大值，上位机应用程序获得这个值后与设定的阀值比较，当此音量值连续n秒小于设定的阀值时，就认为当前处于无音频状态。

（5）判断图形静止的原理

图像静止是指在电视节目正常播出过程中出现的图像静止不动的现象。解码芯片在编码时，对画面像素作了特征统计，进行了DCT矩形变换块为变换编码单元，对DCT块内图像的亮度和色度进行特征取样，提取像素，采用帧间编码，运动估算技术，在参考帧内DCT编码的基础上，对DCT块内图像的像素特征进行差值预测编码。上位机应用程序调用解码芯片对块的比较运算结果，通过设定阀值来判断图像静止。

四、结语

本系统基于CPCI架构搭建起来，具有热插拔功能，给维护和调试带来极大的便利，比PCI架构更具备高可靠、高稳定性。系统功能扩展方便快捷，只要开发不同的监测功能的模块，就可做到多个监测（如：有线电视、开路电视、广播等）系统融入一体，从而做成标准化的监测系统，具有很高的推广价值。

［参考文献］

［1］刘修文.数字电视有线传输原理与维修［M］.北京:机械工业出版社,2007.

［2］苏志武,林定祥,文章辉.数字电视系统测量与监测［M］.北京:电子工业出版社,2009.

［3］黎洪松 .数字视频处理［M］.北京:北京邮电大学出版社,2006.

［4］刘剑波,李鉴增,王晖,关亚林,牛亚青.有线电视网络［M］.北京:中国广播电视出版社,2003.

［5］俞建新,王健,宋健建.嵌入式系统基础教程［M］.北京:机械工业出版社,2008.

［6］方尔正,王燕.嵌入式技术及其应用［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2008.