基于FPGA的多通道音视频解码器设计与实现

谢 锋（广西广播电视技术中心）



基于FPGA的多通道音视频解码器设计与实现

谢 锋
（广西广播电视技术中心）

［摘 要］广播电视信源传输链路稳定可靠是保障安全播出的重要环节，结合目前我区村村通广播电视无线覆盖工程的实际情况，综合考虑台站实际应用需求，研究了多通道信源解析处理、FPGA解复用、TS流解码的关键技术，并在实践中检验。实践证明，采用新技术研发的基于FPGA的多通道音视频解码器，在全区乡镇无线覆盖建设中起到了积极的推动作用。

［关键词］FPGA解TS流复用；DTMB/DVB-S射频调谐与解调；TS流解码

引言

一直以来，广西壮族自治区新闻出版广电局积极推进广播电视农村公共服务平台建设，特别是2013年开始大力开展乡镇无线发射台站建设。目前，乡镇调频前端信源系统采用有线电视机顶盒解码出音频信号送至FM调制器，将信号调制到所需频率后利用原农村有线电视网通过光纤传输至乡镇发射台站进行发射覆盖。此种方式存在以下问题：

（1）有线电视机顶盒为民用产品，功能及接口单一，工作稳定性不佳，长时间工作容易出现死机等现象，作为链路信源不可靠。

（2）有线电视机顶盒无远程监控功能，远程不可控，且无法得知其工作状态。

（3）一个有线电视机顶盒目前只能解码出一个音视频节目，多套节目必须得多个机顶盒同时工作，数量多，维护不便，不能满足台站实际使用需求。

前端信号源系统的建设，关乎安全播出，必须足够稳定可靠。因此自主研发多通道音视频解码器，采用多通道输入、多路音视频输出的方式，解决前端信源问题尤为重要。

1　整体方案架构

目前我区广播电视无线覆盖村村通工程中信号源采用共源方式的信号源系统，多通道音视频解码器输出多路信号作为信源提供给调频调制器。FM调制器对信号进行调制后通过光纤传输的方式送至乡镇调频发射台站发射机进行功率放大并上天线发射覆盖。

其应用方案如图1所示。

图1　多通道音视频解码器在乡镇无线覆盖信号源前端的应用

多通道音视频解码器具备四种信号输入方式，分别是DTMB射频信号输入（RF_1）、卫星射频信号输入（RF_2）、MPEG-2格式TS流输入，以及IP帧格式TS流输入。四种输入方式均可实现数据码流的解复用、解析和解码，最终还原音视频信号，以多路的方式输出，每一路音视频信号对应一个用户已选择解码的节目。信号输入方式的多样性，使得多通道音视频解码器适用范围更广，应用更加灵活，满足多方面用户需求。

图2　多通道音视频解码器电源接口、信号输入输出接口

2　硬件设计及详细实现

多通道音视频解码器的硬件设计，主要分为核心主板和OLED液晶显示及按键板，单一+5V/2A开关电源供电，2U标准机箱，设备所有输入输出信号均由核心主板连接至机箱后面板相关接口。核心主板接口如图2所示，核心主板原理框图如图3所示。

图3　多通道音视频解码器主板原理框图

图4　信道调谐及解调

多通道音视频解码器主要由DTMB射频信道调谐解调电路、卫星射频信道调谐解调电路、以太网IP帧格式TS流转SPI总线传输电路、MEPG-2格式TS流串行转并行电路、FPGA解析解复用电路、ARM单片机控制电路、音视频解码电路、以太网通信电路、音视频驱动及滤波电路构成。

设计原理：信道调谐解调电路具有两种模式，DTMB射频信号输入方式，卫星信号输入方式，均实现数字电视射频信号转换为标准8位并行MEPG-2格式TS流数据。以太网IP帧格式TS流收发电路通过DM9161AEP芯片实现接收以IP帧格式传输的TS流数据，并通过SPI总线的方式送至FPGA。MEPG-2 TS流串行转并行电路实现TS流由异步串行传输方式转换为8位并行传输方式。FPGA对此四种方式输入的TS流进行解析解复用处理，每个节目流以其在TS包中的PID字段来区分。FPGA将接收到的每一个TS包（188字节与204字节自适应）先送入一个由FPGA内置RAM组成的缓冲区，然后进行解包，解析出每一个包的PID号、PAT表、PMT表等信息进行存储并传送给ARM单片机主控处理，FPGA再通过比较判别算法提取用户想要输出的TS包送至FPGA指定的端口输出，未被选择的TS包将被抛弃。多通道多路音视频解码器对每一路输入的TS流数据进行解压缩、解包，解出原始音视频PES流及其它同步控制和数据信息，存储到外部DDR3 SDRAM存储器上。解码芯片通过MEPG-2硬解码再将各种数据信息还原成完整的视频和伴音信号。视频信号经过视频编码，滤波电路调整，输出复合视频信号（CVBS）。数字音频信号经过解码芯片内置高精度D/A模块转换和外置功放放大后输出左右声道音频信号。多通道音视频解码器目前设计为九路音视频信号的独立解码，四种输入方式中任意一种均可实现独立的九路解码输出，完全满足台站实际使用需求。

2.1DTMB射频信道调谐及解调

数字电视射频信号的调谐及解调电路主要由MXL5007调谐芯片和ATBM8869解调芯片组成，输入主板RF接口的射频信号经过MXL5007硅调谐器将射频进行下变频至零频或中频频率信号，解调器ATBM8869芯片接收MXL5007硅调谐器输出的已调谐信号进行解调并输出标准TS流信号。如图4所示。

ARM主控单片机通过IIC总线完成对调谐及解调的通信和控制。调谐器MXL5007调谐范围为44 MHz至885MHz，内部集成频点滤波器，具有片上94dB增益，3dB环回输出，能适应几乎所有具有可兼容IIC数字总线控制接口的解调芯片。ARM主控单片机主控程序首先对MXL5007进行软件复位，初始化MXL5007，包括选择需要调谐的电视标准模式、设置输出中频频率、设置内置PLL参考时钟频率、设置输入的射频调谐频率、设置8MHz的带宽间隔、将射频频率转换成16bits格式写入MXL5007相应的寄存器，等待芯片调谐成功后才能输出已调谐的信号送至ATBM8869进行解调。

ATBM8869是用于DTMB国标地面数字电视的一款数字解调芯片，具有稳定可靠的解调算法。ARM单片机主控程序首先初始化ATBM8869的IIC接口，设置输入信号频率，设置调谐器类型，设置TS流输出格式，初始化寄存器内容，按照芯片数据手册要求在相应寄存器写入初始数值，然后设置解调芯片工作模式，自动循环检测解调，查询接收状态寄存器的数值，如果该数值是0x78或者0x79，表示载波和时间已经锁定，均衡器工作正常，其它值则说明芯片还没处在稳定状态，还需继续均衡。如果寄存器0x000D的数值是0x78或者0x79，并且0x0005寄存器数值的最低位是1，说明信道解调成功，如果是0则不成功，需要循环检测。射频调谐及解调流程如图5所示。

最后ATBM8869输出并行8位TS流数据到下一个FPGA解析、解码流复用模块进行进一步处理。

2.2FPGA信号解析、解码流复用

多通道音视频解码器采用高性能FPGA实现信号的解析、解复用。使用片上RAM创建一个FIFO接收模块。此模块为FIFO缓冲区，包括两个4字节的缓冲区，用于取出信息包的PID号并将取得的PID号送入PID表控制模块，以便FPGA将其与用户选中的PID号相比较，根据情况以决定存储或丢弃。

使用FPGA实现传输流解复用器。FPGA内部模块有信道接口、信道FIFO、PID处理器、PID后处理器、内部音视频接口和节目时钟提取电路等组成。其中信道接口提供自动传输包同步字节检测，及实现同步锁定与未锁定的具有可编程延迟时间的滞后机构。一旦建立同步，信道接口就通过信道FIFO将完整的传输包传输到PID处理器。信道接口还检查传输包的完整性，指示传输错误等。最终输出九路经过分离和筛选的TS流，送至下一个解码模块。

图5　调谐及解调程序流程

2.3TS流解码

多通道音视频解码器采用杨智DTMB芯片M3381T实现TS流的解码，自适应MPEG-2、H.264、AVS编码格式的TS流。M3381T集成嵌入式CPU，集成数据控制单元、编码器、输出接口、RGB处理器和DA转换器等部分,TS流经过解码器芯片后输出CVBS格式复合视频信号。对于音频处理部分，M3381T集成了一个音频DA转换器，是一种具有可编程锁相环（PLL）的立体声数模转换器，其作用是将由音视解码器输出的PCM音频数据转换成具有左、右声道的模拟立体声音频信号，再经过放大后输出。

3　软件设计及具体实现

多通道音视频解码器采用一片32位的ARM单片机STM32F103VET6作为整个设备的控制、数据采集和通信处理核心。控制程序使用小型UCOS嵌入式操作系统，可以实现程序并行运行、实时处理各个任务的请求，程序流程如图6所示。

程序启动经初始化后，并行执行流程图6中各项任务。操作界面可以通过面板按键和OLED液晶显示屏来操作。OLED液晶显示众多菜单和功能列表，其包含的主要功能为：整机参数设置、参数读取、功能配置以及设备运行状态的实时读取。此外还可以通过以太网接口连接上位机客户端来实现本地控制，通过以太网接口接到网络以实现远程通信和控制，设备所有的参数及状态都可以通过以太网接口来和用户进行交互。

4　音视频指标测试分析

多通道音视频解码器从项目立项到样机生产并测试，所测音视频指标均符合项目预期要求。在实际环境应用中运行状况良好，多种通道输入的设计方式应用更加广泛灵活，实用效果明显。

5　结语

广播电视无线覆盖网建设的快速发展和推进，不仅给广电发展带来了巨大挑战和机遇，还满足了广大农村边远地区人民群众收听收看广播电视的迫切期望和需求。自主研发的多通道音视频解码器对全区广大乡镇实现无线无缝覆盖起到了安全播出保障作用，产生了积极的社会效益，具有良好的应用前景和推广价值。

图6　ARM单片机控制程序流程图

参考文献

［1］周润景,图雅,张丽敏.基于Quartus II的FPGA/ CPLD数字系统设计实例［M］.北京:电子工业出版社,2007,39-348.

［2］郭里婷，苏凯雄.DVB-S接收系统的结构及其性能分析［J］.福州大学学报（自然科学版），1996,6.

［3］GB/T 26686-2011.地面数字电视接收机通用规范［S］.2001.

［4］张楚等.H.264片上高速可变长解码器设计［J］.电子测量技术,2007年30卷10期：7-10,32.

［5］毕厚杰.视频压缩编码标准——H.264/AVC［M］.北京：人民邮电出版社,2005.