MPEG-2傳輸流解復(fù)用在內(nèi)嵌ARM核的FPGA上的實現(xiàn)

引言

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，FPGA的容量已經(jīng)達(dá)到上百萬門級，從而使FPGA成為設(shè)計的選擇之一。Altera公司的FPGA芯片EPXA10應(yīng)用SOPC技術(shù)，集高密度邏輯(FPGA)、存儲器(SRAM)及嵌入式處理器(ARM)于單片可編程邏輯器件上，實現(xiàn)了RISC和FPGA的完美結(jié)合。本文使用EPXA10芯片，利用片上的ARM微處理器對MPEG-2傳輸流進(jìn)行解碼，得到必要的解碼參數(shù)，實現(xiàn)了將傳輸流分成視頻流和音頻流的解復(fù)用。

EPAX10器件

簡要介紹

ALTERA公司的EPXA10器件單片集成了ARM硬核，百萬門級的FPGA，以及SDRAM存儲器的接口。它將FPGA和ARM處理器完美結(jié)合在一起，是一個典型的SOPC結(jié)構(gòu)。

其中ARM處理器是32位的ARM922T，工作頻率可以達(dá)到200MHz，具有8K的數(shù)據(jù)緩存和8K的指令緩存。通過板上的JTAG接口，可以實現(xiàn)斷點調(diào)試功能。

片上的百萬門級FPGA可用于實現(xiàn)用戶自定義的邏輯。它通過AHB總線和ARM處理器相互連接。為了更加靈活的使用，F(xiàn)PGA用戶自定義邏輯可以定義為主模塊(master)，在總線通信時處于發(fā)起端;或是定義為從模塊(slave)，在總線通信時處于接收端。FPGA器件內(nèi)部有3M大小的存儲器，同時集成了SDRAM控制器。在FPGA開發(fā)板上可以外接128M的SDRAM，為了便于內(nèi)部FPGA和外部SDRAM大數(shù)據(jù)量的交換，用戶還可以定義自己的DMA模塊，用于訪問外部SDRAM。通過UART、網(wǎng)卡接口、JTAG接口，F(xiàn)PGA可以很方便地同外部計算機(jī)通信、下載程序，及調(diào)試程序等。

MPEG-2傳輸流解復(fù)用原理

MPEG-2傳輸流簡要介紹

作為數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的國際通用標(biāo)準(zhǔn)，MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)于1994年被運(yùn)動圖像專家組制定出來，分成系統(tǒng)層、視頻壓縮層和音頻壓縮層。系統(tǒng)層主要用來描述音、視頻的數(shù)據(jù)復(fù)用和音、視頻的同步方式。在系統(tǒng)層定義了TS(傳輸流)和PS(節(jié)目流)兩種形式的碼流。PS通常用于相對無錯的環(huán)境，例如DVD中，其長度為2048字節(jié);TS通常用于相對有錯的環(huán)境，例如數(shù)字電視的地面廣播傳輸中，分組長度規(guī)定為188字節(jié)。TS流和PS流都是由編碼后的基本數(shù)據(jù)流(ES)根據(jù)一定的格式打包形成PES包，再加入一些系統(tǒng)信息而構(gòu)成的，碼流形成過程如圖2所示。根據(jù)MPEG-2協(xié)議，在發(fā)送端，基本流的PES打包由音/視頻編碼器完成，復(fù)用器接收編碼端的音、視頻數(shù)據(jù)流以及輔助數(shù)據(jù)流，按照一定的復(fù)用方法將其交織成為單一的TS流。為了實現(xiàn)音、視頻同步，在碼流中還必須加入各種時間的標(biāo)志和系統(tǒng)的控制信息。接收端和發(fā)送端正好相反。

傳輸流及其PSI表

傳輸流TS的結(jié)構(gòu)長度為188字節(jié)，分成包頭和包負(fù)荷兩部分。包頭主要包括同步字節(jié)和PID以及其他的信息，同步字節(jié)用來指示一個TS包開始(0x47)，PID表示TS包的類型。例如一個節(jié)目里的音頻PES包，在轉(zhuǎn)換成為TS包后會具備同樣的PID，這樣，接收端只需要接收具有此PID的TS包，就可以將該節(jié)目的音頻解出來了。包負(fù)荷是包的實際內(nèi)容，根據(jù)具體情況，可以放置PES包或PSI包。傳輸流由一個或者多個節(jié)目構(gòu)成，而每一個節(jié)目由視頻流、音頻流、私有信息流以及其他的數(shù)據(jù)包構(gòu)成。

PSI包在傳輸流解復(fù)用中占據(jù)重要地位，它通過四個表格來定義碼流的結(jié)構(gòu)，分別是節(jié)目關(guān)聯(lián)表(PAT)、節(jié)目映射表(PMT)、條件接收表(CAT)和網(wǎng)絡(luò)信息表(NIT)。其中最為關(guān)鍵的部分是PAT表和PMT表。

PAT表是PSI信息的索引表，PID值固定為0。在PAT表中列出了該傳輸碼流中所有節(jié)目的PMT表的PID值。如果接收方希望接收其中的一個節(jié)目，即可根據(jù)這個PID值解出對應(yīng)于該節(jié)目的PMT表，從中可以查詢到與該節(jié)目相關(guān)的所有音頻流、視頻流，以及私有信息的PID，在接收時就可以只接收具有這些PID值的包。

PAT表的PID值為0，根據(jù)PAT表可以得到各個節(jié)目對應(yīng)的PID值，如節(jié)目0，PID=122，對應(yīng)NIT網(wǎng)絡(luò)信息表;節(jié)目1，PID=60;節(jié)目20，PID=200等。如果希望看節(jié)目20，就根據(jù)200這個PID值得到節(jié)目20對應(yīng)的PMT表，再進(jìn)一步查到節(jié)目20的視頻、音頻及私有信息包對應(yīng)的PID值，分別為500、510和540。解有這些PID值的傳輸包就可以解出音頻和視頻的PES包，最終解出音頻流和視頻流。CAT表的PID值固定為1，用來傳遞加密信息，不在本文的討論范圍內(nèi)。

在MPEG-2系統(tǒng)層解碼時，需要由一個解復(fù)用器按照上述的原理對PSI表進(jìn)行處理，同時將各個音、視頻基本流從傳輸流中分離出來，送入對應(yīng)的解碼器中，所以解復(fù)用器在MPEG-2解碼中占據(jù)重要的地位。

解復(fù)用系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

本文設(shè)計的是DVB的SDTV系統(tǒng)集成解碼芯片，視頻解碼最高支持MPEG-2的MP@ML，分辨率為720×576，實時解碼;音頻解碼滿足AC-3標(biāo)準(zhǔn)。

從前面的部分可知，解復(fù)用器需要承擔(dān)將數(shù)據(jù)分流的工作，所以數(shù)據(jù)處理量相當(dāng)大，很多解復(fù)用器都采用DSP或者專用ASIC進(jìn)行處理。本文中，有別與以往的結(jié)構(gòu)，利用EPXA10的片上ARM處理器，以及片上內(nèi)嵌的SDRAM控制器和DMA控制器的特性，來實現(xiàn)對MPEG-2的傳輸流進(jìn)行解復(fù)用，同時由硬件完成對PID包過濾的任務(wù)。所有的數(shù)據(jù)分解過程都由系統(tǒng)軟件來完成，因此在數(shù)據(jù)處理方面更加靈活，保證了系統(tǒng)對于MPEG-2傳輸流解碼的靈活性，同時避免了語法上的不兼容。

系統(tǒng)硬件由PID過濾、片上緩存及DMA等構(gòu)成;系統(tǒng)軟件部分由ARM實現(xiàn)。片外SDRAM用來存放數(shù)據(jù)。音/視頻解碼模塊使用硬件實現(xiàn)，在本文中不涉及到相關(guān)內(nèi)容。

系統(tǒng)硬件的功能是：當(dāng)外部的8位傳輸流數(shù)據(jù)輸入到FPGA上時，根據(jù)傳輸流包頭進(jìn)行同步，并將同步好的數(shù)據(jù)送入到PID過濾器。如果在傳輸過程中有錯誤，也就是包頭中有sequence-error-code=1，就丟棄這個包;如果沒有，則檢查PID碼表的數(shù)據(jù)，如果在碼表中有這個PID值，那么就將這個傳輸流的包送入到FPGA的片上緩存中;否則就丟棄這個包。PID過濾器工作完成后，數(shù)據(jù)送入FPGA片上緩存部分，為了加快數(shù)據(jù)處理速度，使用DMA將緩存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡蟂DRAM對應(yīng)的傳輸流緩沖區(qū)。

如果片外SDRAM的傳輸流緩存中有未處理的包，則取出該包，判斷PID的值。如果PID=0，表示當(dāng)前的包是PAT，那么就對該包進(jìn)行解析，根據(jù)選定的節(jié)目號，確定需要解碼的PMT包的PID，再更新FPGA上PID碼表中PMT的PID，并將PMT的狀態(tài)位設(shè)定為需要解碼。

如果PID等于PID碼表中PMT包的PID，則判斷PMT的狀態(tài)位。如果不需要解碼，就丟棄這個包;如果需要解碼，則進(jìn)入PMT包解析子程序，提取出該解碼對應(yīng)的音、視頻傳輸流包的PID，將提取出的音、視頻傳輸流包的PID值對FPGA片上的PID碼表進(jìn)行更新。

如果PID等于PID碼表中的音、視頻PID值，那么就進(jìn)入到音/視頻處理程序，對音、視頻的傳輸流包進(jìn)行解包，將解得的PES包的內(nèi)容(就是實際的音、視頻流)通過DMA發(fā)送到片外SDRAM的音/視頻緩沖區(qū)中，供下一級的音/視頻解碼器完成解碼功能，最終完成MPEG-2碼流的解碼過程。

結(jié)語

本文使用了Altera公司的一款具有ARM硬核的FPGA器件EPXA10，提出了一種基于ARM微處理器的對MPEG-2的傳輸流進(jìn)行解復(fù)用的解復(fù)用器設(shè)計方案。根據(jù)傳輸流的特點，使用硬件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)量操作比較大的PID包過濾、DMA傳輸?shù)热蝿?wù)，并利用ARM處理器完成較為復(fù)雜的PAT、PMT包的解包工作，同時也將音、視頻包解包，并將解出的音、視頻發(fā)送到片外SDRAM上的音/視頻緩沖區(qū)中。

最終設(shè)計的解復(fù)用器能對碼率最高為19 Mbps的傳輸流進(jìn)行解復(fù)用，對系統(tǒng)層的數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。解復(fù)用得出的視頻流和音頻流可供下一級的音/視頻模塊進(jìn)行實時解碼。