基于以太網的單頻網網絡適配器設計

陳振睿，王勁濤，潘長勇

(清華大學a.電子工程系;b.清華信息科學與技術國家實驗室;c.微波與數字通信技術國家重點實驗室，北京 100084)

責任編輯:薛 京

地面數字電視傳輸技術有兩種主要的組網模式:多頻網(Multiple Frequency Network，MFN)和單頻網(Single Frequency Network，SFN)。多頻網模式中，相鄰的發射臺使用不同的發射頻率。與移動通信系統的蜂窩結構類似，多頻網模式沒有充分利用現有頻譜資源，頻帶利用率很低。單頻網模式中，多個位于不同地點、處于同步狀態的發射機，以相同頻率，在相同時刻發射相同節目。同多頻網模式相比，單頻網模式具有頻帶利用率高、網絡覆蓋范圍廣、發射機功率小、便于頻譜規劃等優點。與此同時，單頻網模式的網絡結構更加復雜，系統成本增加。

1 網絡適配器概述

地面數字電視廣播單頻網結構，如圖1所示，主要由單頻網適配器、TX網絡適配器、TS流信號分配網絡、RX網絡適配器、同步系統、地面數字電視激勵器等部分組成。

圖1 地面數字電視廣播單頻網結構示意圖

電視節目從節目中心通過分配網絡傳遞到各發射臺。常用的分配網絡有光纖網、數字微波網、以太網等，對應著特定的傳輸格式。網絡適配器的作用是完成MPEG－TS碼流與分配網絡傳輸數據格式之間的轉換。

本文研究了使用以太網作為單頻網碼流分配網絡，并且在FPGA開發平臺實現功能驗證。網絡適配器采用多路TS碼流復用，傳輸過程中使用RS糾錯編碼，支持“點對點”方式和“點對多點”方式傳輸，發送速率可調。

2 系統設計方案

TX網絡適配器，如圖2所示，主要由TS碼流復用模塊、RS編碼模塊、以太網數據包生成模塊、以太網MAC、模式控制模塊和時鐘處理等模塊組成。下文以2路TS碼流輸入為例，介紹網絡適配器的設計方案。

圖2 TX網絡適配器結構示意圖

圖3為RX網絡適配器的設計框圖，實現與TX網絡適配器對應的處理。

圖3 RX網絡適配器結構示意圖

FPGA核心芯片采用Altera公司CycloneⅢ系列中的EP3C120F484，實現網絡適配器的主要功能。單片機芯片采用Silicon Labs公司的C8051F022，實現網絡適配器模式選擇、參數配置等控制信息的輸入功能。PHY芯片使用Broadcom公司的BCM5461SA1KPF，實現以太網數據包在物理層的發送功能。晶振產生頻率為10 MHz的信號，作為時鐘輸入提供給FPGA使用。除上述單元外，硬件平臺還包括輸入輸出接口、數據格式轉換、電源等部分。系統設計使用Altera公司的開發工具Quartus II完成。

2.1 TS碼流復用模塊

TS碼流復用模塊，把輸入的多路TS碼流合成為1路TS數據碼流，同時產生數據來源標記信號，標明TS數據碼流來自哪一路輸入信號。碼流復用模塊的輸入、輸出都是長度為188 byte的MPEG－2包。模塊內部的讀寫操作同時進行，處理過程沒有中斷，使得復用器能夠高速處理數據。

2.2 RS編碼模塊

為了保證TS碼流傳輸的可靠性，對復用后的TS碼流進行RS糾錯編碼。圖4是RS編碼模塊結構示意圖。輸入TS碼流是長度為188 byte的MPEG－2包，選擇(204，188)模式進行信道編碼。RS編碼模塊工作模式受外界輸入參數控制，可以選擇對數據進行RS編碼處理，也可以直接在校驗位進行補零操作。

圖4 RS編碼模塊結構示意圖

系統對4個188 byte的MPEG－2數據包同時進行RS編碼，得到4個204 byte的編碼MPEG－2數據包。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，先進先出)緩存進行速率適配。為了保證數據來源標記信號與對應的數據碼流同步傳輸，系統把數據來源標記信號也寫入FIFO緩存，進行數據速率適配。

2.3 以太網數據包生成模塊

1)以太網分層結構

為了減少網絡設計的復雜性，以太網采用分層結構。不同層之間采用接口傳遞信息，相同層采用統一的協議。各層具有特定的功能，如表1所示。網絡適配器中，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 以太網分層結構功能描述

2)以太網數據包格式

TS碼流數據無法直接在以太網中傳播，需要轉換成以太網傳輸數據的MAC幀格式。MAC幀的結構如圖5所示，由8部分組成，其中前導碼、幀首定界符、填充和幀檢測序列4部分由以太網MAC模塊添加，目標MAC地址、源MAC地址、類型和數據4部分在以太網數據包生成模塊中得到。目標MAC地址:接收端與發送端處于同一子網時配置為接收端MAC地址，處于不同子網時配置為發送端子網中路由器接口的MAC地址。MAC幀的數據部分最大長度為1500 byte，填入需要傳輸的TS碼流數據。

圖5 MAC幀格式示意圖(單位:byte)

網絡層采用IP協議，IP數據包格式如圖6所示;傳輸層采用UDP協議，UDP段格式如圖7所示。

把4個編碼后的MPEG－2數據包處理成1個以太網數據包。以太網數據包總長度為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的傳輸數據。傳輸數據由4個長度為204 byte的編碼MPEG－2數據包，4個編碼MPEG－2數據包對應的數據來源標記信號組成的1 byte TS編號，以及1 byte 0x00組成。

3)傳輸方式

RX網絡適配器的以太網數據包解包模塊進行與數據包生成模塊對應的處理，支持“點對點”和“點對多點”兩種傳輸方式。TX網絡適配器在以太網中發送數據包，數據包中包含目標主機的IP地址、MAC地址和端口號等信息?！包c對點”傳輸方式下，只有信息完全匹配的RX網絡適配器能夠正確接收數據，其他RX網絡適配器無法正確接收?！包c對多點”傳輸方式下，與目標主機處于同一子網的RX網絡適配器能夠正確接收數據，其他子網的RX網絡適配器無法正確接收。

2.4 以太網MAC

TS碼流轉換得到的以太網數據包在以太網MAC模塊中添加前導碼、幀首定界符、填充和幀檢測序列等部分，組成完整的MAC數據幀，輸出到外部的物理層芯片。以太網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，能夠進行沖突檢測、校驗和驗證、雙工模式選擇等處理。

圖8 以太網MAC結構示意圖

以太網MAC與物理層芯片間傳輸數據時，在10 Mbit/s和100 Mbit/s模式下使用MII(Media Independent Interface，介質無關接口)，1000 Mbit/s模式下使用 GMII(Gigabit Media Independent Interface，千兆介質無關接口)。同時，以太網MAC通過MDIO(Management Data Input/Output，管理數據輸入輸出)接口配置物理層芯片的工作狀態。

3 測試結果

利用碼流發生器、TX網絡適配器、RX網絡適配器、碼流分析儀等搭建了一套測試系統，如圖9所示。碼流發生器產生的碼流，通過TX網絡適配器處理后送入千兆以太網，RX網絡適配器把接收到的碼流送入碼流分析儀，同時用計算機檢測千兆以太網中的數據包。

圖9 網絡適配器測試示意圖

TX網絡適配器采用1000 Mbit/s的發送速率，4路TS碼流輸入?！包c對點”傳輸方式使用1臺RX網絡適配器，“點對多點”傳輸方式使用2臺RX網絡適配器。在不同的輸入碼流速率和傳輸方式下進行測試，如表2所示，RX網絡適配器都能夠有效恢復出發送的TS碼流。使用WireShark軟件監測數據包在千兆以太網中的傳輸，無TS碼流數據包丟失。測試結果表明，通過網絡適配器的處理，TS碼流能夠在千兆以太網中有效傳輸。

表2 千兆以太網環境網絡適配器測試結果

4 小結

本文介紹了一種基于以太網的單頻網網絡適配器的設計方案。該設計基于現有的以太網結構，利用FPGA開發平臺實現，采用多路復用和RS糾錯編碼，發送速率可調，支持“點對點”方式和“點對多點”方式傳輸。對單頻網網絡適配器進行測試，在“點對點”和“點對多點”模式下都能有效傳輸。該系統可以為地面數字電視單頻網的建設提供一種新的網絡適配方案和手段。

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