CMMB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)

袁三男

（上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090）

國(guó)家廣電總局頒布的中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［1-4］，其核心傳輸技術(shù)采用我國(guó)自主研發(fā)的STi?Mi（衛(wèi)星地面交互式多業(yè)務(wù)體系）技術(shù)［5］，非常適合終端設(shè)備的高移動(dòng)性和惡劣的無線信道環(huán)境，目前可支持25套電視節(jié)目和30套廣播節(jié)目［1］，已經(jīng)成為廣播電視的補(bǔ)充和延伸。

隨著CMMB的推廣，CMMB的安全播出也顯得日益重要。筆者對(duì)廣播電視的安全播出、報(bào)警監(jiān)測(cè)等做過大量研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)CMMB電視監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究，分析了CMMB系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容及要求，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了CMMB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

1 CMMB系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)

CMMB系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的目的是要及時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)中斷、信號(hào)劣化、非法插播等問題，對(duì)全程的安全、質(zhì)量和內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理和報(bào)警發(fā)布。由于要對(duì)技術(shù)性指標(biāo)和播出內(nèi)容是否符合要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅數(shù)據(jù)量大，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。

CMMB監(jiān)測(cè)的范圍主要包括傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)、碼流實(shí)時(shí)解析、節(jié)目?jī)?nèi)容監(jiān)看、綜合監(jiān)管功能等方面。

1）傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要通過前端監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)CMMB射頻指標(biāo)（如誤碼率、信號(hào)強(qiáng)度、頻率偏移、同步狀態(tài)等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。射頻指標(biāo)通常由CMMB解調(diào)模塊獲取，然后通過處理單元處理。一般CMMB解調(diào)模塊可以直接給出當(dāng)前接收的工作頻率（預(yù)先通過處理單元設(shè)定），也即目前接收的信道；接收信號(hào)強(qiáng)度指示即當(dāng)前接收頻率的信號(hào)強(qiáng)度；誤碼率范圍指示從0～100%；同步狀態(tài)表示當(dāng)前解調(diào)模塊的同步鎖定情況，可分為無信號(hào)、在同步過程、同步完成、同步失敗等幾種。對(duì)誤碼率等監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行門限設(shè)置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)失鎖、劣化或指標(biāo)越界時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，在射頻層面進(jìn)行預(yù)防性監(jiān)測(cè)。

2）碼流實(shí)時(shí)解析主要對(duì)CMMB標(biāo)準(zhǔn)碼流MFS進(jìn)行全面分析以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。解析內(nèi)容包括MFS流的基本信息、碼率情況、網(wǎng)絡(luò)信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（視頻、音頻、數(shù)據(jù)）等，每個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)用幀的最后都包含CRC錯(cuò)誤字節(jié)指示，通過CRC單元也可監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)情況。

3）節(jié)目?jī)?nèi)容監(jiān)看指監(jiān)測(cè)設(shè)備接收網(wǎng)絡(luò)中的碼流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解碼監(jiān)看。對(duì)頻點(diǎn)中的每一路業(yè)務(wù)包括視音頻、廣播等分別進(jìn)行解碼、顯示，同時(shí)對(duì)需要的節(jié)目進(jìn)行錄音、錄像。在解壓縮后的視音頻層面還要進(jìn)行異態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警，如對(duì)視頻丟失、視頻黑場(chǎng)、視頻靜幀、音頻丟失、音量過高過低等的監(jiān)測(cè)。

4）綜合監(jiān)管功能指對(duì)系統(tǒng)的綜合管理。通過中心網(wǎng)管系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)的配置、報(bào)警信息的集中發(fā)布、用戶權(quán)限的級(jí)別配置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、日志信息的分類存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)報(bào)表的自動(dòng)生成等功能。

CMMB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端設(shè)備主要用于CMMB信號(hào)的接收、解調(diào)和視音頻的內(nèi)容監(jiān)測(cè)、重新編碼、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)射頻關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)碼流進(jìn)行實(shí)時(shí)解析。本監(jiān)測(cè)前端系統(tǒng)采用IP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝形式。設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。

監(jiān)測(cè)前端設(shè)備根據(jù)上層應(yīng)用系統(tǒng)的指令，接收相應(yīng)的CMMB信號(hào)，通過解調(diào)、解復(fù)用、解擾等工作解出基帶信號(hào)，并對(duì)基帶信號(hào)重新編碼，重新編碼后的碼率小于100 kbit/s。編碼后的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播發(fā)?？蛻舳耸褂猛ㄓ貌シ牌魅鏥LC進(jìn)行視音頻的解碼和播放。同時(shí)監(jiān)測(cè)前端根據(jù)上層應(yīng)用系統(tǒng)的指令進(jìn)行相關(guān)射頻指標(biāo)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)返回給上層應(yīng)用系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)前端還需對(duì)CMMB圖像信號(hào)進(jìn)行異態(tài)報(bào)警，內(nèi)容包括無同步、無圖像、無伴音、圖像靜止等。任何異態(tài)報(bào)警均可自由設(shè)置其報(bào)警靈敏度與報(bào)警時(shí)間。

監(jiān)測(cè)主站可根據(jù)上層應(yīng)用系統(tǒng)指令對(duì)470～798 MHz進(jìn)行頻道掃描。上層應(yīng)用系統(tǒng)指定頻譜掃描的起始頻率、終止頻率和掃描步長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)前端自動(dòng)進(jìn)行頻譜掃描，并將掃描后的結(jié)果返回給上層應(yīng)用系統(tǒng)。頻譜掃描任務(wù)可分為兩種，即實(shí)時(shí)頻譜掃描和定時(shí)任務(wù)頻譜掃描。

監(jiān)測(cè)主站需對(duì)CMMB碼流進(jìn)行分析，包括ESG采集，MF_ID=0的控制復(fù)用幀采集，一旦發(fā)現(xiàn)有緊急廣播播出存在，則自動(dòng)將緊急廣播信息第一時(shí)間回傳至上層應(yīng)用系統(tǒng)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

按照廣電總局CMMB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分兩部分，第一部分為監(jiān)測(cè)前端，第二部分為監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)前端采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，中心端為網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)器及PC客戶端，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)前端、視頻服務(wù)器連接，實(shí)時(shí)或歷史查詢各類參數(shù)、監(jiān)測(cè)各頻點(diǎn)視音頻節(jié)目，通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)前端的配置等，中心端主要通過高層軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1 監(jiān)測(cè)前端硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)前端主要采用CMMB模塊和嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

監(jiān)測(cè)前端系統(tǒng)主要包括CMMB接收模塊、FPGA視音頻檢測(cè)傳輸模塊、主CPU總控模塊。CMMB模塊采用創(chuàng)毅視訊完整的單芯片CMMB解決方案IF303，接口豐富。FPGA視音頻檢測(cè)傳輸模塊采用Altera公司的Cyclo?neII Ep2c35，該芯片性能好，價(jià)格低。主CPU采用AMCC公司的高性能PowerPC處理器PPC440EPx，該芯片采用高性能的RISC處理器，集成了豐富的外圍接口控制器及FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)。

2.2 各模塊功能

DSP Builder是系統(tǒng)核心處理器，為PPC440EPx，它負(fù)責(zé)IF303 CMMB模塊的運(yùn)行管理、FPGA視音頻檢測(cè)的管理和CMMB視音頻的重新編碼、所有CMMB監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件建立在Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行，程序置于NOR Flash中，容量為64 Mbyte，包括Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、U-Boot引導(dǎo)加載程序及應(yīng)用程序。PPC440EPx通過千兆以太網(wǎng)接口88E111和Linux豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成監(jiān)測(cè)前端系統(tǒng)和中心端客戶、視頻存儲(chǔ)器的互聯(lián)。PPC440EPx同時(shí)通過UART串口實(shí)現(xiàn)本地用戶的操作管理。

與文獻(xiàn)［6］提出的實(shí)現(xiàn)方案對(duì)比，該CMMB移動(dòng)數(shù)字電視系統(tǒng)采用了單芯片CMMB視音頻解碼。IF303程序下載采用主SPI方式，程序置于PowerPC系統(tǒng)中，上電后通過PowerPC SPI接口下載，從而節(jié)省成本，控制靈活。IF303工作后根據(jù)CPU指令選擇某一頻率進(jìn)行解調(diào)、解復(fù)用和解碼，然后將解碼后的視音頻通過LCD接口送至FPGA，同時(shí)將測(cè)量的相關(guān)射頻參數(shù)于寄存器中，由CPU進(jìn)行讀取。

FPGA視音頻檢測(cè)傳輸模塊接收IF303來的視音頻數(shù)據(jù)，一方面將視音頻數(shù)據(jù)通過PowerPC DMA接口傳給CPU進(jìn)行視音頻重新編碼，同時(shí)將收到的視音頻進(jìn)行報(bào)警檢測(cè)。報(bào)警檢測(cè)分視頻和音頻兩部分進(jìn)行。視頻部分將接收的視頻數(shù)據(jù)按行幀格式檢查Y，Cb，Cr數(shù)據(jù)，判斷有無同步、有無圖像或者圖像是否靜止，音頻采用I2S接收，將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行能量檢測(cè)，從而判定有無伴音、音量過高/低等，具體的視音頻檢測(cè)算法及實(shí)現(xiàn)另文敘述。FPGA將檢測(cè)結(jié)果存入內(nèi)部寄存器中，等待CPU讀取。

2.3 監(jiān)測(cè)前端軟件設(shè)計(jì)

按照CMMB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。系統(tǒng)軟件在Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行，底層數(shù)據(jù)操作通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。軟件功能主要實(shí)現(xiàn)IF303 CMMB模塊的調(diào)諧解調(diào)及視音頻解碼、FPGA模塊的視音頻報(bào)警檢測(cè)和PowerPC CPU模塊的總控、H.264視音頻編碼、監(jiān)測(cè)參數(shù)測(cè)量、人機(jī)接口管理等，CMMB完整碼流分析在另外的模塊中實(shí)現(xiàn)。

CMMB系統(tǒng)射頻指標(biāo)可以直接由IF303模塊檢測(cè)得到，然后通過CPU讀取寄存器值。IF303相關(guān)的寄存器為:CURR_FREQ（0x0BD）是當(dāng)前接收頻率值，也即目前工作的信道；SIG_STRENGTH（0x0BE）為接收信號(hào)強(qiáng)度指示，顯示從0～-99 dB的信號(hào)強(qiáng)度；ERRRATE（0x0BF）為L(zhǎng)DPC誤碼率，指示了LDPC誤碼率從0～100%的檢測(cè)結(jié)果；SYNC_STATE（0x0CC）寄存器指示了芯片同步狀態(tài)，有無信號(hào)、在同步、同步正確、同步失敗等4種狀態(tài)；LDPC_ERR_COUNTER0-4（0x230-233）和 LDPC_TTL_NUM0-4（0x238-23b）分別記錄了錯(cuò)誤的LDPC和總的LDPC計(jì)數(shù)值。系統(tǒng)提取射頻參數(shù)只需通過SPI接口讀取IF303相關(guān)的寄存器即可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)前端系統(tǒng)接收上層系統(tǒng)的頻率掃描命令，按照掃描參數(shù)，通過I2C或SPI對(duì)IF303進(jìn)行設(shè)置。IF303也可進(jìn)行頻道搜索，將整個(gè)頻段內(nèi)有信號(hào)頻率進(jìn)行檢索、存儲(chǔ)并告知CPU檢索結(jié)果。

CMMB碼流解復(fù)用分析模塊按照CMMB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。控制信息包括網(wǎng)絡(luò)信息表NIT、持續(xù)業(yè)務(wù)和短時(shí)間業(yè)務(wù)復(fù)用配置表、持續(xù)業(yè)務(wù)和短時(shí)間業(yè)務(wù)配置表、ESG電子業(yè)務(wù)指南、緊急廣播等。ESG電子業(yè)務(wù)指南是移動(dòng)多媒體廣播的業(yè)務(wù)導(dǎo)航系統(tǒng)，包含CMMB終端用戶提供移動(dòng)多媒體廣播業(yè)務(wù)的導(dǎo)航信息，如業(yè)務(wù)名稱、節(jié)目播放時(shí)間、節(jié)目名稱、節(jié)目分類和內(nèi)容介紹等，用戶使用ESG對(duì)移動(dòng)多媒體廣播的播出內(nèi)容進(jìn)行快速檢索和訪問。業(yè)務(wù)復(fù)用幀由復(fù)用幀頭和復(fù)用子幀組成，包含視音頻和數(shù)據(jù)段的相關(guān)信息。文獻(xiàn)［7］詳細(xì)介紹了CMMB中MFS碼流分析及實(shí)現(xiàn)的過程。

3 小結(jié)

本文針對(duì)CMMB系統(tǒng)的快速發(fā)展對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了CMMB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求和目的，從信號(hào)、信源、音視頻等幾個(gè)層面進(jìn)行了分析，應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其前端控制設(shè)備。CMMB作為新媒體業(yè)務(wù)其監(jiān)測(cè)也是一個(gè)新課題，本方案可為CMMB的順利推廣提供幫助，同時(shí)針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)側(cè)重點(diǎn)可以此進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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[7]袁三男，王紹徐.CMMB中MFS碼流分析及實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011，35（18）:88-91.