CMMB中MFS碼流分析及實(shí)現(xiàn)

袁三男，王紹徐

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

責(zé)任編輯:孫 卓

1 CMMB簡(jiǎn)介

中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB）采用天地一體、星網(wǎng)結(jié)合、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、全國(guó)漫游的技術(shù)體系，通過大功率S波段衛(wèi)星和地面增補(bǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，形成全程全網(wǎng)無縫覆蓋的傳播系統(tǒng)，建成全國(guó)統(tǒng)一的移動(dòng)多媒體廣播電視傳輸網(wǎng)絡(luò),目前支持25套電視節(jié)目和30套廣播節(jié)目[1]。從2006年起廣電總局陸續(xù)頒布了CMMB系統(tǒng)的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其核心的傳輸技術(shù)采用中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星地面交互式多業(yè)務(wù)體系（STIMI）標(biāo)準(zhǔn)[2]?；跁r(shí)隙及復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，每1 s為1幀，每幀40個(gè)時(shí)隙，即40個(gè)復(fù)用幀，其中第0時(shí)隙是控制邏輯信道，其他1～39時(shí)隙為業(yè)務(wù)邏輯信道。目前已有學(xué)者對(duì)CMMB碼流進(jìn)行了部分研究[3]。本文針對(duì)CMMB的廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)于CMMB碼流的解復(fù)用播放、CMMB信號(hào)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，按照CMMB標(biāo)準(zhǔn)[4-6]，提出了用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行CMMB碼流的分析，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳出。

2 CMMB復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)及其幀結(jié)構(gòu)

CMMB中沒有采用國(guó)際上通用的TS流，而是采用了由中國(guó)自主研發(fā)的MFS流技術(shù)。MFS專門針對(duì)窄帶傳輸設(shè)計(jì)，效率可高達(dá)95%以上，這對(duì)于帶寬需求敏感的移動(dòng)電視非常重要。此外，MFS復(fù)用協(xié)議還能靈活支持各種音/視頻流、數(shù)據(jù)承載等業(yè)務(wù)，并且支持多路業(yè)務(wù)再?gòu)?fù)用，容錯(cuò)設(shè)計(jì)以及具有可擴(kuò)展性，如支持短時(shí)間業(yè)務(wù)和持續(xù)業(yè)務(wù)的組合。前者可以將多個(gè)時(shí)隙并在一起，形成高速下載等功能。

在CMMB中，系統(tǒng)主要傳輸音頻、視頻、數(shù)據(jù)和電子業(yè)務(wù)指南等信息，這些信息的傳輸通過時(shí)分復(fù)用來實(shí)現(xiàn)（見圖1），每個(gè)廣播信道幀分為n個(gè)復(fù)用幀，每個(gè)復(fù)用幀又分為若干個(gè)復(fù)用子幀。復(fù)用幀編號(hào)從0～39重復(fù)，稱為MF_ID，其中第0個(gè)復(fù)用幀規(guī)定用于傳輸控制信息，其他復(fù)用幀傳輸業(yè)務(wù)信息。

復(fù)用幀由復(fù)用幀頭和凈荷構(gòu)成，復(fù)用幀頭和復(fù)用凈荷結(jié)構(gòu)如圖2～4所示。

圖2表示了整個(gè)復(fù)用幀頭的結(jié)構(gòu)，其中最主要的信息為分隔符或起始碼0x00000001、復(fù)用標(biāo)識(shí)（即MF_ID號(hào)）、版本信息、網(wǎng)絡(luò)信息和有關(guān)表序號(hào)。圖3表示MF_ID為0的復(fù)用凈荷結(jié)構(gòu)，主要為各類控制信息表。圖4表示MF_ID不為0的復(fù)用凈荷，實(shí)際上為承載業(yè)務(wù)，即視音頻及數(shù)據(jù)等。視頻段主要承載視頻業(yè)務(wù)參數(shù)和視頻數(shù)據(jù)，由視頻段頭和多個(gè)視頻單元組成，音頻段主要承載音頻業(yè)務(wù)參數(shù)和音頻數(shù)據(jù)，由音頻段頭和多個(gè)音頻單元組成。數(shù)據(jù)段主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)參數(shù)和數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)段頭和多個(gè)數(shù)據(jù)單元組成，具體格式如系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程所述。

3 碼流分析及實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CMMB解調(diào)電路及PowerPC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)CMMB碼流的分析，其硬件框圖如圖5所示。CMMB解調(diào)電路采用思亞諾公司的SMS1180，該電路專為CMMB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，高度集成了數(shù)字調(diào)諧器、解調(diào)器和各類接口控制器，性價(jià)比高，功耗低。對(duì)于僅實(shí)現(xiàn)移動(dòng)數(shù)字電視而言，也可采用泰合志恒TP30系列芯片、創(chuàng)毅視訊IF系列CMMB芯片等[7]，但是這些電路輸出的MFS流不是完整的，只能選取某個(gè)節(jié)目的相關(guān)復(fù)用幀。SMS1180能一次同時(shí)輸出40個(gè)復(fù)用幀的全部數(shù)據(jù)，對(duì)于碼流分析而言是最佳的。PowerPC為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，性價(jià)比高于x86，ARM，MIPS，同時(shí)該芯片集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），具有內(nèi)置SRAM，DDR SDRAM，NAND Flash，PCI，DMA，MAL，UART，SPI和I2C等控制器，以及千兆以太網(wǎng)接口，運(yùn)算速度快。本文使用NOR Flash，容量為64 Mbyte，用于存儲(chǔ)Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、U-Boot引導(dǎo)加載程序和應(yīng)用程序。天線接收CMMB電視信號(hào)后送入SMS1180模塊，經(jīng)處理后通過SPI接口輸出標(biāo)準(zhǔn)的完整MFS流到后端Pow?erPC，PowerPC在Linux OS下進(jìn)行MFS碼流的分析解析。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文在PowerPC平臺(tái)上采用Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行CMMB的碼流分析，其軟件框圖如圖6所示。MFS數(shù)據(jù)流分析為其應(yīng)用程序，按照碼流復(fù)用協(xié)議[8]，分析解析流程如圖7所示。從收到的碼流中搜索復(fù)用幀起始碼0x00000001，然后按照?qǐng)D2復(fù)用幀頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)用幀頭解析。如果當(dāng)前MD_IF為0，則為控制信息幀，否則為業(yè)務(wù)幀。

復(fù)用幀0控制信息的分析如圖8所示，按照表標(biāo)識(shí)進(jìn)行，其中網(wǎng)絡(luò)信息表NIT描述了該網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，為NIT表更新序號(hào)4 bit，保留字段4 bit，系統(tǒng)時(shí)間40 bit，國(guó)家碼24 bit，網(wǎng)絡(luò)級(jí)別4 bit，網(wǎng)絡(luò)號(hào)12 bit，網(wǎng)絡(luò)名稱長(zhǎng)度N1（8 bit），網(wǎng)絡(luò)名稱，頻點(diǎn)編號(hào)8 bit，中心頻率32 bit，帶寬4 bit，保留4 bit，網(wǎng)絡(luò)其他頻點(diǎn)數(shù)量N2（4 bit），對(duì)應(yīng)N2個(gè)頻率情況（頻點(diǎn)編號(hào)8 bit，中心頻率32 bit，帶寬4位，保留4 bit），鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)數(shù)量N3（4 bit），保留4 bit，對(duì)應(yīng)N3個(gè)鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)信息（鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)級(jí)別4 bit，鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)號(hào)12 bit，基本載頻的頻點(diǎn)編號(hào)8 bit，中心頻率32 bit，帶寬4 bit，保留字段4 bit）和CRC_32。

持續(xù)業(yè)務(wù)和短時(shí)間業(yè)務(wù)復(fù)用配置表除表標(biāo)識(shí)號(hào)不同外，其他參數(shù)都相同，分別描述了一定時(shí)間內(nèi)的每個(gè)持續(xù)業(yè)務(wù)和短時(shí)間業(yè)務(wù)復(fù)用幀配置的信息，包括頻點(diǎn)編號(hào)8 bit，復(fù)用配置表更新序號(hào)4 bit，保留6 bit，復(fù)用幀數(shù)量N1（6 bit），N1個(gè)復(fù)用幀信息（復(fù)用幀標(biāo)識(shí)6 bit，RS 碼速率 2 bit，字節(jié)交織模式2 bit，LDPC編碼速率2 bit，調(diào)制方式2 bit，保留1 bit，擾碼方式3 bit，時(shí)隙個(gè)數(shù)N2（6 bit），N2個(gè)時(shí)隙信息（時(shí)隙號(hào)6 bit，保留2 bit），保留 4 bit，復(fù)用子幀數(shù)量N3（4 bit），N3個(gè)復(fù)用子幀信息（復(fù)用子幀號(hào)4位，保留4 bit，業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)16 bit））和CRC_32。

持續(xù)業(yè)務(wù)和短時(shí)間業(yè)務(wù)配置表除表標(biāo)識(shí)號(hào)不同外，其他參數(shù)相同，分別描述了本網(wǎng)絡(luò)的所有持續(xù)業(yè)務(wù)和短時(shí)間業(yè)務(wù)與載頻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體包括段長(zhǎng)度16 bit，段號(hào)8 bit，段數(shù)量8 bit，業(yè)務(wù)配置表更新序號(hào)4 bit，保留4 bit，業(yè)務(wù)個(gè)數(shù)N1（16 bit），N1個(gè)業(yè)務(wù)信息（業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)16 bit，頻點(diǎn)編號(hào)8 bit）以及CRC_32。

電子業(yè)務(wù)指南（Electronic Service Guide，ESG）是移動(dòng)多媒體廣播的業(yè)務(wù)導(dǎo)航系統(tǒng)，其用途是為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，具體信息包括:ESG更新序號(hào)4 bit，段長(zhǎng)度12 bit，段序號(hào)4 bit，段數(shù)量 4 bit，網(wǎng)絡(luò)級(jí)別4 bit，網(wǎng)絡(luò)號(hào)12 bit，保留2 bit，本地時(shí)間偏移6 bit，字符編碼類型4 bit，ESG業(yè)務(wù)數(shù)量N1（4 bit），N1個(gè)業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)（保留4 bit，業(yè)務(wù)索引標(biāo)識(shí)4 bit，業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)16 bit），保留4 bit，數(shù)據(jù)類型個(gè)數(shù)N2（4 bit），N2個(gè)數(shù)據(jù)信息（數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)4 bit，保留4 bit，數(shù)據(jù)塊數(shù)量N3（8 bit）），N3個(gè)數(shù)據(jù)塊信息（數(shù)據(jù)塊標(biāo)識(shí)8 bit，數(shù)據(jù)塊版本號(hào)4 bit，業(yè)務(wù)索引標(biāo)識(shí)4 bit）和CRC_32。

緊急廣播由表頭和緊急廣播數(shù)據(jù)組成，緊急廣播數(shù)據(jù)段是一般的文本文檔數(shù)據(jù)。當(dāng)MD_IF不等于0時(shí)，該幀為業(yè)務(wù)復(fù)用幀，其分析流程如圖9所示。子幀頭提供了該子幀所包含的視音頻和數(shù)據(jù)段的相關(guān)信息，包括頭長(zhǎng)度8 bit，起始播放時(shí)間指示1 bit，視頻段指示1 bit，音頻段指示1 bit，數(shù)據(jù)段指示1 bit，擴(kuò)展區(qū)指示1 bit，保留3 bit；若起始播放時(shí)間指示為1，則起始播放時(shí)間32 bit；若視頻段指示為1，則視頻段長(zhǎng)度21 bit，視頻流總數(shù)N1（3 bit）；若音頻段指示為1，則音頻段長(zhǎng)度21 bit，音頻流總數(shù)N2（3 bit）；若數(shù)據(jù)段指示為1，則數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度 21 bit，保留3 bit；若擴(kuò)展區(qū)指示為1，則N1個(gè)視頻信息（視頻算法類型3 bit，視頻碼率指示1 bit，圖像顯示指示1 bit，分辨力指示1 bit，幀頻指示 1 bit，保留 1 bit；若圖像顯示指示標(biāo)記等于1，則增加2 byte（即16 bit），分別是6 bit圖像顯示橫坐標(biāo)，6 bit圖像顯示縱坐標(biāo)，3位圖像顯示優(yōu)先級(jí)，保留1 bit；若分辨力指示為1，則保留4 bit，視頻水平分辨力10 bit，視頻垂直分辨力10 bit；若幀頻指示為1，則幀頻4 bit，保留4 bit）。N1個(gè)視頻信息后為N2個(gè)音頻信息（音頻算法類型4 bit，音頻碼率指示1 bit，音頻采樣率指示1 bit，音頻流描述指示1 bit，保留1 bit；若音頻碼率指示為1，則音頻碼率14 bit，保留2 bit；若音頻采樣率指示為1，則保留4 bit，音頻采樣率4 bit；若音頻流描述指示為1，則音頻流描述24 bit）。最后為CRC_32。

當(dāng)進(jìn)行視音頻解碼時(shí)，首先根據(jù)業(yè)務(wù)幀中得到的信息，提取視音頻數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分解，得到各路不同的節(jié)目。視頻段頭是視頻段的核心數(shù)據(jù)，決定著視頻段的視頻數(shù)據(jù)，為視頻段里的各個(gè)視頻單元都分配了各自的業(yè)務(wù)參數(shù)，以保證視頻內(nèi)容的正常使用。視頻段頭解碼時(shí)，首先得到12 bit的視頻段頭長(zhǎng)度，逐字節(jié)分析視頻段頭內(nèi)容。具體信息包括視頻單元長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、圖像幀類型、視頻流編號(hào)等信息。音頻段解碼過程同視頻段解碼相似，得到音頻單元長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)及音頻流編號(hào)等信息。數(shù)據(jù)段解碼時(shí)直接提取數(shù)據(jù)單元中的有效數(shù)據(jù)凈荷。至此可以得到CMMB碼流中的全部業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及信息（視音頻數(shù)據(jù)），可送至播放器播放或監(jiān)測(cè)處理。具體的視音頻段頭、數(shù)據(jù)段頭解復(fù)用流程如圖10～12所示。

4 小結(jié)

本文按照如上所述的系統(tǒng)硬件方案和軟件結(jié)構(gòu)、碼流分析流程實(shí)現(xiàn)了CMMB碼流的分析和監(jiān)測(cè)，客戶端可以從網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)得到本系統(tǒng)的分析結(jié)果及視音頻數(shù)據(jù)。本文所述的應(yīng)用系統(tǒng)軟件即MFS碼流分析程序經(jīng)過稍微修改也在PC的Windows系統(tǒng)VC環(huán)境下針對(duì)CMMB的MFS碼流文件進(jìn)行了分析，測(cè)出結(jié)果也完全正確。系統(tǒng)在CMMB檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

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