MPEG-2传输流解复用在内嵌ARM核的FPGA上的实现

引言
随着芯片技术的发展，FPGA的容量已经达到上百万门级，从而使FPGA成为设计的选择之一。Altera公司的FPGA芯片 EPXA10应用SOPC技术，集高密度逻辑(FPGA)、存储器(SRAM)及嵌入式处理器(ARM)于单片可编程逻辑器件上，实现了RISC和 FPGA的完美结合。本文使用EPXA10芯片，利用片上的ARM微处理器对MPEG-2传输流进行解码，得到必要的解码参数，实现了将传输流分成视频流和音频流的解复用。

EPAX10器件
简要介绍
ALTERA公司的EPXA10器件单片集成了ARM硬核，百万门级的FPGA，以及SDRAM存储器的接口。它将FPGA和ARM处理器完美结合在一起，是一个典型的SOPC结构，该器件的模块框图如图1所示。
其中ARM处理器是32位的ARM922T，工作频率可以达到200MHz，具有8K的数据缓存和8K的指令缓存。通过板上的JTAG接口，可以实现断点调试功能。
片上的百万门级FPGA可用于实现用户自定义的逻辑。它通过AHB总线和ARM处理器相互连接。为了更加灵活的使用，FPGA用户自定义逻辑可以定义为主模块(master)，在总线通信时处于发起端；或是定义为从模块(slave)，在总线通信时处于接收端。FPGA器件内部有3M大小的存储器，同时集成了SDRAM控制器。在FPGA开发板上可以外接128M的SDRAM，为了便于内部FPGA和外部SDRAM大数据量的交换，用户还可以定义自己的 DMA模块，用于访问外部SDRAM。通过UART、网卡接口、JTAG接口，FPGA可以很方便地同外部计算机通信、下载程序，及调试程序等。

图1 EPAX10器件的模块框图

图2 MPEG-2码流形成示意图

MPEG-2传输流解复用原理
MPEG-2传输流简要介绍
作为数字视频压缩技术的国际通用标准，MPEG-2标准于1994年被运动图像专家组制定出来，分成系统层、视频压缩层和音频压缩层。系统层主要用来描述音、视频的数据复用和音、视频的同步方式。在系统层定义了TS(传输流) 和PS(节目流)两种形式的码流。PS通常用于相对无错的环境，例如DVD中，其长度为2048字节；TS通常用于相对有错的环境，例如数字电视的地面广播传输中，分组长度规定为188字节。TS流和PS流都是由编码后的基本数据流(ES)根据一定的格式打包形成PES包，再加入一些系统信息而构成的，码流形成过程如图2所示。根据MPEG-2协议，在发送端，基本流的PES打包由音/视频编码器完成，复用器接收编码端的音、视频数据流以及辅助数据流，按照一定的复用方法将其交织成为单一的TS流。为了实现音、视频同步，在码流中还必须加入各种时间的标志和系统的控制信息。接收端和发送端正好相反。
传输流及其PSI表
传输流TS的结构长度为188字节，分成包头和包负荷两部分。包头主要包括同步字节和PID以及其他的信息，同步字节用来指示一个TS包开始(0x47)， PID表示TS包的类型。例如一个节目里的音频PES包，在转换成为TS包后会具备同样的PID，这样，接收端只需要接收具有此PID的TS包，就可以将该节目的音频解出来了。包负荷是包的实际内容，根据具体情况，可以放置PES包或PSI包。传输流由一个或者多个节目构成，而每一个节目由视频流、音频流、私有信息流以及其他的数据包构成。
PSI包在传输流解复用中占据重要地位，它通过四个表格来定义码流的结构，分别是节目关联表(PAT)、节目映射表(PMT)、条件接收表(CAT)和网络信息表(NIT)。其中最为关键的部分是PAT表和PMT表。
PAT 表是PSI信息的索引表，PID值固定为0。在PAT表中列出了该传输码流中所有节目的PMT表的PID值。如果接收方希望接收其中的一个节目，即可根据这个PID值解出对应于该节目的PMT表，从中可以查询到与该节目相关的所有音频流、视频流，以及私有信息的PID，在接收时就可以只接收具有这些PID 值的包。
如图3所示，PAT表的PID值为0，根据PAT表可以得到各个节目对应的PID值，如节目0，PID=122，对应NIT网络信息表；节目1，PID=60；节目20，PID=200等。如果希望看节目20，就根据200这个PID值得到节目20对应的PMT表，再进一步查到节目20的视频、音频及私有信息包对应的PID值，分别为500、510和540。解有这些PID值的传输包就可以解出音频和视频的PES包，最终解出音频流和视频流。CAT表的PID值固定为1，用来传递加密信息，不在本文的讨论范围内。