FPGA保证家庭网络的服务质量

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作者：Altera公司广播/汽车/消费类业务部 Tam Do时间：2007-09-04来源：电子产品世界收藏

引言

家庭网络正在成为视频、语音和数据快速传送的“中央火车站”。视频由标准清晰提升至高清晰，因此需要越来越高的数据速率，这表明家庭网络系统必须随着新兴视频标准的发展而发展。目前，多媒体家庭网络技术采用了各种有线和无线网络接口标准，但是目前这些标准还无法确保家庭内部现场多媒体传输的服务质量(QoS)。

挑战

首先面临的挑战是设计可靠的多媒体家庭网络平台，以足够的QoS传送互联网协议(IP)包，并且没有明显的失真。另一挑战是设计人员怎样以较高的性价比实现这一切，使消费者能够用得起。

专业广播行业已经采用了多项技术来解决第一个挑战。在消费类低成本FPGA中采用这些技术后，设计人员也能够解决第二个挑战。

图1 矩阵排列实例

* 实时传送协议
实时传送协议(RTP)主要用于在互联网上传输和分配音频以及视频，例如视频会议和视频流等应用。然而，该协议具有时间戳和数据包丢失或者重排探测等功能，因此，也可以用于在条件有限的环境中通过以太网进行视频分配，例如家庭多媒体网络等。

互联网工程任务组(IETF)的音频/视频传送(AVT)工作组定义了IP音频和视频实时传输的RTP。它最初由RFC文档RFC3350进行定义，被IETF互联网工程指导组(IESG)在2004年3月批准为全标准。AVT工作组也在负载格式、误码纠正以及安全方面开发了大量的支持标准。

* MPEG/MPEG-2视频的RTP负载格式
RTP是一种适合多种传送应用的通用协议。经过其他规范的扩展，它还可以用于更专业的应用。RFC2250定义了MPEG和MPEG-2视频的RTP负载格式，详细规定了MPEG-2传送流(TS)数据的封包，并成为Practice #3 (CoP3) Pro-MPEG码和数字视频广播(DVB)-IP手册的参考。

* UDP/IP
RTP是传送协议。它一般在主机至主机层采用用户数据报协议(UDP，由IETF RFC768定义)，互联网层采用IP(由IETF RFC791定义)。与传输控制协议(TCP)不同，UDP不面向连接，不采取措施对数据进行排序，不保证可靠的数据包交付。这一特性使其比TCP更快更简单，效率更高，因此，同RTP结合后，更适合宽带视频分配。

* Practice #3 FEC的Pro-MPEG码
数据不论是通过有线还是无线网络进行传送，在噪声、时钟抖动以及网络链路饱和的影响下，都会出现劣化，表现为数据包丢失或者视频像素丢失。在这方面，压缩视频流要比未经压缩的视频流表现更明显。

Pro-MPEG论坛是广播公司、节目制作方、设备生产商以及元件供应商组成的协会，旨在根据广播公司和最终用户的要求来实现专业电视设备的互用性。Pro-MPEG广域网(WAN)工作组重点研究怎样在WAN上利用IP交换高质量节目内容的系统之间建立互用性。该工作组制定了在IP网络上传输专业MPEG-2 TS数据的实用码，建议了传输协议(例如，RTP/UDP/IP映射)和前向纠错(FEC)方案，还讨论了时序恢复、抖动容限和延时等问题。尽管可以选择使用RTP来支持基于UDP/IP的已有标准，IP承载视频参考设计遵从传输协议建议。

在IP网络环境中保证最低数据完整性的一个方法是采用负载预知处理技术。负载预知处理技术涉及到IP封装、时序纠正以及应用层FEC。现场视频传输不能使用数据包重发机制。因此，利用FEC，接收器迅速重新构建丢失或者错误的数据，而不需要申请重新传输。电缆、卫星和地面数字视频传输采用了各种类型的FEC方案。对于IP视频网络，Pro-MPEG论坛建议了FEC算法，它使用异或(XOR)方法来产生冗余数据，进行误码纠正。该标准被称为Pro-MPEG COP3第2版(CoP3r2)。FEC主要用于MPEG-2和H.264等压缩视频流。

图2 典型的多媒体家庭网络

Pro-MPEG FEC是二维XOR算法，有几种可能性来确定数据矩阵的大小。FEC要求矩阵列数应至少有一列，但不超过20列，行数至少有四行，但不超过20行。而且，一个矩阵中的数据包总数不能超过100个。为理解这一简单的FEC概念，假设A和B是RTP数据包，那么，F=AB是和{A, B}保护集相关的FEC数据包。F是RTP数据包逐字节XOR运算的结果。XOR运算符的特点是如果F=AB，那么A=BF，B=AF。如果A或者B丢失，那么可以利用F FEC数据包来恢复A或者B。图1所示为Pro-MPEG矩阵排列，得到的FEC开销数据以绿色表示。

解决方案

Altera IP承载视频参考设计从几个输入中接收MPEG TS数据，对其进行封装，在基于以太网的IP网络上进行传输。设计使用业界标准UDP/IP网络封装，也可以选用RTP封装和Pro-MPEG CoP3 FEC。设计支持100Mbps (全双工)和1Gbps以太网连接，能够处理256个独立数据流。通过硬件封装，设计可以达到千兆以太网(GbE)线路速率，并且传输延迟很小。

设计还可以从以太网中接收256个独立数据流，恢复为TS数据。对于RTP封装的数据，设计含有接收器缓冲，来消除网络抖动，对数据包重新排序和重复进行纠正。也可以使用可选的CoP3 FEC丢失数据包恢复功能。

可以提供大部分关键构建模块，下载至FPGA系统设计中使用。也可以使用FPGA设计工具中的现有构建模块来进行设计。大部分设计工具含有FIFO、内部存储器、外部存储控制器、计数器、锁相环(PLL)以及其他简单逻辑等模块。图2是一个典型的多媒体家庭网络设计，它使用FPGA作为接口桥接，例如USB 2.0和FireWire，还支持今后的视频接口协议。利用Altera的IP承载视频参考设计能够将输入视频映射至IP网络。Cyclone系列等低成本FPGA可用于实现完整的设计，系统非常灵活，具有更新能力，可满足今后的需求。

IP承载视频参考设计(图3所示)基于SOPC Builder系统，提供以下关键构建模块：
* RTP发射器
* RTP接收器
* UDP/IP功能
* PHY接口
* Nios II嵌入式处理器，用于设计控制
* FEC生成器和接收器缓冲外部RAM的仲裁逻辑以及存储控制器