CN101516029A - 一种基于fpga的帧同步字节识别系统及识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的帧同步字节识别系统及识别方法，其中同步识别方法包括对TS流的当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在所述当前数据帧内的位置；判断当前数据帧是否为第一帧；记录当前数据帧内值为0X47的字节的位置，并进行标记；记录当前数据帧内标记为1的字节位置的个数；当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，进入监视状态，否则进入下一帧。本发明的同步字节识别方法快速可靠且实现简单，能够提高同步速度，减少有效数据丢失并减少TS流数据处理时间。

Description

一种基于FPGA的帧同步字节识别系统及识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的帧同步字节识别系统及识别方法。

背景技术

DVB-RCS是具有卫星回传信道的DVB-S系统，所谓的DVB-S就是符合欧洲电信标准ETS 300 421的数字卫星广播标准，DVB-S标准于1994年12月正式公布之后立即被世界上许多国家采用，目前已经成为数字卫星广播的主流标准。在ETS 300 421标准中详细地描述了数字卫星广播中数字信号(包括数字视频、数字音频和数据信号)的帧结构、信道编码方式和调制方式。该标准采用了1994年正式推出的ISO/IEC13818 MPEG-2标准作为其信源压缩编码方案。

MPEG-2TS流存在两种传输格式，一种是188字节格式(不带RS码)，另一种是204字节格式(带RS码)。本文讨论188字节格式的同步字节检测方法(204字节相同)。TS(Transfer Stream)为传输流的缩写，由一系列的TS包组成，每个TS包包含188个字节，每个TS包的第一字节为帧同步字节且固定为0X47，但TS流中除了同步字节0X47外，在TS流的有效数据载荷中也存在其他的0X47字节，故只有检测到TS流的帧同步字节0X47才能对各数据帧进行定位，对帧结构进行分解处理。在以MPEG-2为标准的TS流中凡是涉及数据帧的内容处理或者帧结构更改中，都要用到同步字节检测技术。TS流的同步字节检测是数据帧处理工作的前提，要求具备快速，可靠的特点。

《中国有线电视》文章编号为：1007-7022(2004)15-0041-03的《一种MPEG-2TS流的同步字节识别》中介绍的检测技术描述如下：检测到TS流中第一个0X47字节就暂且当作同步字节，对该字节进行监视，若连续3次监视成功则认为该字节为同步字节，否则丢弃该字节，从下个出现的0X47字节进行监视，直到连续3次监视成功则认为找到同步字节。所述的监视过程是指：以该0X47字节开始进行计数，若计到187时TS流中又出现0X47(这是帧同步字节的特征)，则认为是一次监视成功。该技术对不同的TS流同步时间不相等，具有检测时间长，可靠性不够高的缺点。因为即使连续3次监视成功并不能说明该字节即同步字节，只是出错的概率很小而已。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的帧同步字节识别系统及识别方法，该识别系统及方法快速可靠且实现简单，能够提高同步速度，减少有效数据丢失并减少TS流数据处理时间。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：包括监测状态判断模块，数据字节计数模块，同步字节出现位置记录模块，同步字节数量计数模块和数据帧数量指示模块五个模块，其中：

数据字节计数模块：对TS流当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在所述当前数据帧内的位置，并将结果输出给数据帧数量指示模块；接收检测状态判断模块输出的进入下一帧的指令；

数据帧数量指示模块：接收数据字节计数模块输出的结果信息，判断所述当前数据帧的数量是否为第一帧，并将结果输出给同步字节出现位置记录模块；

同步字节出现位置记录模块：接收数据帧数量指示模块输出的结果信息，记录所述当前数据帧内值为0X47的字节的位置，如果当前数据帧为第一帧，则将值为0X47的字节位置标记为1，其余字节位置标记为0；如果当前数据帧不为第一帧，则先判断标记为1的字节位置是否为0X47，如果是0X47，则标记位置仍为1，否则，标记位置为0，并将结果输出给同步字节数量计数模块；

同步字节数量计数模块：接收同步字节出现位置记录模块输出的结果信息，记录所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数，并将结果输出给检测状态判断模块；

检测状态判断模块：接收同步字节数量计数模块输出的结果信息，当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，系统进入监视状态；当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数不为1时，发出进入下一帧的指令，并将指令输送给数据字节计数模块。

一种基于FPGA的帧同步字节识别方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对TS流的当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在所述当前数据帧内的位置；

(2)判断所述当前数据帧是否为第一帧；

(3)记录所述当前数据帧内值为0X47的字节的位置，如果当前数据帧为第一帧，则将值为0X47的字节位置标记为1，其余字节位置标记为0；如果当前数据帧不为第一帧，则先判断标记为1的字节位置是否为0X47，如果是0X47，则标记位置仍为1，否则，标记位置为0；

(4)记录所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数；

(5)当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，进入步骤(6)，否则进入下一帧并进入步骤(1)；

(6)系统进入监视状态。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)高效性：本发明技术方案只对第一帧内的0X47字节的位置进行记录，以后每帧只检测上次记录位置，大大减少了工作量提高了效率，减少了检测所需时间。

(2)准确性：本发明技术方案通过采用将第一帧内0X47字节的位置标记为1，以后仅检测各帧内标记为1的字节位置是否为0X47，如果是标记仍为1，直到标记为1的帧内位置仅为一个时，结束检测，该方案能够保证检测出的字节肯定是帧同步字节，不会出现错误捕获，可靠性高。

(3)实现简单：本发明技术方案使用FPGA实现不需要缓存数据，占用资源少，VHDL程序核心代码十分简短。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的帧同步字节识别系统的结构简图；

图2为本发明识别系统中数据字节计数模块的工作流程图；

图3为本发明识别系统中数据帧数量指示模块的工作流程图；

图4为本发明识别系统中同步字节出现位置记录模块的工作流程图；

图5为本发明识别系统中同步字节数量计数模块的工作流程图；

图6为本发明识别系统中检测状态判断模块的工作流程图；

图7为本发明基于FPGA的帧同步字节识别方法的流程图；

图8为本发明基于FPGA的帧同步字节检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明以188字节为例对基于FPGA的帧同步字节识别系统及识别方法进行描述：

如图1所示，为本发明基于FPGA的帧同步字节识别系统的结构简图，由图可知本发明基于FPGA的帧同步字节识别系统包括监测状态判断模块，数据字节计数模块，同步字节出现位置记录模块，同步字节数量计数模块和数据帧数量指示模块五个模块，其中数据字节计数模块对TS流当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在所述当前数据帧内的位置，并将结果输出给数据帧数量指示模块，同时接收检测状态判断模块输出的进入下一帧的指令；

数据帧数量指示模块接收数据字节计数模块输出的结果信息，判断当前数据帧的数量是否为第一帧，并将结果输出给同步字节出现位置记录模块；

同步字节出现位置记录模块接收数据帧数量指示模块输出的结果信息，记录所述当前数据帧内值为0X47的字节的位置，如果当前数据帧为第一帧，则将值为0X47的字节位置标记为1，其余字节位置标记为0；如果当前数据帧不为第一帧，则先判断标记为1的字节位置是否为0X47，如果是0X47，则标记位置仍为1，否则，标记位置为0，并将结果输出给同步字节数量计数模块；

同步字节数量计数模块接收同步字节出现位置记录模块输出的结果信息，记录所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数，并将结果输出给检测状态判断模块；

检测状态判断模块接收同步字节数量计数模块输出的结果信息，当当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，系统进入监视状态；当当前数据帧内标记为1的字节位置的个数不为1时，发出进入下一帧的指令，并将指令输送给数据字节计数模块。

下面将对各个模块的工作流程作进一步的详细描述：

如图2所述为本发明识别系统中数据字节计数模块的工作流程图，数据字节计数模块包括数据字节计数器cnt1。其工作过程如下：

将数据字节计数器cnt1初始值设为0，对当前TS流按字节进行累加计数，并判断TS流字节值，当字节值第一次出现0X47时将该位置重新标记为0，并以188为周期进行计数，即从0...187，之后在此0...187再出现0X47时不再将该位置重新标记为0，由此第一帧的字节长度可能超过188字节，对于第二帧、第三帧......的计数仍是从0到187，对于出现的0X47不再将该位置重新标记为0，即第二帧、第三帧......的字节长度均为188字节。

如图3所示为本发明识别系统中数据帧数量指示模块的工作流程图，数据帧数量指示模块包括数据帧数量指示信号器n_f，其工作过程如下：

数据帧数量指示信号器n_f中指示信号的初始状态标记为1，当开始计数，数据字节计数器cnt1的计数值小于187时，数据帧数量指示信号标记仍然为1，当数据字节计数器cnt1的计数值满187时，表示第一帧已经完成计数，开始第二帧的计数，数据帧数量指示信号标记为0，并一直维持不变，标记为0表示当前数据帧不是第一帧，标记为1表示当前数据帧为第一帧。

如图4所示为本发明识别系统中同步字节出现位置记录模块的工作流程图，同步字节出现位置记录模块包括帧头字节位置标志器flag(187..0)，其工作过程如下：

帧头字节位置标志器有188个位，每个位对应每帧数据中一个字节的位置，初始值全部设为0。

判断n_f，当值为1时，再判断当前TS流字节，

                    当值为0X47时，则flag(cnt1)标记为1，

                    否则标记为0；

当n_f值为0时，判断flag(cnt1)，

              值为0时不操作；

              值为1时，判断当前TS流字节，

                  当值为0X47则flag(cnt1)保持不变，否

                  则标记为0。

其中n_f表示数据帧数量指示信号器，flag(cnt1)表示帧头字节位置标志器的当前位。

如图5所示为本发明识别系统中同步字节数量计数模块的工作流程图，同步字节数量计数模块包括同步字节数量计数器cnt2，其工作过程如下：

同步字节数量计数器cnt2初始值设为0，判断帧头字节位置标志器flag(187..0)的当前位flag(cnt1)，当值为0，则不操作；否则判断数据帧数量指示信号器n_f的标记值，当值为1则同步字节数量计数器cnt2加1，否则维持不变；

当数据帧数量指示信号器n_f的值为0，再判断TS流当前字节，当值为0X47时，则同步字节数量计数器cnt2维持不变，否则cnt2减1。

如图6所示为本发明识别系统中检测状态判断模块的工作流程图，检测状态判断模块包括帧头捕获指示器(frame)，其工作过程如下：

帧头捕获指示器frame初始值设为0，判断数据帧数量指示信号器n_f的标记值，当标记为1时，表示当前数据帧为第一帧，不执行操作；

当n_f标记不为1时判断同步字节数量计数器cnt2，当标记为1时，则帧头捕获指示器frame的值标记为1，表示成功捕获帧头0X47，进入监视状态；当同步字节数量计数器cnt2的标记不为1时，则帧头捕获指示器frame的值为0保持不变，进入下一帧的检测；

在监视状态下一直检测，判断同步字节数量计数器cnt2是否一直为1，当系统出现异常，cnt2值不为1时，则帧头捕获指示器frame标记为0，表示系统失步，进入复位状态重新捕获。并将所有装置设置到初始值。

如图7所示为本发明基于FPGA的帧同步字节识别方法的流程图，由图7可以进一步看出本发明识别方法包括如下步骤：

1)对TS流的当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在当前数据帧内的位置；

(2)判断当前数据帧的数量是否为第一帧；

(3)记录当前数据帧内值为0X47的字节的位置，如果当前数据帧为第一帧，则将值为0X47的字节位置标记为1，其余字节位置标记为0；如果当前数据帧不为第一帧，则先判断标记为1的字节位置是否为0X47，如果是0X47，则标记位置仍为1，否则，标记位置为0；

(4)记录所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数；

(5)当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，进入步骤(6)，否则进入下一帧并进入步骤(1)；

(6)系统进入监视状态。

当系统由于误码或其他异常错误导致程序进入失步状态，系统会立即转换到复位状态进行重新同步。

如图8所示为本发明的基于FPGA的帧同步字节检测示意图，该图描述了本发明中检测同步字节的逻辑过程。程序从复位状态开始工作，将TS流的前188字节作为第一个数据帧，此时cnt1从0到187计数，n_f一直为1，每检测到一个值为0X47的字节计数器cnt2则加1，同时flag(cnt1)置1。第一帧数据过后，cnt1计数方式不变，n_f置0，检测flag(cnt1)为1时，判断TS data值若为0X47，则维持不变，否则将flag(cnt1)置0，同时cnt2减1。反复检测直到满足捕获状态特征条件则完成同步字节检测，程序进入捕获状态。当系统由于误码或其他异常错误导致程序进入失步状态，程序会立即转换到复位状态进行重新同步。

其中Head为同步字节检测成功指示信号，当n_f值为0，cnt2值为1两个条件同时满足时置1，否则置0。

Frame_head为帧同步字节指示信号，指示同步字节0X47出现信号，当n_f值为0，cnt2值为1，flag(cnt1)值为1，TS data值为0X47四个条件同时满足时置1，否则置0。

本发明是最为简捷的一种检测方法，并且能够保证检测到的同步字节绝对正确，使用FPGA实现非常简单，不需要数据缓存，将产生的延迟和有效数据丢失降低到最少。适用于正常的TS流(每个数据帧只有一个同步字节0X47)，如果TS流中有两个同步字节0X47，则本程序会指示一直处于失步状态。

本发明同样适用于其它帧长的TS流，例如204字节。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1、一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：包括检测状态判断模块，数据字节计数模块，同步字节出现位置记录模块，同步字节数量计数模块和数据帧数量指示模块五个模块，其中：

数据字节计数模块：对TS流当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在所述当前数据帧内的位置，并将结果输出给数据帧数量指示模块；接收检测状态判断模块输出的进入下一帧的指令；

数据帧数量指示模块：接收数据字节计数模块输出的结果信息，判断所述当前数据帧是否为第一帧，并将结果分别输出给同步字节出现位置记录模块、同步字节数量计数模块和检测状态判断模块；

同步字节出现位置记录模块：接收数据帧数量指示模块输出的结果信息，记录所述当前数据帧内值为0X47的字节的位置，如果当前数据帧为第一帧，则将值为0X47的字节位置标记为1，其余字节位置标记为0；如果当前数据帧不为第一帧，则先判断标记为1的字节位置是否为0X47，如果是0X47，则标记位置仍为1，否则，标记位置为0，并将结果输出给同步字节数量计数模块；

同步字节数量计数模块：接收同步字节出现位置记录模块和数据帧数量指示模块输出的结果信息，记录所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数，并将结果输出给检测状态判断模块；

检测状态判断模块：接收同步字节数量计数模块和数据帧数量指示模块输出的结果信息，当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，系统进入监视状态；当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数不为1时，发出进入下一帧的指令，并将指令输送给数据字节计数模块。

2、根据权利要求1所述的一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：所述数据字节计数模块包括数据字节计数器，其工作过程如下：

数据字节计数器初始值设为0，对TS流当前数据帧从0开始按字节进行累加计数，并判断TS流字节值，当第一次出现0X47时将该字节重新标记为0，并重新进行累加计数，长度为所述当前数据帧的帧长值，之后再出现0X47时所在字节不再重新标记为0；接收进入下一帧的指令，继续以所述当前数据帧的帧长值为长度进行累加计数。

3、根据权利要求1所述的一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：所述数据帧数量指示模块包括数据帧数量指示信号器，其工作过程如下：

所述数据帧数量指示信号器中指示信号的初始状态标记为1，当数据字节计数器的计数值小于所述当前数据帧的帧长数值时，所述数据帧数量指示信号标记仍然为1，当数据字节计数器的计数值等于所述当前数据帧的帧长数值时，所述数据帧数量指示信号标记为0，并一直维持不变，标记为1表示当前数据帧为第一帧，标记为0表示当前数据帧不是第一帧。

4、根据权利要求1所述的一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：所述同步字节出现位置记录模块包括帧头字节位置标志器，其工作过程如下：

帧头字节位置标志器的位数为所述当前数据帧的帧长数值，每个位对应所述当前数据帧中一个字节的位置，初始值全部设为0，

当数据帧数量指示信号器中指示信号的初始状态标记为1时，再判断当前TS流字节，当值为0X47时，则将帧头字节位置标志器的当前位标记为1，当值不为0X47时，标记为0；

当数据帧数量指示信号器中指示信号的初始状态标记为0时，再判断帧头字节位置标志器的当前位，如果标记为0则不操作；如果标记为1时，再判断当前TS流字节，当值为0X47时则帧头字节位置标志器当前位保持标记为1不变，否则当前位标记为0。

5、根据权利要求1所述的一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：所述同步字节数量计数模块包括同步字节数量计数器，其工作过程如下：

同步字节数量计数器初始值设为0，判断帧头字节位置标志器的当前位，当标记为0时不操作；否则判断数据帧数量指示信号器的标记值，当标记值为1时，同步字节数量计数器加1，否则维持不变；当数据帧数量指示信号器的标记值为0时，再判断TS流当前字节，当值为0X47时，同步字节数量计数器维持不变，否则减1。

6、根据权利要求1所述的一种基于FPGA的帧同步字节识别系统，其特征在于：所述检测状态判断模块包括帧头捕获指示器，其工作过程如下：

帧头捕获指示器初始值设为0，判断数据帧数量指示信号器的标记值，当标记为1时，表示当前数据帧为第一帧，不执行操作；

当数据帧数量指示信号器的标记不为1时，判断同步字节数量计数器，当标记为1时，则帧头捕获指示器的值标记为1，表示成功捕获帧头0X47，进入监视状态；当同步字节数量计数器的标记不为1时，则帧头捕获指示器的值为0保持不变，进入下一帧的检测。

7、一种基于FPGA的帧同步字节识别方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对TS流的当前数据帧的数据字节进行计数，记录每个字节在所述当前数据帧内的位置；

(2)判断所述当前数据帧是否为第一帧；

(3)记录所述当前数据帧内值为0X47的字节的位置，如果当前数据帧为第一帧，则将值为0X47的字节位置标记为1，其余字节位置标记为0；如果当前数据帧不为第一帧，则先判断标记为1的字节位置是否为0X47，如果是0X47，则标记位置仍为1，否则，标记位置为0；

(4)记录所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数；

(5)当所述当前数据帧内标记为1的字节位置的个数为1时，进入步骤(6)，否则进入下一帧并进入步骤(1)；

(6)系统进入监视状态。

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