基于局域网的多线程、高并发的便携式DMB同步发射系统

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及基于局域网的多线程、高并发的便携式DMB同步发射系统。

背景技术

数字多媒体广播(DigitalMultimediaBroadcasting，DMB)是一种取代FM(FequencyModulation，调频)、AM(AmplitudeModulation，调幅)等传统模拟广播的新一代数字化广播系统。和传统的广播体系相比，DMB具有更加优秀的收听音质和抗干扰能力，还具备发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高和可移动接收等一系列优点。DMB的数字信号经过信源编码、加扰处理、纠错处理、时域和频域的差错分布、相移键控和变频调制、信号放大、传输后通过相应的接收终端进行解调和解码，还原出相应的音视频节目、数据信息及其他业务。除了能传输品质良好的传统音频节目，DMB系统还可以传送附加数据业务，向生活社区、商业场所、个人计算机和其他数字终端传送图文信息、视频、应用程序、幻灯片等其他多种多样的业务数据。

由于DMB系统发射模块的运算量大、配置组合多，现有的发射机都采用了调制器+控制电脑的组合架构。这种架构下，发射系统的集成度不高，发射系统无法脱离电脑端独立正常工作，使得整套系统体积较大，限制了其在应急场景下的工作范围与能力。现有的多台DMB发射机采用单频网广播信号，一般利用GPS进行时间同步，但GPS信号在室内或高层建筑等遮挡区域可能受到影响，导致同步困难，而PTP同步虽然也能提供纳秒级的同步时钟，但容易受到网络延迟和抖动的影响，导致同步精度降低。因此，研究出一种可以脱离电脑工作，能提高时间同步精度且具有低延迟、可便携等特点的DMB同步发射系统，不但可以进一步提升发射机的集成度，更可以极大地减小发射系统的体积，使其便于携带、延迟更低、且信号覆盖范围更广。除了可用于全球数字广播商业电台外，还可用于消防广播、校园广播、社区广播、景区广播、无线扩音、应急通信和减灾通信等领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于局域网的多线程、高并发的便携式DMB同步发射系统。在单颗SoC芯片上集成多路业务复用模块和基带调制模块，进一步提高DMB发射系统集成度；引入PTP同步技术，优化DMB同步装置，以提高发射系统的同步精度和稳定性；通过局域网通信技术，结合WiFi和以太网实现业务数据的多线程、高并发传输，提升DMB发射机的数据接收能力与接收范围，摆脱有线传输的限制。WiFi和以太网都支持多个设备连接，实现点对面的传输关系，提高了协作和互联的效率，进一步提升DMB系统的适用范围。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于局域网的多线程、高并发的便携式DMB同步发射系统，该系统包括业务信息客户端和DMB发射台，客户端和发射台之间的数据以传输帧的形式通过TCP Socket网络协议馈送；

所述业务信息客户端包括多个PC客户端Client和移动客户端Mobile_Client，其中移动客户端包括WiFi传输模块和WiFi配置模块；

所述移动客户端的WiFi配置模块输出端与WiFi传输模块的输入端连接；

PC客户端通过TCP网络协议选择连接不同子信道的端口，将节目数据传输到DMB发射台对应子信道；

移动客户端的WiFi配置模块通过移动热点连接WiFi传输模块，设置网络模式、无线参数和协议类型的传输参数，配对子信道的WiFi接收模块，实现互连，并由无线网络将节目数据发送到DMB发射台；

所述DMB发射台包括多路子信道、WiFi接收模块、WiFi配置模块、DMB_Mux模块、DMB同步装置、COFDM编码和上变频模块；

所述WiFi接收模块的输入端通过移动热点与WiFi传输模块的输出端连接，WiFi接收模块与WiFi配置模块的输出端连接；

所述多路子信道的输入端通过TCP网络协议与客户端的输出端连接，其输出端与DMB_Mux模块连接；

COFDM编码模块分别连接DMB_Mux模块的输出端和上变频模块，所述上变频通过功放和天线输出信号；

移动客户端的WiFi传输模块将节目数据在不改变数据内容的情况下，通过无线网络传递到发射台的WiFi接收模块，由WiFi配置模块连接WiFi接收模块设置网络模式、无线参数、协议类型、设置远端服务器和远端端口、配置串口参数和提交网络参数，进入透传模式以连接WiFi传输模块实现数据的无线传输；WiFi接收模块通过无线网络接收来自移动客户端的节目数据后，由串行端口端口将节目数据转发到DMB_Mux模块；

所述DMB_Mux模块接收来自不同业务源的数据流，对这些数据流进行处理和打包后进行编码并合成一个复合信号；随后将打包好的ETI帧数据馈送给后续模块处理；

所述DMB同步装置包括SFN Master模块和SFN Slave模块；SFN Master模块向SFNSlave模块提供同步以太网信号SyncE Signal和时间包Time Packet；SFN Slave模块根据SyncE Signal和Time Packet分别传入频率同步单元和时间同步单元生成同步控制信号，最后由同步信号输出单元生成用于控制COFDM编码调制的SYN_STA信号；

多路子信道将PC客户端的节目数据依次发送到DMB_Mux模块进行合成处理形成ETI数据帧，并通过TCP协议发送到COFDM编码模块，形成I/Q数字基带信号；调制后的信号经过上变频处理后通过天线放大输出。

可选的，所述DMB同步装置中，同步控制信号的控制步骤为：

S11：由SFN Master模块通过以太网网络向SFN Slave模块发送带有主时钟的时间包和主时钟频率的同步以太网信号(物理层频率同步信号)，即SyncE Signal；

S12：SFN Slave模块的频率同步单元接收来自SFN Master模块的同步以太网信号，通过数字锁相环将其相位与从单元内恢复时钟计数器RE_CNT中恢复的时钟相位比较输出丢失脉冲插入/删除信息MID和丢失脉冲周期信息MC，并完全去除相位比较结果的频率分量(高频分量)；利用MID信息和MC信息控制DCO产生与SFN Slave模块同频的频率控制信号FC，并将该信号传输至时间同步单元；

S13：SFN Slave模块的时间同步单元向SFN Master模块发送和接收T1到T4的时间数据包，并在时间数据包T2和T3中打上时间戳，并从T1～T4中获取时间信息；根据所接收的时间包Time Packet产生时间控制信号TC，并进行反馈控制，完全去除时间比较结果的频率分量(高频分量)，使时间包的时间与时间控制信号的相位(时间)同步；

S14：时间同步单元通过加法器将频率同步单元输出的频率控制信号FC与时间控制信号TC相加后传输给同步信号输出单元，频率同步锁相环和时间同步锁相环构成高通滤波器，用于去除同步以太网信号的低频分量；

S15：同步信号输出单元根据频率同步单元产生的频率控制信号FC和时间同步单元产生的时间控制信号TC生成时间同步信号TD，最后由同步控制输出单元生成用于控制COFDM编码调制的SYN_STA信号。

可选的，所述WiFi传输模块中的传输步骤为：

S21：将移动客户端的节目数据帧通过串行端口传递至WiFi传输模块；

S22：设置网络拓扑结构：将WiFi接收模块作为TCP Server，并设置为AP模式，WiFi传输模块作为TCP Client，设置为STA模式，使两个模块之间不通过路由或其他热点设备中转，直接互连；

S22：配置模块：WiFi传输模块和WiFi接收模块需要连接到一个WiFi网络并获得IP地址；

S23：设置通信模式：将WiFi传输模块和WiFi接收模块设置为透传模式；在透传模式下，模块将直接传递接收到的节目数据而不进行任何处理，使用指令将模块设置为透传模式；

S24：设置协议类型：WiFi传输模块和接收模块需要建立一个TCP连接，以便模块之间相互通信；WiFi传输模块作为客户端，WiFi接收模块作为客服务端；

S25：传输数据：WiFi传输模块和WiFi接收模块通过其串行端口送和接收节目数据。

可选的，所述DMB同步装置通过以太网传输的步骤为：

S31：将发射台作为服务端，创建一个Socket并绑定到指定的IP地址和端口上；这个Socket将用于接受客户端的连接请求；

S32：在服务端端创建一个循环，接受PC客户端连接请求；该方法会返回一个新的Socket对象和客户端的地址信息；

S33：为每个PC客户端连接创建一个新的线程，以同时处理多个客户端连接；在每个线程中，创建一个新的Socket对象用于与客户端通信，并绑定到不同的端口上，作为子信道端口；

S34：在每个线程中，使用新创建的Socket对象与相应的PC客户端进行通信。

现有的DMB发射系统采用调制器+控制电脑的组合架构。这种架构下，发射系统的集成度不高，无法脱离电脑端独立正常工作，使得整套系统体积较大，限制了部队军事通讯、应急抢险等多种复杂的应用场景。在DMB覆盖网方面，传统的DMB发射机采用单频网广播信号，一般利用GPS进行时间同步，但GPS信号在室内或高层建筑等遮挡区域可能受到影响，导致同步困难。而PTP同步虽然也能提供纳秒级的同步时钟，但存在由于叠加在同步以太网信号上的超低频率漂移或类似影响而导致时间同步精度下降的问题。针对以上的问题，本发明将以局域网技术为基础，设计一种多线程、高并发的便携式DMB同步发射系统。

与传统DMB系统相比，本发明的有益效果在于：

S1、本发明基于局域网技术设计的数据传输系统支持以太网和无线网络双模式传输，根据不同的业务需求配置相应的传输模式。采用多线程设计，可同时连接多个固定客户端和移动客户端，接收多路节目数据，并发传输能力提升；

S2、本发明提出一种集成多路业务复用模块和基带调制模块的SoC架构，使得发射系统脱离控制电脑独立工作，有助于提高发射机的集成度，缩小发射机的体积，降低发射机的功耗；

S2、基于PTP同步技术，提出一种改良的DMB同步控制装置，减少传输过程中超低频移对冲压精度的影响，从而使得电路在降低电路规模的同时，提高发射系统的同步精度和稳定性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为DMB发射系统整体框图；

图2为DMB_Mux模块工作流程图；

图3为DMB同步控制模块原理图；

图4为频率同步单元逻辑块；

图5为时间同步单元逻辑块；

图6为同步信号输出单元逻辑块；

图7为WiFi传输模块原理图；

图8为WiFi配置模块程序执行流程图；

图9为WiFi传输和接收模块程序流程图；

图10为以太网多线程传输流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为一种基于局域网的多线程、高并发的便携式DMB同步发射系统整体框图，该系统包括多路传输模块、DMB_Mux模块、SFN Master/Slave模块、COFDM编码和上变频。

传输系统包括WiFi传输和以太网传输两种模式。其中在WiFi传输模式下，移动客户端的WiFi传输模块将节目数据在不改变数据内容的情况下，通过无线网络传递到发射台的WiFi接收模块，需要由WiFi配置模块连接WiFi接收模块设置网络模式、无线参数、协议类型、设置远端服务器和远端端口、配置串口参数、提交网络参数等，进入透传模式以连接WiFi传输模块实现数据的无线传输；WiFi接收模块通过无线网络接收来自移动客户端的节目数据后，由串行端口端口将节目数据转发到ETI_Mux模块，ETI_Mux模块将从其串行端口接收数据进行后续处理。在以太网传输模式下，PC客户端对发射台发起连接请求，发射台作为服务端创建Socket并绑定到指定的IP地址和端口上；发射台处理PC客户端的连接请求后，为每个PC客户端连接创建一个新的线程，以便可以同时处理多个客户端连接。在每个线程中，创建一个新的Socket对象用于与客户端通信，并绑定到不同的端口上，作为子信道端口，并使用新创建的Socket对象与相应的PC客户端进行通信，将接收到的节目数据存储在对应子信道。ETI_Mux模块的功能是将各个子信道存储的节目数据编码合成ETI数据帧，并通过TCP协议传输给COFDM编码，调制完成的I/Q信号再由上变频部分做进一步的处理。

如图2所示，DMB_Mux通过多路输入模块接收来自不同业务源的数据流，这些业务源可以是音频、视频、数据等。它负责对这些数据流进行处理和打包，以便传送到后续的处理模块。通道编码模块对来自多路输入模块的数据流进行编码，将其转换为适合在传输信道上传输的形式。通常，这会包括压缩编码，以减少数据流的带宽需求。复用模块接收来自通道编码模块的数据流，并将它们合并成一个复合信号，这个复合信号将成为ETI数据的基础。ETI打包模块将来自复用模块的数据进行ETI帧的打包并输出到下一级。

SFN模式下将开启SFN Master/Slave模块进行发射时间和频率的同步，SFNMaster模块是具有主时钟的时间参考设备，负责向SFN Slave模块发送带有主时钟的时间包和主时钟频率的同步以太网信号，SFN Slave模块作为DMB同步控制模块接收同步以太网信号和时间包进行同步校准，控制COFDM编码模块同步调制。

图3为本发明设计的DMB同步控制模块原理图，DMB同步控制模块是一个从设备，它通过从主设备接收的同步以太网信号和时间数据包执行时间同步，内部包括频率同步单元、时间同步单元和同步信号输出单元。频率同步单元接收来自SFN Master模块的同步以太网信号，并产生与所接收的同步以太网信号的频率同步的频率控制信号FC。时间同步单元接收来自SFN Master模块的时间数据包，根据所接收的时间包产生与SFN Master模块时间同步的时间控制信号TC，同步信号输出单元根据频率同步单元生成的频率控制信号FC和时间同步单元生成的时间控制信号TC产生时间同步信号TD，最后由同步控制输出单元生成用于控制COFDM编码调制的SYN_STA信号。

如图4所示，频率同步单元由数字锁相环、DCO控制电路和恢复时钟计数器(RE_CNT)构成。数字锁相环包括相位检测单元，比例/积分处理单元，其中，相位检测单元用于将同步以太网信号的相位与从恢复时钟计数器中恢复的时钟相位进行比较，比例/积分处理单元用于执行比例/积分处理。数字锁相环根据同步以太网信号与恢复时钟的对比，输出丢失脉冲插入/删除信息MID和丢失脉冲周期信息MC。丢失脉冲插入/删除信息是指在预定周期内从时钟信号插入或删除的脉冲数的信息；丢失脉冲周期信息是指丢失脉冲插入/删除周期的信息。DCO控制电路可利用丢失脉冲插入/删除信息和丢失周期信息控制DCO输出信号的频率。DCO控制电路根据外部晶振OCXO提供的CLK_0时钟，对丢失脉冲插入/删除信息和丢失周期信息进行数值计算处理，以控制DCO的操作，产生频率控制信号FC，即恢复频率。并将频率控制信息FC输出到恢复时钟计数器和时间同步单元的加法器。恢复时钟计数器通过对DCO控制电路生成的频率控制信号FC进行计数，生成恢复时钟，并将生成的恢复时钟反馈到数字锁相环。

通常锁相环电路只能构成一个低通滤波器，而且，相位噪声的高通滤波器不容易实现。而本实例中的频率同步单元和时间同步单元的锁相环电路由DCO(数控振荡器)组成。这使得器件在作为锁相环的同时也可以作为高通滤波器，从而减少“超低频移”对冲压精度的影响，从而实现高度精确的时间同步。

如图5所示，时间同步单元主要包括PTP伺服处理单元和DCO控制电路。PTP伺服由时间检测器、数字滤波器和分频器组成，DCO控制电路包括DCO和加法器。所述PTP伺服处理单元包括时间检测单元以及比例/积分处理单元，时间检测单元用于在从时间包T1至T4中提取时间信息与从同步控制输出单元中反馈的时间同步信号TD之间进行时间比较，比例/积分处理单元用于执行比例/积分处理。在PTP中，主设备和从设备之间发送和接收时间包T1(同步消息)、时间包T2(后续消息)、时间包T3(延迟请求消息)和时间包T4(延迟响应消息)。下行方向的传输延迟时间由主设备发送时间包T1的时间(t1)与从设备接收时间包T1的时间(t2)之差计算，上行方向的传输延迟时间由从设备发送时间包T3的时间(t3)与主设备接收时间包T3的时间(t4)之差计算，并根据这些传输延迟时间生成时间信息。这里假定时间伺服处理单元得到的时间信息是基于时间包的时间或从时间包中提取的时间。PTP伺服处理单元向SFN Master模块发送和接收T1～T4的时间数据包，根据同步控制输出单元的TD信号在时间数据包T2和T3中添加时间戳，并从时间数据包T1～T4中获取时间信息。此外，以类似于频率同步单元中的数字锁相环的方式，PTP伺服处理单元通过时间包的时间信息与时间同步信号之间的比较输出丢失脉冲插入/删除信息MID和丢失脉冲周期信息MC。DCO控制电路根据MID和MC信息进行数值计算处理，并根据OCXO提供的时钟信号CLK_0控制DCO产生时间控制信号TC，并将时间控制信号TC输出给加法器。

所述加法器将来自频率同步单元的频率控制信号FC与来自DCO控制电路的时间控制信号TC相加，输出时间频率控制信号TF。因此，频率同步锁相环和时间同步锁相环构成高通滤波器，用于去除同步以太网信号的低频分量。

所述同步信号输出单元如图6所示，包括TM_CNT(时间积分计数器)和同步控制单元。TM_CNT根据加法器生成的时间频率控制信号TF和OCXO提供的时钟信号CLK_0产生时钟信号，将产生的时钟信号作为时间同步信号TD输出到同步控制单元和时间同步单元的PTP伺服。同步控制单元用于产生SYN_STA信号，即OFDM符号同步信号。其内部主要由计数器CNT1、CNT2和SYN_STA信号生成模块构成。SYN_STA翻转一次，时间到达OFDM的符号长度时SYN_STA再次翻转。一个OFDM符号的持续时间是1246us，所以对应的计数器周期为20414。一个传输帧包括77个符号，使用CNT2对传输帧的OFDM符号进行计数，计数范围0～76。SYN_STA信号生成模块由CNT1控制。模块复位后，CNT1设置为0，CNT2设置为76。复位信号失效后，CNT1和SYN_STA信号生成模块开始工作。当CNT1为0时，SYN_STA翻转，若CNT2为76，CNT2变为0，否则CNT2加1。

如图7和图8所示，本实施例WiFi传输的原理及WiFi配置流程。移动客户端的节目数据帧通过串行端口传递至WiFi传输模块，WiFi配置模块将WiFi接收模块设置为AP模式，WiFi传输模块设置为STA模式，使两个模块之间不通过路由或其他热点设备中转，可以直接互连；由WiFi配置模块设置TCP网络协议，设置IP地址并选择连接不同子信道的端口，将WiFi传输模块和WiFi接收模块设置为透传模式，WiFi传输模块将节目数据发送到WiFi接收模块，并通过串行端口传输给下一级。

图9为传输和接收模块程序流程图。WiFi传输模块通过WiFi配置模块设置串行通信速率和WiFi速率，并将传输模块设置为TCP Client端一直等待连接TCP Server，若建立连接成功，则检测数据流向：当检测到数据从串口输入，则将其发送到TCP Server，检测到数据从TCP Server输入，则将数据输出到串口；

WiFi接收模块通过WiFi配置模块设置串行通信速率和WiFi速率，并将接收模块设置为TCP Server端一直监听TCP Client端的连接请求，若连接成功，则判断数据流向：当检测到数据从TCP Client端输入，则将其发送到串口端，检测到数据从串口端输入，则将数据发送到TCP Client；

如图10所示为以太网多线程传输模式的程序流程，描述了以下主要步骤：

1.发射台作为服务端创建Socket并绑定到指定IP地址和端口；

2.服务端开始监听来自客户端的连接请求；

3.当有客户端连接请求到达时，服务端接受连接请求并创建新的线程来处理客户端连接；

4.在新线程中，为该客户端连接创建一个新的Socket并绑定到不同的端口；

5.服务端与PC客户端使用各自的Socket进行通信；

6.客户端连接关闭后，服务端关闭与该客户端的Socket连接；

7.服务端继续监听来自其他客户端的连接请求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。