如何采用FPGA芯片实现卫星数字电视码流转发器电路原理设计

 

1 引 言

由于数字电视能提供更清晰的图像、更逼真的声音、更大的屏幕，以及数字化传输方式所特有的高效数据传输率，可以在有限的传输频带内传送更多的电视节目，正成为数字化视听技术发展的一个新方向。作为数字电视前端设备中的卫星数字电视码流转发器，简称为码流机，其主要功能就是接收频率为950～2 150 MHz的国内外数字卫星节目信号进行QPSK解调，并转换成ASI格式的MPEG-2传输流，输出给TS流复用器、QAM调制器等前端设备处理后发射到数字电视终端用户，即相当于有线电视台转播节目的信号源；同时他还输出模拟视频和音频信号，供管理人员监控使用。本文主要讨论如何把调谐器输出的TS流转换为ASI格式的MPEG-2传输流。

2 系统硬件组成及ASI接口

卫星数字电视码流转发器主要由调谐器，FPGA，ASI输出，SPI输出以及音视频解码输出部分构成，其中调谐器部分负责接收来自卫星的节目信号；音视频解码输出是供管理人员监控使用；FPGA主要负责ASI的数据链路层的具体实现、SPI输出以及TS流的转接到音视频解码芯片上；控制部分主要负责码流路由选择和音视频解码部分的控制。其内部结构如图1所示。

由于SPI接口采用的是低电压差分信号，其传输距离短、抗干扰性差，因此当今数字电视前端设备的输入输出接口一般都要求配有ASI接口。DVB-ASI是一种传输速率恒定，允许具有不同数据速率的串行编码传输系统，我国的ASI接口没有采用ISO／IEC规定的265.625 Mb／s传输速率，而是采用了270.000 Mb／s的传输速率。DVB-ASI接口协议是基于MPEG-2传输包的分层结构，共分3层，如图2所示。

第0层：物理层，传输介质可以是电缆或光纤；

第1层：数据链路层，主要定义了8 B／10 B编码，同步

字节插入以及串并转换；

第2层：传输层，采用MPEG-2的传输包，有两种传输数据格式：一种是每个TS包中的188 B是连续的，同步字插在两个包间，称为突发模式（burst）；另外一种是同步字随机均匀地插在TS数据之间，称为非突发模式，一般设备只支持非突发模式的传输。

下面主要讨论数据链路层的。FPGA的具体实现。

3 8 B／10 B编码的理论基础

DVB-ASI的8 B／10 B编码［2，3］主要包括数据编码，插入特殊字符和误差控制。通过8 B／10 B映射保证发射信号正负均衡，即‘O’和‘1’为1∶1的直流信号，并且不会有连续的‘0’或连续的‘1’。每8 b分成3 b和5 b两组，分别映射成4 b和6 b两部分，合起来就是10 b。其中每部分按照‘0’和‘1’的数量关系有惟一的奇偶特性，称之为RD（Running Disparity），当‘1’的个数大于‘0’的个数时，RD为正，反之为负。个数相等时，RD保持不变［4］。具体的编码规则见表1。

每个编码字符可表示为Dx.y或Kx.y，D表示是数据信号，K表示是字符信号。

其中x，y为十进制数，编码中依次对一个信息字符的x和y部分进行编码，其编码的结果取决于当前x或y的值和前一次编码结果的RD。若前一次RD为正，则后一次编码采用RD为负的码字编码，反之亦然。这样编码的结果保证传输信号的电平统计上的直流特性。

在这种编码控制下，根据RD的变化一方面可以保证比特流的直流特性且不会存在多个的连续‘O’或连续‘1’；另一方面可以进行自动检测，实现误差控制。ASI传输系统中的误比特率小于10-13。系统中插入的特殊符号实现控制功能，包括同步信号K28.5，在接收端的字节同步正是依靠检测到连续两个K28.5的同步信息且满足奇偶校验，在同步信号后的比特被依次组成字节，完成字节同步。

4 FPGA部分的详细设计

在FPGA的设计中，我们选用Altera的EP1C3T144C8。按照自顶向下的设计思路，我们把FPGA的ASI部分详细设计化分为5个子模块，如图3所示。

4.1 输入FIF0的设计

由于从调谐器输出的TS流与实际FPGA处理的TS流速度并不是同步的，因此在FPGA内部建立一个FIFO对输入的TS流进行数据缓冲处理是必需的，但FIFO的深度是一个不容忽视的问题，FIFO的参考设计深度为一帧TS流长度的2倍，由于一个TS包的长度可能是188 B，也可能是204 B，同时，由于8 B／10 B模块读FIFO的速度是恒定的27 MHz，大于TS流的数据速率，因此FIFO是永远都不会上溢的。综上所述，FIFO的深度选用512 B是比较合适的。

4.2 8 B／10 B模块设计

在该部分设计的过程中，参照上述的8 B／10 B理论基础［4］，我们没有选用CYPRESS公司的CY7B923［5］HOTLinkTM专用芯片，也没有选用Altera的8 B／10 B的IP Core，而是自己开发的8 B／10 B模块，按照自顶向下的设计思路，我们把该部分又分为6个子模块，其对应的Verilog接口如下：

8 B／10 B顶层模块：module top——8B10B（clk，rst，din，dout，invalidK）；

3 B／4 B模块：module e3Bto4B（clk，rst，din，kin，dout，dsp4b）；

5 B／6 B模块：module e5Bto6B（clk，rst，din，kin，dout，dsp6b）；

K字符检测模块：module k_detector（clk，rst，din，kin，invalidK）；

特殊3 B字符处理模块：module dec_spec3b4b（clk，rst，din3b，din4b，kin，rdp，rdn）；

RD控制模块：module RD（clk，rst，kin，din4b，din6b，dsp4b，dsp6b，out6b，out4b，rdp，rdn）；

4.3 同步字节插入模块设计

当TS流的数据速度始终小于8 B／10 B编码模块读取数据的时候，FIFO就有可能下溢，当FIFO为空时，并／串转换模块的输入数据为K28.5同步字节（8 B／10 B编码后为：0011111010或1100000101）［6］，以达到ASI的固定的270.000 Mb／s的传输速率。同步字节的插入方法有两种：

（1） 由TS流中的数据有效信号来确定是否向FIFO中插入K28.5同步字节；

（2） 由FIFO的EMPTY信号和来确定并串转换模块的的输入数据为0011111010或1100000101，即不通过8 B／10 B编码模块。在本设计中，我们选用了方法（1）插入K28.5同步字节。

4.4 并／串转换模块设计

该模块对10 B的并行数据进行并／串转换，在实际的设计中，采用1个移位寄存器和1个计数器即可完成并／串转换操作。

4.5 PLL模块设计

由于ASI的标准输出速率是270.000 Mb／s，因此为整个并／串转换的最小时钟就是270 MHz，而系统FPGA的外部时钟选用的是27 MHz的有源晶振，所以可以采用EPlC内部自带的锁相环来提供270 MHz的内部时钟，实际的操作方法就是例化一个PLL模块，把倍频系数设置为10即可。

5 系统测试与仿真结果

对数字卫星码流转发器ASI输出的测试可以采用标准MPEG-2码流分析仪AD953，也可以直接选用DVB解码器，以观看能否正确收视节目来确定ASI流是否正常。FPGA部分设计的软件平台选用Quartuns和仿真工具ModelSim，部分仿真结果如图4所示。

6 结 语

本方案经硬件实现后，接上卫星信号，ASI接口输出的信号经过DVB解码器后，得到了稳定连续的音视频信号。采用一块FPGA代替传统的CY7B923+CPLD方案，由于省去了价格昂贵的CY7B923HOTLinkTM芯片，大大降低了该部分的物理成本和硬件电路原理设计的复杂性，因此，本方案具有很强的实用价值。