基于FPGA 的衛(wèi)星便攜站的同步數(shù)字復(fù)接器的設(shè)計(jì)

在便攜式數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率，滿足同時傳輸幾種業(yè)務(wù)的需求，通常采用時分復(fù)用的方法，將若干個低速數(shù)字碼流按一定格式合并成一個高速數(shù)據(jù)碼流，以便在一條信道中傳輸，使各個業(yè)務(wù)信號互相不產(chǎn)生干擾，實(shí)現(xiàn)此功能的設(shè)備就是數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)。

　　便攜式衛(wèi)星通信，要求實(shí)現(xiàn)平臺集成度高、速度快、功耗小、體積小和成本低。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 在結(jié)構(gòu)上由邏輯功能塊排列為陣列，并由可編程的內(nèi)部連線連接這些功能塊，來實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能。特別適合上述要求的產(chǎn)品開發(fā)與小批量生產(chǎn)。

　　FPGA 的開發(fā)環(huán)境在電路設(shè)計(jì)階段，可實(shí)時地對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行各種仿真分析，提高電路設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，特別是還可在成品上直接進(jìn)行二次開發(fā)和功能擴(kuò)展，靈活且可移植。后期還可以在線對任意一邏輯信號進(jìn)行實(shí)時仿真，該文利用軟件Quartus II 5. 1 和VHDL 硬件語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,實(shí)現(xiàn)一個基于FPGA 的衛(wèi)星便攜站的同步數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　1 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　同步數(shù)字復(fù)分接器完成以下業(yè)務(wù)的復(fù)分接：3 路音頻合計(jì)48 kbps 數(shù)據(jù)； 1 路64 kbps 同步數(shù)據(jù)；1 路9. 6 kbps 異步數(shù)據(jù)； 1 路128 kbps LAN 數(shù)據(jù)； 1 路517. 2 kbps 視頻數(shù)據(jù)。采用同步、固定時隙分配和按位復(fù)接方式的設(shè)計(jì)方法。

　　1.1 準(zhǔn)同步時延

　　因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/數(shù)字復(fù)接器">數(shù)字復(fù)接器與音頻的接口關(guān)系最為復(fù)雜,所以設(shè)計(jì)要點(diǎn)著重放到了與音頻接口的處理。

　　1. 1. 1 音頻接口的乒乓操作

　　如圖1 所示，采用雙口RAM 完成音頻數(shù)據(jù)和復(fù)分接器的接口。音頻數(shù)據(jù)接口是一種DSP 總線接口，在第1 個緩沖周期，音頻數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM的低端地址存儲區(qū)，同時數(shù)據(jù)復(fù)接單元讀取雙口RAM 的高端地址存儲區(qū)的音頻數(shù)據(jù)； 在第2 個緩沖周期，音頻數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM 的高端地址存儲區(qū)，同時數(shù)據(jù)復(fù)接單元讀取雙口RAM 的低端地址存儲區(qū)的音頻數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，周而復(fù)始。

圖1 乒乓操作示意圖

　　這樣經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有時間停頓的送到復(fù)接器中，屬于一種流水線式處理，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖和處理，節(jié)約緩沖區(qū)的空間，達(dá)到利用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的并串轉(zhuǎn)換。

　　如果音頻數(shù)據(jù)和復(fù)分接器的接口采用傳統(tǒng)的緩存方式，很容易造成復(fù)接器讀數(shù)據(jù)的時候音頻數(shù)據(jù)還沒有寫到緩存中，很容易造成聲音的“咔咔聲”，采用音頻接口的乒乓操作避免了此問題的產(chǎn)生。

　　1. 1. 2 提供唇音同步機(jī)制

　　在數(shù)字衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中，有一個獨(dú)特的音視頻同步問題，即通常說的唇音同步。由于圖像壓縮編碼所需之信號處理時間一般慢于聲音壓縮編碼所需之信號處理時間，那么在收端將視頻及音頻信號解碼出來后，就會發(fā)現(xiàn)音頻比視頻快半拍。通常見到的情況是，或者口動時聽不到聲音，或者口不動時卻有聲音出來，即唇音不同步，給觀眾較差的主觀感覺。為了避免出現(xiàn)這一問題，分接器中提供了唇音同步單元，把音頻數(shù)據(jù)程序上進(jìn)行延時，通過調(diào)整就可保證接收端的音和視頻同步。

　　1. 1. 3 解決FPGA 電路設(shè)計(jì)中的毛刺問題

　　在FPGA 中當(dāng)多路信號同時發(fā)生跳變的瞬間,往往會出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號就是“毛刺”。組合邏輯電路中競爭冒險現(xiàn)象的出現(xiàn)也會出現(xiàn)“毛刺”。它的出現(xiàn)會影響電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)的誤操作和邏輯紊亂。

　　設(shè)計(jì)中利用D 觸發(fā)器對輸入信號的毛刺不敏感的特點(diǎn)，去除信號中的毛刺，但是只是對信號中發(fā)生在非時鐘跳變沿的毛刺信號去除明顯，并且有一定延時。因此設(shè)計(jì)中盡量采用同步時序電路來實(shí)現(xiàn)各個進(jìn)程模塊的功能，同時對輸入輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行高倍時鐘的采樣，達(dá)到去除電路中毛刺的目的。