FPGA在衛(wèi)星數(shù)字電視碼流轉發(fā)器設計中的應用

由于數(shù)字電視能提供更清晰的圖像、更逼真的聲音、更大的屏幕，以及數(shù)字化傳輸方式所特有的高效數(shù)據(jù)傳輸率，可以在有限的傳輸頻帶內傳送更多的電視節(jié)目，正成為數(shù)字化視聽技術發(fā)展的一個新方向。作為數(shù)字電視前端設備中的衛(wèi)星數(shù)字電視碼流轉發(fā)器，簡稱為碼流機，其主要功能就是接收頻率為950～2 150 MHz的國內外數(shù)字衛(wèi)星節(jié)目信號進行QPSK解調，并轉換成ASI格式的MPEG-2傳輸流，輸出給TS流復用器、QAM調制器等前端設備處理后發(fā)射到數(shù)字電視終端用戶，即相當于有線電視臺轉播節(jié)目的信號源；同時他還輸出模擬視頻和音頻信號，供管理人員監(jiān)控使用。本文主要討論如何把調諧器輸出的TS流轉換為ASI格式的MPEG-2傳輸流。

2 系統(tǒng)硬件組成及ASI接口

衛(wèi)星數(shù)字電視碼流轉發(fā)器主要由調諧器，FPGA，ASI輸出，SPI輸出以及音視頻解碼輸出部分構成，其中調諧器部分負責接收來自衛(wèi)星的節(jié)目信號；音視頻解碼輸出是供管理人員監(jiān)控使用；FPGA主要負責ASI的數(shù)據(jù)鏈路層的具體實現(xiàn)、SPI輸出以及TS流的轉接到音視頻解碼芯片上；控制部分主要負責碼流路由選擇和音視頻解碼部分 的控制。其內部結構如圖1所示。

由于SPI接口采用的是低電壓差分信號，其傳輸距離短、抗干擾性差，因此當今數(shù)字電視前端設備的輸入輸出接口一般都要求配有ASI接口。DVB-ASI是一種傳輸速率恒定，允許具有不同數(shù)據(jù)速率的串行編碼傳輸系統(tǒng)，我國的ASI接口沒有采用ISO／IEC規(guī)定的265.625 Mb／s傳輸速率，而是采用了270.000 Mb／s的傳輸速率。DVB-ASI接口協(xié)議是基于MPEG-2傳輸包的分層結構，共分3層[1]，如圖2所示。

第0層：物理層，傳輸介質可以是電纜或光纖；

第1層：數(shù)據(jù)鏈路層，主要定義了8 B／10 B編碼，同步字節(jié)插入以及串并轉換；

第2層：傳輸層，采用MPEG-2的傳輸包，有兩種傳輸數(shù)據(jù)格式：一種是每個TS包中的188 B是連續(xù)的，同步字插在兩個包間，稱為突發(fā)模式(burst)；另外一種是同步字隨機均勻地插在TS數(shù)據(jù)之間，稱為非突發(fā)模式，一般設備只支持非突發(fā)模式的傳輸。

下面主要討論數(shù)據(jù)鏈路層的。FPGA的具體實現(xiàn)。

3 8 B／10 B編碼的理論基礎

DVB-ASI的8 B／10 B編碼[2，3]主要包括數(shù)據(jù)編碼，插入特殊字符和誤差控制。通過8 B／10 B映射保證發(fā)射信號正負均衡，即‘O’和‘1’為1∶1的直流信號，并且不會有連續(xù)的‘0’或連續(xù)的‘1’。每8 b分成3 b和5 b兩組，分別映射成4 b和6 b兩部分，合起來就是10 b。其中每部分按照‘0’和‘1’的數(shù)量關系有惟一的奇偶特性，稱之為RD(Running Disparity)，當‘1’的個數(shù)大于‘0’的個數(shù)時，RD為正，反之為負。個數(shù)相等時，RD保持不變[4]。具體的編碼規(guī)則見表1。

每個編碼字符可表示為Dx.y或Kx.y，D表示是數(shù)據(jù)信號，K表示是字符信號。

其中x，y為十進制數(shù)，編碼中依次對一個信息字符的x和y部分進行編碼，其編碼的結果取決于當前x或y的值和前一次編碼結果的RD。若前一次RD為正，則后一次編碼采用RD為負的碼字編碼，反之亦然。這樣編碼的結果保證傳輸信號的電平統(tǒng)計上的直流特性。

在這種編碼控制下，根據(jù)RD的變化一方面可以保證比特流的直流特性且不會存在多個的連續(xù)‘O’或連續(xù)‘1’；另一方面可以進行自動檢測，實現(xiàn)誤差控制。ASI傳輸系統(tǒng)中的誤比特率小于10-13。系統(tǒng)中插入的特殊符號實現(xiàn)控制功能，包括同步信號K28.5，在接收端的字節(jié)同步正是依靠檢測到連續(xù)兩個K28.5的同步信息且滿足奇偶校驗，在同步信號后的比特被依次組成字節(jié)，完成字節(jié)同步。

4 FPGA部分的詳細設計

在FPGA的設計中，我們選用Altera的EP1C3T144C8。按照自頂向下的設計思路，我們把FPGA的ASI部分詳細設計化分為5個子模塊，如圖3所示。

4.1 輸入FIF0的設計

由于從調諧器輸出的TS流與實際FPGA處理的TS流速度并不是同步的，因此在FPGA內部建立一個FIFO對輸入的TS流進行數(shù)據(jù)緩沖處理是必需的，但FIFO的深度是一個不容忽視的問題，F(xiàn)IFO的參考設計深度為一幀TS流長度的2倍，由于一個TS包的長度可能是188 B，也可能是204 B，同時，由于8 B／10 B模塊讀FIFO的速度是恒定的27 MHz，大于TS流的數(shù)據(jù)速率，因此FIFO是永遠都不會上溢的。綜上所述，F(xiàn)IFO的深度選用512 B是比較合適的。

4.2 8 B／10 B模塊設計

在該部分設計的過程中，參照上述的8 B／10 B理論基礎[4]，我們沒有選用CYPRESS公司的CY7B923[5]HOTLinkTM專用芯片，也沒有選用Altera的8 B／10 B的IP Core，而是自己開發(fā)的8 B／10 B模塊，按照自頂向下的設計思路，我們把該部分又分為6個子模塊，其對應的Verilog接口如下：

8 B／10 B頂層模塊：module top——8B10B(clk，rst，din，dout，invalidK)；

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

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

K字符檢測模塊：module k_detector(clk,rst,din,kin，invalidK)；

特殊3 B字符處理模塊：module dec_spec3b4b(clk，rst，din3b，din4b，kin，rdp，rdn)；

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

4.3 同步字節(jié)插入模塊設計

當TS流的數(shù)據(jù)速度始終小于8 B／10 B編碼模塊讀取數(shù)據(jù)的時候，F(xiàn)IFO就有可能下溢，當FIFO為空時，并／串轉換模塊的輸入數(shù)據(jù)為K28.5同步字節(jié)(8 B／10 B編碼后為：0011111010或1100000101)[6]，以達到ASI的固定的270.000 Mb／s的傳輸速率。同步字節(jié)的插入方法有兩種：

(1) 由TS流中的數(shù)據(jù)有效信號來確定是否向FIFO中插入K28.5同步字節(jié)；

(2) 由FIFO的EMPTY信號和來確定并串轉換模塊的的輸入數(shù)據(jù)為0011111010或1100000101，即不通過8 B／10 B編碼模塊。在本設計中，我們選用了方法(1)插入K28.5同步字節(jié)。

4.4 并／串轉換模塊設計

該模塊對10 B的并行數(shù)據(jù)進行并／串轉換，在實際的設計中，采用1個移位寄存器和1個計數(shù)器即可完成并／串轉換操作。

4.5 PLL模塊設計

由于ASI的標準輸出速率是270.000 Mb／s，因此為整個并／串轉換的最小時鐘就是270 MHz，而系統(tǒng)FPGA的外部時鐘選用的是27 MHz的有源晶振，所以可以采用EPlC內部自帶的鎖相環(huán)來提供270 MHz的內部時鐘，實際的操作方法就是例化一個PLL模塊，把倍頻系數(shù)設置為10即可。

5 系統(tǒng)測試與仿真結果

對數(shù)字衛(wèi)星碼流轉發(fā)器ASI輸出的測試可以采用標準MPEG-2碼流分析儀AD953，也可以直接選用DVB解碼器，以觀看能否正確收視節(jié)目來確定ASI流是否正常。FPGA部分設計的軟件平臺選用Quartuns和仿真工具ModelSim，部分仿真結果如圖4所示。

6 結 語

本方案經硬件實現(xiàn)后，接上衛(wèi)星信號，ASI接口輸出的信號經過DVB解碼器后，得到了穩(wěn)定連續(xù)的音視頻信號。采用一塊FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CY7B923+CPLD方案[6]，由于省去了價格昂貴的CY7B923HOTLinkTM芯片，大大降低了該部分的物理成本和硬件電路原理設計的復雜性，因此，本方案具有很強的實用價值。