1 引 言
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(nèi)傳送更多的電視節(jié)目，正成為數(shù)字化視聽技術(shù)發(fā)展的一個新方向。作為數(shù)字電視前端設(shè)備中的衛(wèi)星數(shù)字電視碼流轉(zhuǎn)發(fā)器，簡稱為碼流機(jī)，其主要功能就是接收頻率為950～2 150 MHz的國內(nèi)外數(shù)字衛(wèi)星節(jié)目信號進(jìn)行QPSK解調(diào)，并轉(zhuǎn)換成ASI格式的MPEG-2傳輸流，輸出給TS流復(fù)用器、QAM調(diào)制器等前端設(shè)備處理后發(fā)射到數(shù)字電視終端用戶，即相當(dāng)于有線電視臺轉(zhuǎn)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(diào)諧器輸出的TS流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)器主要由調(diào)諧器，FPGA，ASI輸出，SPI輸出以及音視頻解碼輸出部分構(gòu)成，其中調(diào)諧器部分負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)ASI的數(shù)據(jù)鏈路層的具體實(shí)現(xiàn)、SPI輸出以及TS流的轉(zhuǎn)接到音視頻解碼芯片上；控制部分主要負(fù)責(zé)碼流路由選擇和音視頻解碼部分的控制。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)今數(shù)字電視前端設(shè)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(jié)構(gòu)，共分3層[1]，如圖2所示。
第0層：物理層，傳輸介質(zhì)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(zhuǎn)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(jī)均勻地插在TS數(shù)據(jù)之間，稱為非突發(fā)模式，一般設(shè)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(shí)現(xiàn)。
3 8 B／10 B編碼的理論基礎(chǔ)
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(fù)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(guān)系有惟一的奇偶特性，稱之為RD(Running Disparity)，當(dāng)‘1’的個數(shù)大于‘0’的個數(shù)時，RD為正，反之為負(fù)。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(jìn)制數(shù)，編碼中依次對一個信息字符的x和y部分進(jìn)行編碼，其編碼的結(jié)果取決于當(dāng)前x或y的值和前一次編碼結(jié)果的RD。若前一次RD為正，則后一次編碼采用RD為負(fù)的碼字編碼，反之亦然。這樣編碼的結(jié)果保證傳輸信號的電平統(tǒng)計(jì)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(jìn)行自動檢測，實(shí)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(shí)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(yàn)，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(xì)設(shè)計(jì)
在FPGA的設(shè)計(jì)中，我們選用Altera的EP1C3T144C8。按照自頂向下的設(shè)計(jì)思路，我們把FPGA的ASI部分詳細(xì)設(shè)計(jì)化分為5個子模塊，如圖3所示。
4.1 輸入FIF0的設(shè)計(jì)
由于從調(diào)諧器輸出的TS流與實(shí)際FPGA處理的TS流速度并不是同步的，因此在FPGA內(nèi)部建立一個FIFO對輸入的TS流進(jìn)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(shè)計(jì)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(yuǎn)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(shè)計(jì)
在該部分設(shè)計(jì)的過程中，參照上述的8 B／10 B理論基礎(chǔ)[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(shè)計(jì)思路，我們把該部分又分為6個子模塊，其對應(yīng)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(shè)計(jì)
當(dāng)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(dāng)FIFO為空時，并／串轉(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)中，我們選用了方法(1)插入K28.5同步字節(jié)。
4.4 并／串轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
該模塊對10 B的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，采用1個移位寄存器和1個計(jì)數(shù)器即可完成并／串轉(zhuǎn)換操作。
4.5 PLL模塊設(shè)計(jì)
由于ASI的標(biāo)準(zhǔn)輸出速率是270.000 Mb／s，因此為整個并／串轉(zhuǎn)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(nèi)部自帶的鎖相環(huán)來提供270 MHz的內(nèi)部時鐘，實(shí)際的操作方法就是例化一個PLL模塊，把倍頻系數(shù)設(shè)置為10即可。
5 系統(tǒng)測試與仿真結(jié)果
對數(shù)字衛(wèi)星碼流轉(zhuǎn)發(fā)器ASI輸出的測試可以采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的軟件平臺選用Quartuns和仿真工具M(jìn)odelSim，部分仿真結(jié)果如圖4所示。
6 結(jié) 語
本方案經(jīng)硬件實(shí)現(xiàn)后，接上衛(wèi)星信號，ASI接口輸出的信號經(jīng)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因此，本方案具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。