（通信与信息系统专业论文）基于niosⅡ系统的单片ts流复用器的研究与开发.pdf

摘要 摘要 我国已经启动了有线电视从模拟向数字的整体转换，这标志着中国的“数字 电视”时代己经拉开帷幕，数字电视的发展面临着前所未有的机遇。现有的有线 电视网具有带宽与速度两大优势，因此如何充分利用有线网的带宽资源，开展宽 带多媒体综合业务数字网，是广大设备和服务提供商应该首先考虑的问题。 m p e g 一2 传输流( t s ) 复用器作为数字电视系统前端的关键设备，因此对其的研究 与开发具有巨大的经济效益。 文中首先对m p e g 一2 标准的系统部分进行详细地分析与研究，并对复用器中 的两个关键的技术：节目时钟参考( p c r ) 校正算法和循环冗余校验( c r c ) 校验算法 进行了理论分析和算法硬件实现研究。然后提出一种基于n i o si i 系统的单片t s 流复用器设计方案。本方案是一种基于可编程片上系统( s o p c ) 的硬件复用器设计 方案，其特点是将系统的软件和硬件集成在一款现场可编程门阵y o ( f p g a ) - ，使 用该方案不但简化了整个系统，而且实现了稳定、高速、低成本的复用器设计。 对系统中各个功能模块的整合和验证采用功能仿真、时序仿真、原型验证三个步 骤进行，保证系统中各个功能模块可以正常工作，并满足系统的性能要求。然后 详细介绍了复用器的实现，以及测试和调试中遇到的问题及解决方法。最后对整 个论文进行总结分析。文中有几个主要的贡献： ( 1 ) 、改进了传统的p c r 校正方法，使p c r 的校正精度小于l o o n s ( 标准要 求p c r 精度5 0 0 n s ) ，并且大大地减少了逻辑资源的使用。 ( 2 ) 、采用一种按字节计算c r c 3 2 的适于t s 流处理的f p g a 实现方案，加 快了处理速度。 ( 3 ) 、采用了一种按内容访问存储器( c a m ) 方法实现快速的p i d 映射，减 少了逻辑资源的使用。 ( 4 ) 、8 路多节目传输流( m p t s ) 的复用和整机控制由一块f p g a 完成。具有 成本低，稳定可靠的优势。 作者按此方案设计并开发了两台数字电视t s 流复用器，达到了预期的性能和 技术指标，并在实际的使用中得到了用户的肯定。 关键词：数字电视，m p e g 一2 ，循环冗余校验，节目时钟参考，可编程片上系 统，按内容访问存储器 a b s t r a c 玎 a b s t r a c t o u rc o u n t r yh a sa l r e a d yb e g u nt os t a r tu pt h ew h o l et r a n s f o r m a t i o no fc a b l et v f r o mt h ea n a l o gt ot h ed i g i t a l t h ea g eo fc h i n a s “d i g i t a lt e l e v i s i o n h a sa l r e a d y c o m m e n c e e d t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o ni s f a c i n g au n p r e c e d e n t e d o p p o r t u n i t y m o r e o v e r , t h e r ea r et w os u p e r i o r i t yo ft h eb a n d w i d t ha n ds p e e di nt h e e x i s t i n gc a b l et e l e v i s i o nn e t w o r k t h e r e f o r et h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sa n dt h e s e r v i c ep r o v i d e r sm u s tf i r s tc o n s i d e rh o wt of u l l ym a k eu s e so f t h eb a n dr e s o u r c e so f t h e c a b l en e t w o r k ，a n dd e v e l o pi n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r ko fm u l t i m e d i a t h e m p e g - 2t sm u l i t p l e x e ri sae s s e n t i a le q u i p m e n ti nt h ef r o n te n do ft h ed i g i t a l t e l e v i s i o ns y s t e m t h e r e f o r et h e r ei st h eh u g ee c o n o m i cb e n e f i tt or e s e a r c ha n d d e v e l o pt sm u l t i p l e x e r i nt h ed i s s e r t a t i o na u t h o rf i r s ta n a l y s i sa n dr e s e a r c hm p e g 一2s t a n d a r di nd e t a i l ， a n dc a r r yo nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h eh a r d w a r er e a l i z a t i o nr e s e a r c ho ft w o e s s e n t i a lt e c h n i q u e p c ra 删u s t m e n ta n dc r c 一3 2a l g o r i t h m t h e na u t h o rp u tf o r w a r da k i n do fp r o j e c to ft sm u l t i p l e x e rb a s e do nn i o si is y s t e m t h i si so n ek i n dp r o j e c to f h a r d w a r em u l t i p l e x e rb a s e do nt h eh i g h - p e r f o r m a n c es y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) i nt h ep r o j e c ta u t h o ri n t e g r a t ew i t ht h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r eo naf i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ( f p g a ) ，n o to n l ys i m p l i f y i n g t h eo v e r a l l s y s t e m d e s i g n ，m o r e o v e rr e a l i z i n gs t a b l y , h i g hs p e e d ，l o wc o s tm u l t i p l e x e r sd e s i g n t h e d i s s e r t a t i o nc a r r yo nt h r e ev e r i f i c a t i o ns t e pt h a ti n c l u d ef u n c t i o nv e r i f i c a t i o n 、t i m e v e r i f i c a t i o na n dp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o nt og u a r a n t e ee a c hi pc a nw o r kn o r m a l l yt os a r i s f y t h es y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t t h e na u t h o ri n t r o d u c et h er e a l i z a t i o no ft h e m u l t i p l e x e ri nd e t a i l ，a sw e l la st h et e s ta n d t h ed e b u g g i n gq u e s t i o n sm e ti np r a c t i c ea n d s o l u t i o no ft h e q u e s t i o n s f i n a l l y a u t h o rm a k et h e s u m m a r ya n a l y s i s o ft h e d i s s e r t a t i o n t h e r ea r es e v e r a lp r i m a r yc o n t r i b u t i o ni nt h ed i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) t h ed i s s e r t a t i o ni m p r o v e do nt h et r a d i t i o n a lp c rc o r r e c t i n gm e t h o ds ot h a tt h e c o r r e c t i n gp r e c i s i o ni ss m a l l e rt h a n1 0 0 n s ( 图4 9 专门集成电路实现a s i 传输 在a s i 的编码过程中，只需将m p e g 2t s 流的八位数据和一位码率传输时钟 输入到f p g a 。因为在本方案中，只管接收t s 码流数据，而不用关心t s 码流的 同步头和有效信号。p s y n c 帧同步信号和p v a l i d 忽略。当然f p g a 在两个2 7 m h z 时钟周期间检测到输入数据发生了变化，就控制c y 7 8 9 2 3 把输入的数据经8 b 1 0 b 编码后传输出去，否则就向a s i 码流中填充k 2 8 5 以维持2 7 0 m b p s 的固定传输速 率。最后串行数据经过驱动就可用同轴电缆传送出去。本方案中，同步字k 2 8 5 的插入采用传输码流的单个字节前后不能都是k 2 8 5 同步字的方式。这种方案相 对来说，判断和处理都相对简单。当然也可以在f p g a 和c y 7 8 9 2 3 中加入一个f i f o 作数据缓冲器，可以采用c y 7 8 9 2 3 的其它两种编码方式。但这样作会浪费f p g a 的逻辑资源。 在a s i 的接收端，输入的a s i 码流经过均衡后，输入到c y 7 8 9 3 3 芯片。它由 电子科技大学硕士学位论文 内部的时钟锁相环首先锁定a s i 码流时钟，检测同步字k 2 8 5 ；找到后即确定了 a s i 比特流顺序，然后进行串并转换。由此可知，检测到k 2 8 5 ，即字节对齐是 a s i 解码的重要前提，由此c y 7 8 9 3 3 定义了一套检测字节同步的方法。考虑到传 输误码等原因可能造成假k 2 8 5 ，因此c y 7 8 9 3 3 采用双字节确认方法。即连续两 个字节都是k 2 8 5 ，才确认字节同步了，接着进入正常的单字节解码状态。在解码 状态，如果在6 4 个解码字节中，f p g a 计数到有1 6 个字节是错误的，则f p g a 必 须向c y 7 8 9 3 3 发送信息，要求c y 7 8 9 3 3 重新进行字节同步。字节同步后，因为 k 2 8 ，5 是c y 7 8 9 2 3 插入的同步字节，不能作为有效数据输出，c y 7 8 9 3 3 自动略除 这些同步字节。当c y 7 8 9 3 3 检测到有效数据时，c y 7 8 9 3 3 将输出一位当前数据有 效的指示，并且输出一个准备输出数据信号，f p g a 就是根据这个两个信号来输出 有效的数据。并根据输出的字节是否是4 7 h 来确定t s 包的同步字节；如果找到 t s 包同步字，将恢复对应的帧同步信号，此时f p g a 计数1 8 8 恢复出完整的t s 包，接下来的字节如果不是4 7 h ，说明输入数据有误，f p g a 将丢弃这些数据直到 找到4 7 h 同步字。 4 4 4 输出码率调整及d d s 设计 由于复用器要求输出码率可变，用户会根据实际需要调整码率。本复用器器 使用直接数字式频率合成( d d s ) 技术来实现输出码率调整。 1 、d d s 简介 频率合成技术主要有三种方式，即直接合成、锁相频率合成和直接数字合成 ( d d s ) 。直接数字式频率合成技术是继直接频率合成和间接频率合成之后，随着数 字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来第三代频率合成技术。它直接对 参考正弦时钟进行抽样和数字化，然后通过数字计算技术进行频率合成。与其它 频率合成方法相比，它的优点是：相位连续，频率分辨率高，频率转换速度快。 它以数字信号处理理论为基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成，具有 极高的频率分辨率、极短的频率转换时间、很宽的相对带宽、频率转换时信号相 位连续、任意波形的输出能力及数字调制功能等诸多优点，正广泛地应用于仪器 仪表、遥控遥测通信、雷达、电子对抗、导航以及广播电视等各个领域。尤其是 在短波跳频通信中，信号在较宽的频带上不断变化，并且要求在很小的频率间隔 内快速地切换频率和相位，因此采用d d s 技术的本振信号源是较为理想的选择。 d d s 具有较高的频率分辨率，可实现快速的频率切换且在频率改变时能够保持相 第四章基于n i o si i 系统的单片t s 流复用器方案的开发与实现 位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。同时，为了适应不同解码 设备码率的差别，所以采用了直接数字频率合成。 目前，d d s 产品有q u a l c o m m 公司的q 2 3 3 4 、0 2 3 6 8 ；a d 公司的a d 7 0 0 8 ，a d 9 8 5 0 ， a d 9 8 5 1 等，由于我们要求输出的最大码率可达1 6 0 m b p s 。那么就要有1 6 0 8 = 2 0 m h z 的输出时钟。a d 公司的a d 9 8 5 0 9 8 5 1 型直接数字频率合成器( d d s ) ，特点是给定 参考频率后能够根据频率和相位设定值生成所需的任何频率，前提是所需频率要 小于参考频率的三分之一。我们选择a d 9 8 5 1 作为我们的d d s 芯片，下面对 a d 9 8 51 作一个简要介绍。 2 、a d 9 8 5l 的工作原理及特性 a d 9 8 5 1 是a d 公司最新推出的采用先进的c m o s 技术生产的直接数字合成 器，它的原理如图4 1 0 所示。 a d 9 8 5 1 的最高工作时钟为1 8 0 m h z ，内部除了完整的高速d d s 外，还集成 了时钟6 倍频器和一个高速比较器。集成的时钟6 倍频器降低了外部参考时钟频 率，仅需一个3 0 m h z 晶振即可，在本方案中我们采用与其它部分共用2 7 m h z 晶 振。因此减小了高频辐射，提高了系统的电磁兼容能力。 a d 9 8 5 1d d s 系统采用了3 2 b i t s 相位累加器及1 0 b i t s d a c ，在7 0 m h z 模拟输 出时，d a c 输出的抑制寄生动态范围s f d r 4 3 d b 。5 b i t s 相位控制可现最小1 1 5 0 的相位改变。频率控制和相位调节可采用并行或串行方式。 a d 9 8 5 l 工作电压范围较宽，为2 7 5 2 v ，1 8 0 m h z 工作时的功耗为5 5 0 r o w ， 功耗低，在2 7 v 时仅为4 m w 。a d 9 8 5 1 采用2 8 脚表面贴装形式封装。 d ”k 图4 1 0a d 9 8 5 1 原理框图 3 、a d 9 8 5 1 控制 a d 9 8 5 1 内部共有5 个8 位( 总共4 0 位) 寄存器，包括3 2 位的频率控制字、 电子科技大学硕士学位论文 5 位的相位控制字、1 位6 倍频控制字、1 位用于电源休眠( p o w e rd o w n ) 控制、1 位用于使能控制。这4 0 位控制字可通过并行方式或串行方式输入到a d 9 8 5 1 ，并 行输入的控制时序图如图4 1 1 所示，在并行装入方式中，通过8 位总线a 0 d 7 将可数据输入到寄存器，在重复5 次之后再在f q l a d 上升沿把4 0 位数据从输入 寄存器装入到频率相位数据寄存器( 更新d d s 输出频率和相位) ，同时把地址指 针复位到第一个输入寄存器。接着在w c l k 的上升沿装入8 位数据，并把指针指 向下一个输入寄存器，连续5 个w c l k 上升沿后，w c l k 的边沿就不再起作用， 直到复位信号或f q u d 上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在串行输入方式， w c l k 上升沿把2 5 引脚的一位数据串行移入，当移动4 0 位后，用一个f q u d 脉冲即可更新输出频率和相位。图4 1 2 是相应的控制字串行输入的控制时序图。 a d 9 8 5 1 的复位( r e s e t ) 信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5 个参考时钟周 期。a d 9 8 5 1 的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率，因此a d 9 8 5 1 的复位 ( r e s e t ) 端可与单片机的复位端直接相连。值得一提的是：用于选择工作方式 的两个控制位，无论并行还是串行最好都写成o o ，并行时的1 0 、o l 和串行时的 1 0 、o l 、1 l 都是工厂测试用的保留控制字，不慎使用可能导致难以预料的后果。 正是通过对以上各寄存器的写操作从而完成对a d 9 8 5 l 的工作模式、输出波形( 频 率、相位、幅度) 、频谱特性以及功耗等的设置，由于a d 9 8 5 1 的内部寄存器较 多，全面地了解各寄存器控制字并根据输出要求对其编程成为整个频率合成器设 计中的核心内容。 jl uuuud uu 缓苯虽压x 三压强e翔 4 1 才0刊i ：| 塾r 门r 几门r 。一k。 l1 。w 滋缓琵缓琵缓琵缓琵滋琵兹缓戮琵缓荪画 裟搿瑙嚣搿搿篇麓凛篙裂裟妒” 图4 1 1 并行输入的控制时序图 a d 9 8 5 1 同时支持8 位并行( 最高1 0 0 m h z ) 或s p i 兼容串行( 最高1 0 m h z ) 操作。采用并行控制方案可获得更高的寄存器读写速率，但同时也需要更多的1 ：3 资源( 8 位数据线以及读写控制信号线各一) ，而根据系统资源状况，在设计中选 一 一 一 一 s 第四章基于n i o si i 系统的单片t s 流复用器方案的开发与实现 用了串行控制方案以节约系统开销( 与并行操作相比可减少8 个控制信号) 。 胛d a t a 蹬震圜濑数二垂亘二黛蕊圈蕊 i r e d t o f * s e t 一器黜，_ 豳重固暖固回圈 器蠹品嚣嬲黼嚣簇：翟黔勰驴m ”。t n 。r n 门 图4 1 2 串行输入的控制时序图 a d 9 8 5 1 的串口与大多数同步传输格式串口兼容( 包括m o t o r o l a6 9 0 5 1 1s p i 及i n t e l8 0 5 1s s r 协议) ，设计中采用了s p i 串行通信，并将其设置为单引脚i o ( s d i o ) ，即输入输出信号共用一根线。 图4 1 3a d 9 8 5 1 接口原理图 可以看到，d o d 7 是它的并行数据输入，而d 7 可以单独做它的串行数据输入， r e s e t 脚是复位a d 9 8 5 1 的。由于采用n i o s i i 来控制a d 9 8 5 1 ，所以必须用v e f i l o g h d l 语言编一个a d 9 8 5 1 的用户接口逻辑，满足a v a l o n 总线接口标准，把 a d 9 8 5 1 当成n i o si i 的一个外围器件。接口原理图如图4 - 1 3 所示，此原理图表示 电子科技大学硕士学位论文 并行方式和串行方式都可以使用。不论是并行还是串行，我们编程时都必须遵循 它们的控制时序。下面我详细介绍一下串行控制方式的a v a l o n 总线接口设计， 总共用了四根控制线， r e s e t 、w c l k 、f q _ u d 、d 7 。 图4 1 4a d 9 8 5 1 的a v a l o n 总线接口模块 图4 1 5a d 9 8 5 1 总线接口仿真波形 采用a v a l o n 总线标准中的从端吕基本的读写传输来控制a d 9 8 5 1 。 a v a l o n 总线接口模块如图4 - 1 4 所示。其中a d d r e s s 2 一o 、c h i p s d e c t 、c l k 、r e a d 、 w r i t e d a t a 3 1 0 、r e s e t 、w r i t e 、r e a d d a t a 3 1 o 是a v a l o n 总线接口标准控制线， 而d d s r e s e t 、w c l k 、f q _ u d 、s e r i a l d a t a 分别对应着a d 9 8 5 1 的四根控制线。 a d d r e s s 2 o 是此模块内部控制寄存器的地址线，c h i p s e l e c t 为片选，e l k 为工作时钟， 第四章基于n i o si i 系统的单片t s 流复用器方案的开发与实现 r e a d 为读使能，w r i t e 为写使能，r e s e t 为复位，w r i t e d a t a 3 1 o 是指令与数据输入线， r e a d d a t a 3 1 0 是a v a l o n 总线读数据口，其实是可以不要，加上主要是用于测试 功能。其工作仿真波形如图4 - 1 5 所示 4 4 5 以太网和r s 2 3 2 接口设计 由于此复用器要具有支持w e b 远程网管控制( 局域网) ，可实现集中网管， 远程升级和维护；可通过以太网插入数据，并且能够对各种数据进行加密、复用 和传输。所以要进行以太网和r s 2 3 2 接口设计。由于r s 2 3 2 的接口很普通，所以 重点介绍一下以太网设计。 以本系统选用的网络芯片是由s m s c 公司生产的自适应1 0 m 1 0 0 m 第三代快 速以太网控制器芯片l a n 9 1 c 111 ，集成了s m s c c d 协议的m a c ( 媒体层) 和 p h y ( 物理层) 。由于其灵活性和集成度高，具有较高的性价比。l a n 9 1 c 1 1 1 工作流程比较简单，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送 命令，l a n 9 1 c 111 会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输；反之芯片 收到物理信号后自动将其还原成数据，并按指定格式存放在芯片r a m 中以便主机 程序取用。简言之就是l a n 9 1 c 1 l l 完成数据包和电信号之间的相互转换。 l a n 9 1 c 1 1 1 是s m s c 公司生产的专门用于嵌入式产品的1 0 1 0 0 m 快速以太网 控制器，该器件具有可编程、c r c 校验、同步或异步工作方式、低功耗c m o s 设 计、小尺寸等特点，是设计嵌入式以太网网络接口的良好选择。 ( 1 ) 、主要特点 支持i e e e s 0 2 3 8 0 2 3 u 以太网标准； 自动诊测：1 0 1 0 0 m ，全双工半双工收发方式； 片上8 k b 的f i f or a m ； 可外接e 2 p r o m ； 内部3 2 位数据通道； 硬件m m u ，并支持先进的传输队列管理； 部分输入引脚和i o 引脚支持5 v 电压，可直接与5 v 设备相连； 支持a r m 、p o w e rp c 、c o l d f i r e 等嵌入式处理器的接口； ( 2 ) 、工作原理简介 l a n 9 1 c 1 1 1 的原理框图如图4 1 6 所示。l a n 9 1 c 1 1 1 的8 k br a m 为数据包 的传输提供缓冲，m m u 把它分成2 0 4 8 b 的页。l a n 9 1 c 1 1 1 的p h y 包括控制器、 电子科技大学硕士学位论文 编码器、解码器、扰频器、解扰频器、时钟数据恢复、1 0 0 b a s e t x 发送器、1 0 b a s e t 发送器和1 0 0 b a s e t x 接收器、1 0 b a s e t 接收器等。 对于1 0 0 m b p s 来说，发送数据时，m m u 首先将处理器传来的数据，根据其 大小为其在r a m 中分配若干页。在数据传送到r a m 时，数据包的包号也在t x f i f o 中排队，然后按照f i f o 规则逐个将数据包传送到p h y 模块进行4 b 5 b 编码， 并经过扰频器整理后送到发送数据端，发送数据端将这个经过扰频后的4 b 5 b 数 据包变成三电平信号m l t 一3 并加以驱动在双绞线上输出。接收数据时，l a n 9 1 c 1 l l 首先将数据包复制一份并送到解扰频器整理后，再送到4 8 5 b 解码器解码，而e p h 模块根据数据包的目标地址是否为本网卡的m a c 地址或广播地址或多播地址来 决定数据包的取舍。若地址匹配，m m u 为其在r a m 中开辟相应大小的空间，并 以中断方式告知处理器。当数据包被取走后，m m u 释放此块内存。 图4 1 6l a n 9 1 c 1 1 1 的原理框图 对于1 0 m b p s 来说，发送接收过程是相似的，但它采用m a n c h e s t e r 编码，并 以适当的电平加以驱动在双绞线上输出，并且没有扰频器和解扰频器。 通过设置p h y 控制寄存器的相应位，可使m i i 接口无效，此时，m i i 输入被 忽略掉，而m i i 输出端则变成高阻状态。 可选择性的外接e 2 p r o m ，它可存储网卡的m a c 地址、网卡的配置信息以 及i o 寻址基地址信息，加载网卡时，可将其读入并分别存储在l a n 9 1 c 11 1 相应 的寄存器中。 4 4 6 面板显示和按键设计 面板显示和按键是t s 流复用器的一个重要组成部分，是人机界面接口，此部 分如果作不好，就会影响整个产品的形象，给用户使用带来不方便。主要用于复 第四章基于n i o si i 系统的单片t s 流复用器方案的开发与实现 用器运行状态和技术参数的显示，以及整个复用器的控制。面板有6 个指示灯，8 个按键。如图图4 1 7 所示。 ( 1 ) 、各个指示灯说明 l o a d ：此指示灯闪烁，表示工作正常。 f u l l ：表示内部缓冲器满。不能正常工作，造成的原因可能是：输入的码率总 和大于输出码率。解决方法，l 、调高输出码率；2 、降低输入的总码率。 n u l l ：厂家保留使用。 m o d i f y ：此指示灯亮时表示可以修改当前l c d 上显示的参数。 pe r r o r ：点亮时表示用户设置的参数不能满足设备的要求，请重新设置相应的 参数。 图 图4 一1 7 复崩器面板图 a ：公司名称b ：液晶显示屏c ：功能指示灯d ：菜单按键 e 方向键 f ：确定键g ：熏新配最键h ：复位键 ce r r o r ：点亮时表示可能硬件有问题，按复位键( r e s e t ) 进行复位，如果不 能解决，按：重新配置键( c o n f i g ) 进行重新配置( 注意此健不能过于频繁的使用) ， 如果还是不能解决请跟厂家联系。 ( 2 ) 、按键说明。 m e n u ：菜单按键，同时用来修改选择。需要修改某个设置时按下此键，当m o d i f y 指示灯亮时表示该参数可以修改，然后用上下键改变光标闪烁处的参数，用左右 键移动光标。 方向键：用来切换菜单或者改变参数大小及移动光标。 e n t e r ：确定键，修改参数完成后按此键即可完成修改。 c o n f i g ：软件重新配置键。 r e s e t ： 复位键。 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 、主菜单说明 主菜单，总共有以下六个。主菜单之间的切换：首先按m e n u 键，然后用上 下键来回切换选择。例如：要选择节目参数设置( c h a n n e l ) ，首先按m e n u 键，然 后按上下键进行菜单选择，当屏幕显示为c h a n n e l 时，按e n t e r 键表示选定此菜 单，此时屏幕显示的是该菜单的参数。 默认菜单( 显示公司名及设备编号) 输入输出码率( r a t ed i s p l a y ) 节目参数设置( c h a n n e l ) 系统参数设置( s y s t e mp a r as e t ) 默认参数设置( d e f a u l td a t ar e c ) 存储设置( d a t as t o r e ) ( 4 ) 、主菜单功能简要介绍 默认菜单 第一行为公司名，第二行为设备编号。 输入输出码率( r a t ed i s p l a y ) 包含子菜单有1 - 8 路输入节目的码率，复用后输出码率，按上下键能进行切 换。 节目参数设置( c h a n n e l ) 主要是用于对每个通道输入的t s 流的各种p i d 进行显示，类似于码流分析仪 的功能。可以对输入的t s 流进行码流分析。另外，对该通道要复用节目进行选择。 系统参数设置( s y s t e mp a r as e t ) 该主菜单完成一些系统参数的设置。输出码率的设置，系统各节目的p m t 、 音视频p i d 、输出包格式、系统参数加解锁等的设置。 出厂时的默认设置( d e f a u l td a t ar e c ) 主要用于用户想恢复出厂时设置，可以到此菜单下操作。 数据保存( d a t as t o r e ) 当用户想对修改的数据进行保存时，可以按此菜单进行保存。 4 4 7 电源设计 复用器能否正常工作，电源非常关键。复用器对电源的要求如下：总共需要 三组电源( 5 v 、1 5 v 、3 3 v ) ： ( 1 ) 、5 v ，电流要求2 a ，供给c y 7 8 9 3 3 、c y 7 8 9 2 3 、a d 9 8 5 1 、整机时钟、 7 0 第四章基于n i o si i 系统的单片t s 流复用器方案的开发与实现 液晶显示。 ( 2 ) 、1 5 v ，电流要求2 a ，e p l c 2 0 的核心电压。 ( 3 ) 、3 3 v ，电流要求2 5 a ，供给所有c p l d 、e p l c 2 0 的端口电压、串口配 置芯片、l a n 9 1 c 11l 、r a m 、s d r a m 、f a l s h 。 总功率为5 2 + 1 5 * 2 + 3 3 * 2 5 = 2 1 2 5 w ，如果采用5 0 的裕量设计，至少需要 4 2 5 w 的电源。如果采用线性稳压电源，则体积大、效率低，所以采用开关电源。 从目前高档机器来，一般采用开关电源加二次稳压方式比较多点。它兼顾了线性 电源和开关电源的优点，缺点就是功耗要大一点。具体规格如下： ( 1 ) 、 输出电压：共二组电源，5 v - 4 - 0 1 v ，输出电流大于5 5 a ，纹波兰1 0 m v ； 9 v 士0 1 v ，输出电流大于3 a ，纹波! 1 0 m v 。 ( 2 ) 、输入电压：l8 0 v a c 2 6 0 v a c 4 7 h z 6 3 h z 。 ( 3 ) 、电磁兼容：符合f c c 的b 级标准。 ( 4 ) 、工作温度：1 0 0 c 6 0 。c 。 ( 5 ) 、存储温度：一2 0 0 c 一8 5 0 c 。 ( 6 ) 、过压保护：输出电压的1 2 0 一1 4 0 。 ( 7 ) 、效率：大于8 0 。 ( 8 ) 、带有电源输出指示信号。 ( 9 ) 、线性调整：墅o 5 。 复用器的5 v 电源用美国国家半导体公司的l m s l 5 8 5 5 0 来稳压，输入为开关 电源的9 v 。复用器的1 5 v 电源用美国国家半导体公司的l m s l 0 8 5 1 5 来稳压， 输入为开关电源的5 v 。复用器的3 3 v 电源用美国国家半导体公司的l m s l 5 8 5 3 3 来稳压，输入为开关电源的5 v 。 4 4 8 整机p c b 板的sij f n e m c 设计 高速数字信号由信号的边沿速度决定，一般认为上升时间小于4 倍信号传输 延迟时可视为高速信号。平常讲的高频信号是针对信号频率而言的【3 ”。 信号完整性( s i ) 是指在信号线上的信号质量。差的信号完整性不是由某一单 一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包 括反射、振铃、地弹、串扰等。处理高速数字系统的振铃和串扰问题一直是一个 令人头疼的问题，特别是在今天，越来越多的v l s i 芯片工作在1 0 0 m h z 的频率以 上，4 5 0 m h z 的c p u 也将广泛应用，信号的边沿越来越陡( 已达到p s 级) ，这些 电子科技大学硕士学位论文 高速器件性能的增加也给高速系统设计带来了困难。同时，高速系统的体积不断 减小使得印制板的密度迅速提高。比较现在新的p c 主板与几年前的主板，可以看 到新的主板上加入了许多端接。信号完整性问题已经成为新一代高速产品设计中 越来越值得注意的问题，这已是毋庸置疑的了。 信号源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源 端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗， 反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平 面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。 信号的振铃和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态 而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等， 振铃和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振铃可以通过适当的端接予 以减小，但是不可能完全消除。 在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将 有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感 和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面( 0 v ) 上产生电压的波动和变化， 这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感 的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。 振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象( 伴有地平面回路) ， 串扰则是由同一p c b 板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。串 扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦 合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。p c b 板层的参数、信号线间距、驱 动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 表4 1 列出了高速电路中常见的信号完整性问题与可能引起该信号完整性的 原因，并给出了相应的解决方案。 在一个已有的p c b 板上分析和发现信号完整性问题是一件非常困难的事情， 即使找到了问题，在一个已成形的板上实施有效的解决办法也会花费大量时间和 费用。那么，我们就期望能够在物理设计完成之前查找、发现并在电路设计过程 中消除或减小信号完整性问题，这就是e d a 工具需要完成的任务。先进的e d a 信号完整性工具可以仿真实际物理设计中的各种参数，对电路中的信号完整性问 题进行深入细致的分析。 新一代的e d a 信号完整性工具主要包括布线前布线后s 1 分析工具和系统级 s i 工具等。使用布线前s 1 分析工具可以根据设计对信号完整性与时序的要求在布 第四章基于n i o s i i 系统的单片t s 流复用器方案的开发与实现 线前帮助设计者选择元器件、调整元器件布局、规划系统时钟网络和确定关键线 网的端接策略。s 1 分析与仿真工具不仅可以对一块p c b 板的信号流进行分析，而 且可以对同一系统内其它组成部分如背板、连接器、电缆及其接口进行分析，这 就是系统级的s 1 分析工具。针对系统级评价的s 1 分析工具可以对多板、连接器、 电缆等系统组成元件进行分析，并可通过设计建议来帮助设计者消除潜在的s i 问 题，它们一般都包括i b i s 模型接口、2 维传输线与串扰仿真、电路仿真、s 1 分析 结果的图形显示等功能。这类工具可以在设计包含的多种领域如电气、e m c 、热 性能及机械性能等方面综合考虑这些因素对s i 的影响及这些因素之间的相互影 响，从而进行真正的系统级分析与验证。m e n t o rg r a p h i c s 公司的i c x 设计工具可 以在时序与电气规则的驱动下进行t o p d o w n 式的布局及无网格布线，并提供多板 分析功能，是典型的系统级s i 工具。 表4 1 常见信号完整性( s i ) 问题及解决方法 问题可能原因解决方法变更的解决方法 终端阻抗使用上升时间缓 过大的上冲终端端接 不匹配 慢的驱动源 直流电压电平 线上负载以交流负载替换使用能提供更大 不好过大 直流负载驱动电流的驱动源 线间耦合使用上升时间缓 在被动接收端端接，重 过大的串扰 过大慢的主动驱动源新布线或检查地平面 传输线距离 传播时间过长太长，没有 替换或重新布线，使用阻抗匹配的驱动 检查串行端接源，变更布线策略 开关动作 首先对系统进行分割，系统中不仅有高速部分，也有异步的低速部分，分割 的目的是要重点保护高速部分。c p u 与s b s r a m 、s d r a m 接口是同步高速接口， 对它的处理是保证信号完整性的关键；与f i f o 、f l a s h 、f p g a 接口采用异步接 口，速率可以通过寄存器进行设置，信号完整性要求容易达到。高速设计部分要 求信号线尽量短，尽量靠近c p u 。如果将c p u 的信号线直接接到所有的外设上， 一方面d s p 的驱动能力可能达不到要求，另一方面由于信号布线长度的急剧增加， 必然会带来严重的信号完整性问题。所以，在该系统中的处理办法是将高速器件 与异步低速器件进行隔离。这种解决方案可以缩短高速信号线的传输距离，以达 到信号完整性的要求。在设计布局布线时，总是优考虑这些重要的时钟线，即通 电子科技大学硕士学位论文 过规划时钟线，使得时钟线的连线远离其它的信号线；连线尽量短，并且加上地 线保护。本系统中由于要求大容量存储器，对于要求较高的同步时钟来说，如果 采用星型布线，就很难保证时钟的扇出能力，而且还将导致p c b 布线尺寸的增大， 从而直接影响信号完整性。因此很有必要采用时钟缓冲器来产生4 个同相的、延 迟极小且一致的时钟，这样不但增加了时钟信号的驱动能力，同时更好地保证了 信号完整性( 如图4 1 8 所示) 。对于其它的关键信号诸如f i f o 的读写信号等， 也应尽心设计。 图4 1 8 时钟缓冲图 第三点是解决信号的反射、串扰噪声问题。这一点在高速系统中显得尤其重 要，解决的办法是通过采用先进的e d a 工具，选择正确的布线策略和端接方式， 从而得到的理想的信号波形。在设计本系统时，基于i b i s 模型，使用h y p e r l y n x 进 行设计前仿真。根据仿真结果，选择出最优的布线策略。最后是解决系统中的电 源和e m i 问题。首先一定要尽量减小系统中的各种电源之间的互相影响，如数字 电源和模拟电源通常只在点处连接，且中间加磁珠滤波；还要选择合适的位置放 置去耦电容，做到有效地旁路电源和地线上的反弹噪声；最后是在印制板的顶 ( t o p ) 层和底( b o t t o m ) 层大面积铺铜，用较多的过孔将这些地平面连接在 一起，这些措施对解决e m i 和电源噪声都能起到积极的作用。 7 4 第五章程序与硬件的调试和系统测试 第五章程序与硬件的调试和系统测试 5 1 整机硬件调试 5 1 1 仪器仪表及附属设备 ( 1 ) 、计算机( 安装q u a r t u si i5 0 和n i o s1 1 5 0 软件) 一台 ( 2 ) 、f p g a 下载电缆u s bb l a s t e rr e vb 一根 ( 3 ) 、数字卫星接收机( 带a s i 接口输出) 8 台 ( 4 ) 、d v b c 机顶盒一台 ( 5 ) 、电视机一台 ( 6 ) 、q a m 调制器一台 ( 7 ) 、三用表一台 ( 8 ) 、数字示波器一台 ( 9 ) 、码流分析仪一台 ( 1 0 ) 、逻辑分析仪( 可选) 5 1 2 电路检查，调试 在电路板元件装配之前，应该对照p c b 图进行检查。用万用表检查是否有电 源布线短路到地的现象，电源和地是否有开路。在所有的元器件装好之后，在上 电之前，应该仔细检查是否有短路、开路、虚焊、漏焊，检查电解电容是否有焊 反。检查开关电源的输出电压是否满足要求。 在上面的情况检查无误的情况下，给复用器主板供电，然后用万用表测量三 个稳压集成电路的输出是否满足要求。 最后用u s b 下载线下载一些自己编译的测试程序到各个c p l d 和f p g a 测试 所有的硬件的工作正常，相互之间的管脚是否连通。在遇到问题时，首先确定究 竟是硬件问题还是软件问题，如果是硬件问题，一定要仔细检查原理图和印制板 图，看是否原理图设计出了问题，还是p c b 板绘制有问题，如果真的有什么问题 的话，看能否进行补救。如果是软件出了问题，一定要仔细分析程