（电路与系统专业论文）有线数字电视广播系统信道编码与多频点调制的FPGA实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着数字电视全国范围开播时间表的临近，数字电视技术得到很大发展，数 字电视信号在信源基带数据和信道传输等方面已经进一步标准化，数字电视传播 途径也越来越广，在卫星、地面及有线电视网中传输数字电视信号得到迅速发展。 借着2 0 0 8 年奥运的东风，数字电视领域的应用研究方兴未艾。 本课题目的是完成有线数字电视广播系统的重要设备调制器的设计和 实现，核心器件选用f p g a 芯片。系统硬件实现以国家标准g y t1 7 0 2 0 0 1 ( 有 线数字电视广播信道编码与调制规范) 为主要依据，以x i l i n x 公司的v i r t e x 系列 ( v i r t e x4 ，v i r t e x5 ) 芯片及相关开发板( m l 4 0 2 、m l 5 0 6 ) 为平台，主要任务 是基于相关标准对其实用技术进行研究和开发。完成了信道编码和调制的模块划 分、v e r i l o gh l d 程序的编写( 或口核的调用) 和仿真以及在板调试和联调等工 作，设计目的是在提高整个系统集成度的前提下实现多频点调制。 本文在研究现有数字电视网络技术和相关产品的基础上，以国标g y t 1 7 0 2 0 0 1 为主要依据并参阅了其他的相关标准，提出了多频点q a m 调制器的实 现方案。整个工作包括：模块划分，完成了基带物理接口( 输入) 、包头反转与 随机化、r s 编码、卷积交织、码流变换、差分编码、星座映射、基带成型( 包 括n y q u i s t 滤波器、半带滤波器、c i c 滤波器的设计或模块调用) 、高端d a c 的 配置( 输出) 等模块的v e d l o gh l d 程序的编写( 或者i p 核调用) 和仿真等工 作；成功进行了开发板板级调试，调试的过程中充分利用x i l i n x 公司的开发板和 调试软件c h i p s c o p e ，成功设计了验证方案并进行了模块验证；最后进行了各模 块联调工作，设计了系统验证方案并成功完成对整个系统的验证工作。 经测试表明，该系统主要性能达到国家相关标准g y t1 9 8 2 0 0 3 ( 有线数字 电视广播q a m 调制器技术要求和测量方法) 规定的技术指标，可以进入样机试 生产环节。 关键词：有线数字视频广播( d v b c ) ，正交幅度调$ o ( q a m ) ，现场可编程 门阵列( f p g a ) ，异步串行接口( a s i ) ，里德索罗蒙( r s ) 编码 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go ft h es c h e d u l eo fo p e n i n gd i g i t a lt vi nt h ew h o l ec o u n t r y , d i g i t a lt vt e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l ya n db e e nf u r t h e rs t a n d a r d i z e di nt h e a s p e c t ss u c ha sb a s e b a n ds o b i c e - s i g n a ld a t aa n dc h a n n e lt r a n s m i s s i o n ，w h i l et h e t r a n s m i s s i o nm e t h o d so fd i g i t a lt vb e c o m ew i d e ra n dw i d e ra n di th a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l yi nt r a n s m i t t i n gt h es i g n a lo fd i g i t a lt vt h r o u g hs a t e l l i t e s ，e a r t hl a n d a n dc a t vn e t w o r k s w i t ht h el u c k yo fo l y m p i cg a m et h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f d i g i t a lt v i sj u s ti nt h ea s c e n d a n t t a s ko ft h es u b j e c ti st oc o m p l e t et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm o d u l a t o r , w h i c hi sa ni m p o r t a n te q u i p m e n to fc a b l ed i g i t a lv e d i ob r o a d c a s t i n g ，w i t ht h ec o r e c h i pf p g ad e v i c es e l e c t i o n s y s t e mh a r d w a r et oa c h i e v en a t i o n a ls t a n d a r d sg y | 飞 17 0 - 2 0 01 ( c a b l ed i g i t a lt v b r o a d c a s t i n gc h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns t a n d a r d s ) a s t h em a i nb a s i s ，a n dx i l i n x sv i r t e xs e r i e s ( v i r t e x4 ，v i r t e x5 ) c h i p sa n dr e l a t e d d e v e l o p m e n tb o a r d ( m l 4 0 2 ，m l 5 0 6 ) a sap l a t f o r m ，t h em a i nt a s ki sb a s e do nr e l e v a n t s t a n d a r d so fi t sp r a c t i c a lt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t c o m p l e t e dc h a n n e l c o d i n ga n dm o d u l a t i o no ft h em o d u l e ，v e r i l o gh l d t h ep r e p a r a t i o no fp r o c e d u r e s ( o r i pc o r ec a l l ) ，a n ds i m u l a t i o na n dd e b u g g i n gi nt h eb o a r da n dt h ef b lw o r k , a n di s d e s i g n e dt oi m p r o v et h ei n t e g r a t i o no ft h ee n t i r es y s t e mu n d e rt h ep r e m i s eo f m u l t i - f r e q u e n c ym o d u l a t i o n t h eo b j e c t i v eo ft h es u b j e c ti st o c o m p l e t ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f m o d u l a t o r , w h i c hi sa l li m p o r t a n te q u i p m e n to fd i g i t a lc a b l et v , u s i n gf p g aa sc h i e f c h i p h a r d w a r eo ft h es y s t e mi m p l e m e n tm a i n l ya c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d ，g y t17 0 - 2 0 01 ( s p e c i f i c a t i o no ff r a m i n gs t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o r d i g i t a lc a b l eb r o a d c a s t i n gs y s t e m ) ，a n du s ex i l i n x sv i r t e xs e r i e sf p g ac h i p st w i r t e x 4 ，v i r t e x5 ) a n dr e l a t e de v a l u a t i o nb o a r d ( m l 4 0 2 ，m l 5 0 6 ) a sap l a t f o r m t h em a i n t a s ko ft h es u b j e c ti st oc o m p l e t ep r a c t i c a lt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t b a s e do nr e l e v a n ts t a n d a r d s t h es u b j e c tc o m p l e t em o d u l ed i v i s i o no fc h a n n e lc o d i n g a n dm o d u l a t i o n ，v e r i l o gh l dc o d ew r i t i n g ( o ri pc o r ec a l l ) ，a n ds i m u l a t i o na n d d e b u g g i n ga n dj o i n td e b u g g i n gi nt h eb o a r d t h ep u r p o s eo ft h ed e s i g ni st oc o m p l e t e m u l t i f r e q u e n c ym o d u l a t i o nu n d e rt h ep r e m i s eo fi m p r o v i n gt h ei n t e g r a t i o no ft h e e n t i r es y s t e m b a s e do nt h es t u d yo fe x i s t i n gd i g i t a lt vn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dr e l a t i v e p r o d u c t s ，a n do nt h eb a s i so ft h en a t i o n a ls t a n d a r d ，g bg y t17 0 2 0 01 ，a n do t h e r r e l a t i v es t a n d a r d s ，t h ep a p e rh a sp r o p o s e da ni m p l e m e n t a t i o np r o g r a m m eo fa m u l t i - f r e q u e n c yq a mm o d u l a t o r t h ee n t i r e w o r ki n c l u d e ：m o d u l e d i v i s i o n ； c o m p l e t i n gt h ew r i t eo fv e r i l o gh l dc o d e ( o ri pc o r ec a l l ) a n ds i m u l a t i o no fm a n y m o d u l e s ，i n c l u d i n g , t h eb a s e b a n dp h y s i c a li n t e r f a c e ( i n p u t ) ，s y n c h r o n o u so v e r t u r n e d a n dr a n d o m i z a t i o n , r sc o d i n g , c o n v o l u t i o n a li n t e r t w i n e d ，a n ds t r e a mt r a n s f o r m ，t h e d i f f e r e n t i a lc o d i n g ，c o n s t e l l a t i o nm a p s ，b a s e b a n ds h a p i n g ( i n c l u d i n gt h ed e s i g no f n y q u i s tf i l t e r , h a l f - b a n df i l t e r , c i cf i l t e rm o d u l eo rc a l l ) ，t h ec o n f i g u r a t i o no f 址g h e n dd a c ( o u t p u t ) ；c o m p l e t i n gt h ed e b u g g i n gu s i n ge v a l u a t i o nb o a r d ，a n d m a k i n gf u l lu s eo fe v a l u a t i o nb o a r da n dc h i p s c o p ew h i c hi sad e b u g g i n gs o f t w a r e d e v e l o p e db yx i l i n xc o r p o r a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fd e b u g g i n g , a n dd e s i g n i n g c e r t i f i c a t i o ns c h e m ea n dc o m p l e t ee v e r ym o d u l e sc e r t i f i c a t i o n ；a tl a s t ，c o m p l e t i n g j o i n td e b u g g i n go fm o d u l e si n t h e b o a r d ，d e s i g n i n gc e r t i f i c a t i o ns c h e m ea n d c o m p l e t i n gc e r t i f i c a t i o no ft h ew h o l es y s t e m t e s t i n gs h o w st h a tt h em a i ns y s t e mp e r f o r m a n c ec o m p l i e sw i t ht e c h n i c a l i n d i c a t o r sr e q u i r e db yn a t i o n a ls t a n d a r dg y t19 8 - 2 0 0 3 ( s p e c i f i c a t i o n sa n dm e t h o d s o fm e a s u r e m e n to nq a mm o d u l a t o ru s e di n d i g i t a lc a b l eb r o a d c a s t i n gs y s t e m ) ， p r o t o t y p ep r o d u c t i o nt e s tc a nb ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g c a b l e ( d v b ) ，q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ( q a m ) ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，a s y n c h r o n i z es e r i a l i n t e r f a c e ( a s i ) ，r e e d - s o l o m o n ( r s ) c o d e i i i i v 符号说明 8 比特到1 0 比特变换 模拟器件公司出品的一款d a c 异步串行接口 专用集成电路 比特误码率 级联型积分梳妆滤波器 数模转换器 时钟管理模块 双倍数据速率 延迟锁定环 数字信号处理器 数据有效 数字视频广播 有线数字视频广播 前向纠错 有限长单位冲激响应 现场可编程门阵列 q 阶有限域 无限长单位冲激响应 知识产权 国际电信联盟 8 b l o b 编码的同步码字 最低有效位 低压差分信号 运动图象专家组 印刷电路板 龇一 脚 枷 嗽 眦 眦 剃 眦 眦 卿 啪 一 眦 眦 一删m m 刑 一 啪 吣 慨 眦 p l l p r b s p s y n c q a m r s s f d r 锁相环 伪随机二进制序列 包同步 正交幅度调制 里德一所罗门 无杂散动态范围 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丝堕垩 日期：塑孵! 生婴 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰圣堕垩导师签名：日期：塑! 芝兰：望 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 在技术现代化的进程中，数字化技术的发展几乎影响了现今所有的行业，而 对于广播电视业的影响更是前所未有的。自从1 9 2 8 年电视的发明到广泛普及， 当前广播电视业正处在由模拟走向数字化的改变中。这种改变是电视发展普及以 来最大、最有力的一次技术革命。 1 1 数字电视技术的优势 数字电视技术的特点和优势已被人们广泛接受，主要有以下方面： ( 1 ) 传输质量高，抗干扰能力强 模拟电视信号的失真和杂波，经长距离传输后的信号或多次复制后的信号质 量迅速下降；而数字电视信号的失真和杂波要经过多次信号处理( 主要是信道编 码，如纠错码编解码、卷积交织解交织等等) 后，其特性可以基本保持不变。 因而在数字电视广播中用户接收到的图像清晰度高，音频效果好。 ( 2 ) 电视频道利用率高 现有模拟电视频道带宽为8 m h z ，一个频道只能传输一套普通的模拟电视节 目。采用数字电视后，一个频道能传输卜8 套数字电视节目，而且传送数量还会 随着编码技术的改进而进一步提高。 ( 3 ) 信号稳定可靠，设备维护、使用简单 模拟电视信号数字化后，信号以二进制码的形式出现，它只有“0 ”和“1 ” 两种状态。二进制数字信号不受电源波动、器件非线性的影响，所以能保持稳定、 可靠。采用大规模集成电路处理数字信号，可降低设备的功耗，从而提高设备的 可靠性。同时，数字化设备维护简单，使用方便。 ( 4 ) 节省发送功率，覆盖范围广 数字电视发射设备在相同覆盖区所需的平均功率，比模拟电视发射设备的峰 值功率要低一个数量级。所以，相同发射功率，数字电视比模拟电视覆盖范围要 广得多。 ( 5 ) 易于实现高速数据传输和交互式应用，方便开展多种增值业务 山东大学硕士学位论文 在数字电视通信中可以同时传送文字、数据、语音、静止图像等多种数字信 息。系统采用了开放的中间件技术，易于实现各种交互式应用，数字电视网可与 互联网、电信网互连互通，不仅使信息源更为丰富，还可以增加用户与各种信息 源之间的交互性，实现用户自由点播节目、电子商务、网上购物、网上教学、网 上医疗、网上游戏等多种高速数据业务。 ( 6 ) 方便加密a n 扰，容易实现条件接收( c a ) 数字电视信号容易进行加密a n 扰，有利于信息安全，同时便于实现条件接 收，大大降低了开展付费电视业务的成本。 ( 7 ) 网络改造成本低，普及方便 由于保留了现有模拟电视视频格式，用户端仅需加装数字电视机项盒即可接 收数字电视节目，利于系统的平稳过渡，减少消费者的负担。 灵活和友好的人机交互界面，便于用户操作。除显示设备外，其余设备可系 统集成，进行大规模生产，因此价格低廉，便于推广普及。 1 2 中国有线数字电视发展现状 中国有线电视的数字化进程得到充分重视，2 0 0 1 年中国广播电影电视总局 ( 广电总局) 制定了广播影视技术科技十五计划和2 0 1 0 年远景规划，为中 国数字电视整体发展做出规划；2 0 0 3 年6 月发布的我国有线电视向数码化过 渡时间表，更明确指出中国各城市的数码化时间表，计划在2 0 1 5 年完成全国 的数字电视转换工作，并停止模拟电视信号的发送。 中国有线数字电视的标准采用欧洲标准的d v b c ，采用q a m 调制的方式。中 国有良好的有线数字电视基础，自北京在2 0 0 3 年9 月率先进行数字电视试播以 来，全国各大城市数字电视试播工作不断取得进展，各种创新性的网络改造经营 模式不断被开发出来。可以说，中国有线数字电视的发展大有可为。 即将举行的2 0 0 8 年北京奥运会，为我国数字电视的发展提供了难得的机遇。 届时中国将在世界范围内以高清数字信号直播或转播奥运节目，这为中国数字电 视事业的发展提供了强大的推动力。作为数字电视的重要组成部分，有线数字电 视技术的发展也越来越快，有线数字电视业务增长明显。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 课题研究背景、意义 有线数字电视的传输是为了满足有线数字电视信号的传输特点而设计的。中 国数字电视广播国家标准的有线传输系统采用q a m 调制的方式，市面上现有产品 统称为q a m 调制器，其原理分为信道编码和q a m 调制两大模块。 作为有线数字电视传输的主要设备q a m 调制器的性能对数据传输质量有着 重要影响。目前市面上现有的q a m 调制器绝大多数是单频点调制器，且相当数量 的产品是使用现有国外专用芯片实现各模块的功能，不能实现的部分由f p g a 实 现，最后连接成整个系统，因此系统集成度不高。同时还要考虑各部分电路的协 同工作问题，从而增加了大量的阻抗匹配、电平标准匹配等外围电路，并且占用 了大量的f p g a 的i 0 引脚，f p g a 的资源并没有得到充分利用。 本文在深入研究国家标准g y t1 7 0 2 0 0 1 ( 有线数字电视广播信道编码与调 制规范) 的基础上，提出了全数字的实现方案，并以f p g a 为工具，对q a m 调制 器进行了多频点、全数字的研究、设计和实现。所实现的系统集成度高、性能稳 定，节省了大量的外围电路和线路板面积，f p g a 的i o 引脚的使用充分合理， 并且可以同时实现多个频点的调制。 1 4 系统原理构架 按照有线数字电视广播信道编码与调制规范的国家标准g y t1 7 0 - 2 0 0 1 规 定，有线数字电视系统的构架原理如图1 1 所示。 到警 接口li 随税化 辘 口i r s 编码 6 l 器 叫( 2 0 4 ， i1 8 8 ) 一鬻巨 删黎h 鬻卜曩怯 反转li 芽1 1 和h 篓理 随机化ii 便u 图1 1 有线数字电视系统的构架原理 嚣嚣 h 8 一 斗腓器配波与衡匹滤器均 川纠 山东大学硕士学位论文 其中，上半部分为信道编码与调制，其产品通常称为q a m 调制器，下半部分 为信道解码与解调，其产品通常称为o a m 解调器。本文主要的研究范畴为信道编 码与调制。 依据标准对调制器功能模块进行划分，核心部分可以分为基带物理接口、信 道编码、调制和输出四大部分，如图1 2 。 图1 2 项目功能模块划分 基带物理接口采用a s i 接口；信道编码包括五部分：同步反转和随机化、r s 编码、卷积交织、字节到m 位符号变换、差分编码；调制包括两部分：基带成型、 q a m 调制；输出部分的主要工作是d a c 的配置，另外，要做成完整的产品，输出 部分还要加入模拟低通滤波器和变频器。 基带物理接口是整个项目的输入接口，在本项目中的选择是a s i 接口，理由 是a s i 接口使用广泛，方便与前端仪器适配器的连接，并且占用f p g a 的i 0 引 脚很少，采用低电压差分输入( l v d s ) ，仅仅占用两位i 0 引脚，同样采用低电 压差分输入的s p i 接口至少要占据2 2 位i 0 引脚。由于整个系统的数据传输和 处理都是基于s p i 格式，所以该接口在进行时钟数据恢复之后，必须进行a s i ( 异 步串行接口) 到s p i ( 同步并行接口) 的转换。 信道编码包括五部分：同步反转和随机化、r s 编码、卷积交织、字节到m 位符号变换、差分编码。同步反转和随机化又叫能量扩散，目的是为了符合i t u 的无线电管理规定并保证有足够的二进制转换，并为基带信号频谱成形做准备。 r s 编码是一类很好的线性纠错码，卷积交织可以将连续的误码打乱分散，r s 编 码和卷积交织的联合使用可以在解调的时候有效的降低误码率。字节到m 位符号 变换和差分编码则是为接下来的调制工作做准备。 调制包括两部分：基带成型、q a m 调制( 又叫星座映射) 。其中基带成型部 分是关键，其性能往往决定了整个系统性能的好坏。我们知道数字信号在传输时 需要一定的带宽，为了经济地利用频带资源，我们希望信号占用的频带尽可能窄， 就需要对数字信号进行频谱成形，同时为了满足系统所需要的比特抽样率，需要 对码流进行插值滤波。星座映射则是系统调制得到的最终结果，可以在星图仪上 4 山东大学硕士学位论文 显示并直观的加以判断和分析。 输出部分的主要工作是d a c ( 模数转换器) 的配置，另外，要做成完整的产 品，输出部分还要加入模拟低通滤波器和变频器。模拟低通滤波器的作用主要是 抑制d a c 输出的镜像谱和假信号，变频器的作用是实现频谱从中频到高频的变 换。模拟低通滤波器和变频器的选择工作有样机生产厂家承担，因此本文不做讨 论。d a c 的配置上，经过综合考虑，我们选择了美信公司的m a x 5 8 9 1 和模拟器件 公司的a d 9 7 3 6 两款芯片。选择不同公司的两款高端芯片，目的是将其性能做比 较，并且可以作为备用方案避免芯片性能缺陷对项目进度造成影响。 本文的主要内容结构如下： 第二章介绍了基带物理接口( 本方案选择a s i 接口) 的原理及实现方案。 第三章介绍了信道编码的原理及实现方案。 第四章介绍了调制的原理及实现方案。 第五章介绍了输出的配置，主要是d a c 的选择与配置。 第六章介绍了仿真工具，给出了各功能模块的仿真结果和联调后的仿真结 果，并设计了验证方案，对整个系统进行了功能验证，给出了验证结果。 第七章总结与展望。 山东大学硕士学位论文 第二章a si 接口原理与f p g a 实现方案 基带物理接口是整个项目的输入接口，在本项目中的选择是a s i 接口。 q a m 调制器需要跟它的前端设备适配器相连，可供选择的接口有a s i ( 异步 串行接口) 、s p i ( 同步并行接口) 等。 s p i 接口的优点是配置简单，不需要进行数据时钟恢复和包结构恢复，但占 用了太多f p g a 的i o 引脚。 相比s p i 接口，a s i 接口更适合远距离传输，并且可以最大限度的节省f p g a 的i o 引脚。在本地数据处理时，a s i 接口需要我们在接口输入时将异步串行数 据转换成同步并行数据并进行时钟和包结构恢复。 本章简单介绍了a s i 相关的协议结构，并详细讨论了a s i 接受节点的f p g a 实现方案。 2 1 基带物理接口的选择 基带物理接口通常采用a s i ( 异步串行接口) 或s p i ( 同步并行接口) ，s s i ( 异步并行接口) 很少使用。与s p i 相比，a s i 接口更适合远距离传输，并且可 以最大限度的节省f p g a 的i o 引脚。 a s i 方式采用串行数据传输，不需要考虑同一字节内数据位的同步，利于提 高传输速度，便于远距离传输，同时配合8 b l o b 编解码可以降低误码率。 由于我们的项目目标是实现多频点调制，需要多路输入，而则每一路输入， a s i 接口可以比s p i 接口节省2 0 个i o 引脚，在多路输入的情况下相当可观。 基于上述原因，远距离传输广泛采用a s i 接口，并且作为调制器前端设备的 适配器均提供a s i 接口。本设计的输入采用a s i 接口。 2 2a si 协议结构 6 a s i 协议结构分为三层：第0 层、第l 层、第2 层。 第0 层为物理层，第一层为数据编码，第二层为传输协议，下面对本文用到 山东大学硕士学位论文 的相关协议细节进行简要的阐述，没有阐明的部分，请参照国家标准 3 g y t 1 7 0 2 0 0 1 ( 有线数字电视广播信道编码与调制规范) 和欧洲标准t 4 j e n5 0 0 8 3 9 ( c a b l e dd i s t r i b u t i o ns y s t e m sf o rt e l e v i s i o n ，s o u n da n di n t e r a c t i v e m u l t i m e d i as i g n a l sp a r t9 ：i n t e r f a c e sf o rc a t v s m a t vh e a d e n d sa n ds i m i l a r p r o f e s s i o n a le q u i p m e n tf o rd v b m p e g 一2t r a n s p o r ts t r e a m s ) 。 2 2 1 第0 层：物理需求 物理层规定传输媒介、驱动器和接收器，以及传输速率。物理接口有l e c 驱动的多模光纤和同轴电缆两种。基本速率定义为2 7 0 m b i t s ( 传输信道速率) 。 第o 层的基本单元为链路。 1 线路速率和比特定时 由8 b l o b 编码的线路速率为2 7 0 m b i t s ，接收器通常采用锁定于输入数据 流比特跳变的锁相环( p l l ) 振荡器，来恢复串行传输时钟。然后从中分离出锁相 的字节时钟，将字节并行移出，送到第1 层处理部件上。 2 接收器定时信息的捕捉 接收器在排列接收到的字节之前，首先要捕捉到比特同步。这个捕捉时间的 计算方法为从接收到有效输入信号起，到接收器同步于比特流，并且送出在系统 规定的b e r 范围内重新定时的有效数据为止。比特同步必须在l m s 内完成。 3 电缆的特性：电缆标称特性阻抗为7 5q ： ( 1 ) 电缆连接器 该连接器应具有b n c 型的机械特性。 连接器的电特性应能满足接口规定使用频率范围。 ( 2 ) 电气特性 参数应符合系统的温度、电压和寿命范围，并且要在终接了7 5q 电阻终端 时进行测量。接口应经过变压器耦合到同轴电缆系统上。接收节点的电气特性指 标如表2 1 所示： 7 山东大学硕士学位论文 表2 1a s i 接收节点的电气特性指标 接收器输入特性单位指标 最小灵敏度( d 2 1 5 空闲模式) m v 2 0 0 最大输入电压( p - p ) m v 8 8 0 s u ( 范围：0 1 - 1 0x 比特率) d b一1 7 最小分立连接器的反射损耗( 0 3 m h z 一1 g h z ) d b1 5 2 2 2 第1 层：数据编码 a s i 传输协议包括串行编码规则、专用字符及差错控制。该编码采用直流平 衡的8 b l o b 传输码，即将每个8 比特字节映射为1 0 比特码。这种1 0 比特码的 游程长度等于或小于4 比特且直流偏置最小，其差错校验是由无效传输码点和 “游程”不等性实现的。专用字符定义为编码数据字节未用的附加码点。其中最 特别的是逗号字符( k 2 8 5 ) ，用以建立在a s i 传送链路中的字节同步。 ( 1 ) 线路解码 a s i 接口第1 层中采用8 b l o b 传输码。 ( 2 ) 字节同步 字节排列同步图形是8 b l o b 码中的k 2 8 5 码。在5 字节窗内，收到两个相 邻k 2 8 5 专用字符后，接收器就可认为是一个己正确排列的码流。在第二个 k 2 8 5 后收到的第一个字节就应具有有效字节排列。 ( 3 ) 误码率( b e r ) 的性能 数据从第l 层传到第2 层处测得的b e r 应小于1 0 1 3 ，即b e r 应在8 b l o b 解 码器输出处测量。 ( 4 ) 包同步 每个第2 层传送包之前至少应有两个同步码字( k 2 8 5 ) 。 2 2 3 第2 层：传送协议 a s i 第2 层采用m p e g 一2 传送流的包结构作为其基本信息单元。传送包可以 是连续字节的块( 即传输码流的单个包中不插入同步字) ，也可以是插入同步字的 单个字节，或者是连续字节和同步字的任意合成。此外a s i 第2 层协议规定，每 个传送包前至少要有两个同步字( k 2 8 5 ) 。尽管包同步处理不是h s i 传输协议定 山东大学硕士学位论文 义的一部分，但第2 层包定义中还是包括了m p e g - 2 传送包同步字( 4 7 h ) ，以便接 收设备实现包同步。 a s i 接口第2 层定义使用了m p e g 一2 传送流包的句法，还有附加要求，即每 个传送包前至少应有两个同步码字k 2 8 5 字符。尽管没有插入的同步字，8 b l o b 接收器也能维持同步( 在同步建立之后) ，但这种包前的同步字节的条件可保证， 一旦线路干扰使同步丢失时，在1 个传送包之内即可再同步。 2 3a si 与s pi 接口转换的原理 a s i 与s p i 接口转换的原理如图2 1 所示。 图2 1a s i 与s p i 接口转换的原理图 由上图可见，a s i 接口包含两个物理节点：发送节点( 上半部分) 和接收节 点( 下半部分) 。这里我们只用到接收节点，因此本文对发送节点不做讨论。 2 4a s i 接收节点的f p g a 实现方案 采用a s i 接口在数据处理之前必须进行a s i 到s p i 的转换工作。传统转换方 法采用c y p r e s s 公司的c y 7 8 9 3 3 和c y 7 8 9 2 3 芯片与c p l d 或f p g a 相结合，这种方 法设计简单，但缺点明显，就是增加了大量的外围电路，占用了大量线路板面积， 降低了系统集成度，浪费了大量的f p g a 主芯片的i o 引脚。而且，c y p r e s s 公 司的c y 7 8 9 3 3 和c y 7 8 9 2 3 芯片的输入、输出电压并不严格符合标准规定的峰峰值 9 山东大学硕士学位论文 电压为8 0 0 m v 1 0 的接口电压。虽然c y p r e s s 公司的c y 7 8 9 3 3 和c y 7 8 9 2 3 芯片 经常配对使用并且在业内非常流行，几乎成为事实标准，但采用此方案严格来说 是不够严密的。 本文采用的设计方案3 1 引，对a s i 到s p i 的接口转换进行了f p g a 实现，这 样仅需增加少量的电平匹配和阻抗匹配电路就可以与标准a s i 接口进行连接，大 大减少了外围电路、节省了线路板的面积，提高了系统的集成度，并且也节省了 f p g a 的i o 引脚。 方案原理如图2 2 所示。 图2 2a s i 接收节点方案的原理图 由图可见，a s i 到s p i 接口转换的实现可以划分为六个子模块：数据恢复、 字节边界对齐及串并转换、同步字删除与s p i 同步信号产生、8 b l o b 解码、包 头( p s y n c ) 与数据有效信号( d v a l i d ) 的产生。在数据恢复和字节边界对齐及 串并转换时我们使用的是2 7 0 m 的主时钟，而其他模块使用的是2 5 0 m 的系统主频， 这是因为信道编码和调制两大模块使用的是2 5 0 m 的系统主频，而在串并转换时 数据码流速度变慢为2 7 m ，此时及时进行主频的变换，方便了以后整个系统的联调。 各个模块是顺序进行的，下面对各个模块的原理和作用进行详细阐述。 2 4 1 数据恢复的原理与实现方案 2 4 1 1 方案选择 i o a s i 是高速的异步串行数据，没有随路时钟。因此我们工作的第一步就是对 山东大学硕士学位论文 码流进行采样，恢复出原始的码流和时钟。 恢复串行数据的传统设计方法：一是利用锁相环和v c o ，通过调整本地的参 考时钟，使其和输入数据同步，但这样将不得不增加f p g a 的外围电路；二是在 用高速时钟采相对低速的数据，直接采用倍频后的时钟( 至少需要是数据速率的 3 到5 倍) ，对输入的串行数据进行采样，系统根据对一个比特产生的一组采样 值中0 和1 的个数多少进行判决，输出的判决结果就是恢复的数据信号。但是由 于a s i 信号的时钟频率己经高达2 7 0 m h z ，倍频之后的频率需要达到1 g h z 左右， 现有f p g a 芯片器件不支持如此高频率的时钟。 本设计采用x i l i n x 的一种串行数据恢复方案，充分利用x i l i n x 公司的高端 f p g a 的i ) c m ( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ，时钟管理模块) 模块所提供的倍频和移 相功能，通过产生不同相位差的2 7 0 m 的本地时钟进行采样，在不提高时钟频率 的基础上同样达到了时钟倍频的效果，能够有效的使接收到的数据与本地时钟同 步，正确恢复出串行数据。 该方案的原理图如图2 3 所示： d a t a 00l1l100 bcdbcd 图2 3 数据恢复的原理图 由图可见，通过移相产生四路不同相位的2 7 0 m 时钟，通过对四路时钟所采 集到的数据进行比较，就可以准确的判断出哪里出现了数据的上升沿或者下降 沿。具体的判断方法在后面的章节详细阐述。 为了产生四路不同的相位时钟，我们采用两个d c m 模块相连的方式，将晶振 山东大学硕士学位论文 产生的时钟倍频到2 7 0 m 后进行移相作为四路输出。四路时钟得到的数据是异步 的，为了整个工程的调试方便，需要先将异步数据转化为同步数据。我们采用的 方式是通过四级寄存器将c l k 9 0 、c l k l 8 0 、c l k 2 7 0 三路时钟各自上升沿触发的数 据先后转化为c l k 上升沿触发的数据。具体方法如图2 4 所示。 0 7 5 个时钟周期o 7 5 个时钟周期0 7 5 个时钟周期1 个时钟周期 - 卜，卜_ 一卜卜 图2 4 数据恢复模块结构图 由图2 4 可见，c l k 9 0 时钟下的数据直接转换到c l k 上升沿，c l k l 8 0 时钟下 的数据要先转换到c l k 9 0 上升沿再转换到c l k 上升沿，同理c l k 2 7 0 又更多一步。 这是为了保证建立保持时间，不使不同时钟域的数据一下子相位跨度太大，保证 数据转换的准确性并得到比较强的抗干扰能力和容错能力，同时也为设计留出了 必要的余量。 2 4 1 2 信号跳变沿检测 信号跳变沿检测是整个数据恢复方案中重要的一个步骤，其输出的结果将决 定判决模块对于采样结果的选择。 ( 1 ) 上升沿检测 1 2 山东大学硕士学位论文 为了进行上升沿检测，我们设置四个中间变量如下： a a p = ( a z 2 x o ra z 3 ) a n da z 2 = a z 2 a n d ( a z 3 )式2 1 b b p = ( b z 2 x o rb z 3 ) a n db z 2 = b z 2 a n d ( b z 3 )式2 2 c c p = ( c z 2 x o rc z 3 ) a n dc z 2 = c z 2 a n d ( c z 3 )式2 3 d d p = ( d z 2 x o rd z 3 ) a n dd z 2 = d z 2 a n d ( d z 3 )式2 - 4 这里特别给出了官方参考设计的式子化简后的结果，因为综合工具综合出来 的r t l ( r e s i s t o rt r a n s f e rl e v e l 寄存器传输级) 图就是得到的后面这个式子 的电路。这一点对设计结果是没有影响，两个式子的功能是完全相同的。 以a 点为例，上升沿检测结果a a p 的真值表见表2 2 ： 表2 2a 点上升沿检测结果真值表 a z 2 】a z 3 燃 oo 0 o1 0 l01 ll o 从