基于單載波調(diào)制器中TS流傳輸?shù)脑O(shè)計和實現(xiàn)

【摘  要】 本文介紹了數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攺V播中TS流在單載波（ATSC）調(diào)制器中的傳輸，詳細說明了ASI接口的轉(zhuǎn)化，論述了TS流速率與調(diào)制器凈數(shù)據(jù)率的速率匹配問題，并使用CY7B933、CY7C433和FPGA實現(xiàn)了TS流在調(diào)制器中的正常傳輸，最終給出了硬件設(shè)計結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】ATSC； TS； ASI； SPI； 插空包

1  概述

    隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電視取代模擬電視已經(jīng)是必然的趨勢。當今世界地面數(shù)字電視傳輸標準主要有美國的ATSC標準，歐洲的DVB－T標準和日本的ISBT－T標準。ATSC標準是基于單載波調(diào)制的技術(shù)，它具有傳輸容量大、工作門限低、相同覆蓋條件下要求發(fā)射功率低、抗脈沖干擾能力強、對調(diào)諧器要求低等優(yōu)點，同時經(jīng)過大量的測試已經(jīng)成功應(yīng)用于實際的數(shù)字電視地面廣播傳輸中【1】。由于編碼器以傳輸流（TS）的形式并配以ASI或SPI接口傳輸?shù)秸{(diào)制器,因此在設(shè)計調(diào)制器時應(yīng)該首先考慮接口規(guī)范的不同和速率匹配等問題,本文主要是基于ATSC調(diào)制器來討論TS的傳輸。

2  TS流在調(diào)制器中的傳輸

2．1  調(diào)制器結(jié)構(gòu)

 圖一 調(diào)制器中的TS流傳輸

    在無線廣播數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中，統(tǒng)一規(guī)定以MPEG-2的傳輸流即TS流（transport stream）形式進行傳輸，也就是說視音頻信息經(jīng)過編碼器的處理形成TS流的標準形式，每個TS包有188個連續(xù)的字節(jié)，其中位于包頭的第一個字節(jié)固定為47H。編碼器輸出接口一般分為兩種形式，ASI口（Asynchronous serial interface）和SPI口(Serial Peripheral Interface)，前者是一種高速串行數(shù)據(jù)通訊接口，具有高速、可靠、準確等特性；后者屬于一種并行總線接口，易于進行數(shù)據(jù)處理。但無論采用哪種接口，調(diào)制器都需要對其進行速率匹配的處理，因為雖然編碼器的輸出速率可以固定在4Mbps到20Mbps不等，但實際傳送的每個TS包的速率不固定，且TS包之間的間隔也不固定，這對于需要連續(xù)處理數(shù)據(jù)的調(diào)制器來說是不允許的。所以設(shè)計的調(diào)制器可傳送的凈數(shù)據(jù)率必須大于編碼器的輸出速率，并在TS流中適當?shù)牟逡恍┛瞻ǚ螹PEG-2標準），以獲得連續(xù)的碼流。

    圖一表示了TS流在調(diào)制器中的傳輸過程，其中片內(nèi)FIFO即用于上訴的速率匹配，接下來TS流需要經(jīng)過擾碼，外編碼和交織等模塊最后組幀輸出用于調(diào)制，中間的交織器由于使用RAM，可以間接起到由于組幀時插入同步信息的數(shù)據(jù)緩沖作用，同時組幀輸出的數(shù)據(jù)使能反饋回FIFO要新的TS流，周而復(fù)始。本文設(shè)計的這種調(diào)制器結(jié)構(gòu)具有修改性強的特點，原因在于一旦幀場結(jié)構(gòu)有所變化，只需要修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)使能的產(chǎn)生，而與前級處理無關(guān)，有利于TS流在調(diào)制器中的連續(xù)傳輸。

2.2  TS流傳輸中ASI口的轉(zhuǎn)化

圖二 ASI口轉(zhuǎn)化的實現(xiàn)框圖

    ASI是一種固定波特率的異步串行接口，其突出特點是：速度快，固定波特率，準確。來自不同數(shù)據(jù)信源的波特率可能是不同的，通過在這些數(shù)據(jù)中間插入同步字而使用固定波特率（270M）傳輸【2】。此外，其數(shù)據(jù)還經(jīng)過8Bit到10Bit編碼，在傳輸數(shù)據(jù)的空余段插入同步字，具有較強的抗擾、錯誤檢測和再同步能力。

    為了得到并行傳輸?shù)腡S流數(shù)據(jù)，需要對ASI口進行轉(zhuǎn)化，如上圖所示，CYPRESS公司的CY7B933和CY7C433配合使用，可以很好的解決這個問題，他們的主要引腳如下：

CKR：CY7B933的恢復(fù)時鐘，一般為27M，配合數(shù)據(jù)的輸出；

RDY：數(shù)據(jù)輸出準備，低有效，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)被接收準備傳送，屬于正常；

SC/D：特殊字符/數(shù)據(jù)選擇，低有效，表示Q0~7為有效數(shù)據(jù)；

Q0~7：CY7B933并行數(shù)據(jù)輸出；

Read_ena：FIFO的讀使能信號，低有效；

Write_ena：FIFO的寫使能信號，低有效；

HF：FIFO的半滿信號，低有效；

    可將RDY信號和SC/D信號組合產(chǎn)生FIFO的寫信號，將有效的數(shù)據(jù)寫入FIFO，F(xiàn)PGA通過判斷半滿信號HF連續(xù)地從FIFO中讀取一個TS包長度的數(shù)據(jù)。但只得到TS數(shù)據(jù)流是不夠的，必須加入一些指示線證明數(shù)據(jù)的正確性，相似于SPI口的標準形式，產(chǎn)生sync用于指示包頭位置，valid用于指示一個數(shù)據(jù)包的有效性，并配合FPGA本地的時鐘clk（一般30M），方便后級處理。搜索包頭的流程圖如下：

圖三 搜索TS流包頭流程圖

2.3 
TS流傳輸中插空包處理

    經(jīng)過接口處理的TS流雖然包括sync和valid的信號，但是速率仍然和調(diào)制器的其他模塊有沖突，尤其數(shù)據(jù)流的連續(xù)性由組幀時的使能控制，所以仍然必須對TS流進行插空包的處理，且使輸出符合幀結(jié)構(gòu)特點，這也是本文設(shè)計調(diào)制器的關(guān)鍵。

    這里又得需要一個FIFO，但由于編碼器輸出速率和調(diào)制器凈數(shù)據(jù)率往往相差不大，可以考慮使用片內(nèi)FIFO，在對FIFO輸出的數(shù)據(jù)進行判斷時，需要用到sync指示線，為了方便處理，將FIFO設(shè)為9位位寬（sync、data），深度設(shè)為4K。相似于上述的ASI轉(zhuǎn)化，讀FIFO時也需要判斷半滿信號HF，不同的是要確保寫入FIFO的第一個數(shù)據(jù)是包頭47H，這樣可以保證以后每次讀取一個完整的TS包。當HF無效時插入空包，空包的具體格式為：

圖四 空包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    但是值得注意的是由于ATSC標準中的幀長不一定是TS包的整數(shù)倍，也就是說讀FIFO或插空包時可能不會是一個完整的包，為此需要新增狀態(tài)機FIFO_stop，記錄停止的位置（保持188計數(shù)器的值），以便使能再次有效的時候繼續(xù)處理上回的數(shù)據(jù)，具體狀態(tài)機的實現(xiàn)如下圖所示：

圖五 插空包的狀態(tài)機實現(xiàn)

3．硬件實驗結(jié)果

  （見TIF圖像附件）圖六：ASI轉(zhuǎn)化仿真示意圖

（見TIF圖像附件）圖七 插空包過程的仿真示意圖

    本文的硬件設(shè)計采用ATERA公司的APEX系列芯片【3】，仿真工具為MENTOR公司的ModelSim軟件，經(jīng)過仿真和硬件調(diào)試，工作正常。

    圖六所示的仿真結(jié)果中采用片內(nèi)FIFO模仿CY7C433，而且經(jīng)過硬件調(diào)試，ASI轉(zhuǎn)換模塊良好，搜索包頭47H迅速，達到系統(tǒng)的速率要求。插空包模塊的仿真波形（圖七）更加準確的解釋了狀態(tài)機之間的跳轉(zhuǎn)，其中state的數(shù)值表示如下：

0：系統(tǒng)復(fù)位；1：讀FIFO工作；2：插入空包；3：讀FIFO或插空包暫停。

    可見系統(tǒng)起始狀態(tài)FIFO未達到半滿所以插入了2個空包，其后開始讀FIFO，由于讀到一半，幀使能信號gen_ena_bit為低，進入狀態(tài)3，待使能信號再次為高，接著上回的位置繼續(xù)讀取FIFO，位置計數(shù)器rd_cnt開始計數(shù)。

4．結(jié)束語

    本文設(shè)計的調(diào)制器TS流傳輸方案，利用CYPRESS公司的CY7B933和CY7C433的配合，通過FPGA作為邏輯控制，解決了TS流傳輸中的接口不統(tǒng)一和速率不匹配等問題，并通過了硬件的仿真和調(diào)試，可應(yīng)用于許多現(xiàn)有的數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)中，如美國的ATSC標準和中國的ADTB_T，具有很強的實用性。而且就ASI轉(zhuǎn)化部分而言也可以應(yīng)用于以DVB_T為代表的多載波傳輸系統(tǒng)，有一定的通用性。

參考文獻
【1】  The Grand, “The U.S. HDTV standard,” IEEE Spectrum, April, 1995, pp. 36-45.
【2】  關(guān)東亮，余松煜. 一種新的高速ASI的設(shè)計與實現(xiàn). 數(shù)據(jù)采集與處理, 2001（12）：490－493.
【3】  夏宇聞. 從算法設(shè)計到硬線邏輯的實現(xiàn). 北京：高等教育出版社，2001. 122－159.