1 引言
在目前的廣播電視系統(tǒng)中ASI接口是使用非常廣泛的一種接口形式,，該接口隨同SPI一起被歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）制訂，以使不同廠家生產(chǎn)的MPEG2單元可以方便地進行互聯(lián),。本設(shè)計方案以FPGA為核心器件,，制作出了SPI-ASI接口轉(zhuǎn)換器。這套方案成本較低,，利用FPGA的可編程性,，硬件的升級較容易。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析
2.1 DVB－ASI介紹
一般的Mpeg2編碼器的輸出和解碼器的輸入都是標準的并行11位信號,，處理簡單而且擴展性強,，符合SPI（Synchronous Parallel InteRFace）信號接口。傳輸SPI信號,，在傳輸鏈路上是LVDS技術(shù)和25根管腳連接的,，因此具有連線多、復(fù)雜,，傳輸距離短,，容易出現(xiàn)錯誤等缺點，而且,，SPI的熱插拔性能也較差,。
ASI是個串行傳輸協(xié)議，TS流以串行的方式傳輸,，為了保證接收端能正確恢復(fù)出TS流DATA數(shù)據(jù),，發(fā)送端需要插入同步字K28.5。ASI協(xié)議中沒有PSYNC,、DVALID和CLOCK信息,，因此，在接收端需要根據(jù)TS流的同步字節(jié)0x47,，由外部邏輯合成這3個信號,。
ASI傳輸流可以發(fā)送不同數(shù)據(jù)速率的Mpeg2數(shù)據(jù)，但傳輸速率恒定,，為270Mbps,。因此ASI可以發(fā)送和接收不同速率的Mpeg2數(shù)據(jù)。ASI傳輸系統(tǒng)使用分層結(jié)構(gòu)描述,，最高層,、第2層使用MPEG-2標準ISO/IEC 13818-1，第0層和第1層是基于ISO/IEO CD 14165-1的FC纖維信道,。FC支持多種物理傳輸媒介,，本方案選用同軸電纜傳輸,。
2.2 DVB－ASI信號發(fā)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了在編、解碼器和傳輸設(shè)備之間能正確傳遞數(shù)據(jù),，本方案以FPGA（Altera公司的EP1C6T144C8）為核心器件,，在SPI和ASI信號之間進行轉(zhuǎn)換。原理如圖1所示,。其中,，27MHz時鐘作為系統(tǒng)時鐘，為FIFO,、8B10B編碼和并串轉(zhuǎn)換提供時鐘源信號,。由于SPI接口采用LVDS電平傳輸數(shù)據(jù)，從DB25-F頭輸入的并行信號,，首先需要進行LVDS->TTL電平轉(zhuǎn)換,，得到SPI接口定義的DATA、PSYNC,、DVALID和CLOCK并行信號,。丟棄PSYNC和DVALID信號，將DATA和CLOCK信號直接連接到FIFO的輸入端,。外部邏輯控制著FIFO的讀,，從FIFO讀出的數(shù)據(jù)送給8B10B編碼模塊進行編碼轉(zhuǎn)換，并以270Mbps的速率輸出串行數(shù)據(jù),。其中,，270MHz時鐘由27MHz系統(tǒng)時鐘通過鎖相環(huán)產(chǎn)生。串行信號電氣特性為差分的PECL電平,，經(jīng)過1:1的變壓器隔離后,，由BNC頭輸出。
圖 1 SPI轉(zhuǎn)ASI模塊原理圖
FIFO的寫入時鐘即為TS流的字節(jié)時鐘CLOCK,，而讀出時鐘為固定值27MHz,。采用不同的FIFO讀邏輯，可以產(chǎn)生突發(fā)或連續(xù)兩種ASI輸出模式,。本方案中,，F(xiàn)IFO、FIFO的讀寫控制邏輯,、8B10B編碼以及并串轉(zhuǎn)換均由FPGA 實現(xiàn),，ASI輸出為突發(fā)模式。
在ASI的編碼過程中,，只需將MPEG2的八位數(shù)據(jù)和一位TS碼率傳輸時鐘輸入到FPGA,。在本方案中,，TS格式為188個字節(jié),，因此數(shù)據(jù)有效信號DVALID一直為高,，F(xiàn)PGA忽略這個信號，只管接收TS碼流數(shù)據(jù),，而不用關(guān)心TS碼流的同步頭,。PSYNC幀同步信號則作為FIFO讀入的控制信號。FPGA將接收到的數(shù)據(jù)以TS碼率時鐘寫入FIFO,，當FIFO半滿時,，F(xiàn)PGA接收到FIFO的半滿信號，然后FIFO控制邏輯發(fā)出FIFO可讀信號,，編碼模塊以以27Mbps讀取FIFO中的數(shù)據(jù),；當計數(shù)器計數(shù)到編碼模塊讀取了一定數(shù)量（188個讀FIFO信號周期）的FIFO數(shù)據(jù)，則發(fā)送FIFO不可讀信號,，防止FIFO讀空,。
在FIFO不可讀時，向ASI碼流中填充K28.5以維持270Mbps的固定傳輸速率,。最后串行數(shù)據(jù)經(jīng)過驅(qū)動就可用同軸電纜傳送出去,。本方案中，K28.5的插入方法選擇在每個傳輸包前必須有至少兩個同步字（K28.5字符）,，這符合ASI的傳輸規(guī)定,。
3 系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法
3.1 信號輸入
在ASI的編碼過程中，只需將Mpeg2傳輸流的八位數(shù)據(jù)和一位TS碼率傳輸時鐘輸入到FPGA,。在本方案中,，TS數(shù)據(jù)通過富士通的專用ASIC芯片MB86391產(chǎn)生。由于控制MB86391產(chǎn)生的TS格式為188個字節(jié),，因此數(shù)據(jù)有效信號DVALID一直為高,，F(xiàn)PGA忽略這個信號，只管接收碼流數(shù)據(jù),，而不用關(guān)心TS碼流的同步頭,。PSYNC幀同步信號也一樣忽略，只是需要從幀同步信號拉高開始,，F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)據(jù)以TS碼率時鐘寫入FIFO,。
3.2 FIFO模塊
FPGA在搜索到188字節(jié)包長的包頭0x47后開始將數(shù)據(jù)寫入FIFO，同時監(jiān)測FIFO的半滿信號HF, 若半滿則將FIFO的讀使能信號抬高, 而此時從FIFO讀出數(shù)據(jù)給8B/10B編碼模塊完成編碼,。讀數(shù)據(jù)時,，由FPGA對FIFO的讀信號的時鐘脈沖計數(shù)，計到188個后,，將FIFO的讀使能拉低,，并判斷FIFO是否半滿。此時FPGA將不再發(fā)出讀FIFO信號, 而是在每個時鐘的上升沿插入一個K28.5同步字, 待發(fā)現(xiàn)FIFO半滿信號HF出現(xiàn)后, 再次將FIFO的讀使能抬高,，并保持188個讀FIFO信號周期,，如此反復(fù),。由于FPGA時鐘引腳接一個27MHz的外部時鐘, 而在每個時鐘的上升沿, 不是輸出正常數(shù)據(jù)就是同步字, 所以不管FIFO是否有數(shù)據(jù)提供給后端的8B/10B編碼器，F(xiàn)PGA最終都將送出固定的270Mbps的串行數(shù)據(jù),，構(gòu)成DVB－ASI的標準數(shù)據(jù)格式,。
3.3 8B/10B編碼模塊
8B/10B編碼模塊是ASI接口轉(zhuǎn)換的核心之一。DVB-ASI數(shù)據(jù)編碼層的傳輸規(guī)約包括串行編碼規(guī)則,、專用字符和差錯控制,。它采用DC平衡的8B/10B傳輸碼。這種碼把每一個8bit數(shù)據(jù)字節(jié)變換成符合直流平衡特性的10bit碼字,。這種碼通過無效傳輸碼點和“運行”的不均衡性來提供差錯校驗,。作為超出對數(shù)據(jù)字節(jié)進行編碼需要的額外碼點,規(guī)定了專用字符。
系統(tǒng)以字節(jié)同步的方式接收MPEG-2傳送包,接收的參考時鐘是采用固定的27MHz的時鐘頻率,。接著,對字節(jié)進行8B/10B編碼,對出現(xiàn)的每一個8bit字節(jié)產(chǎn)生一個10bit的字,使這些10bit字通過以固定輸出比特率270Mbps工作的并/串轉(zhuǎn)換,。
將8B/10B編碼劃分為3個模塊實現(xiàn),較好地反映了8B/10B編碼的特點,實現(xiàn)流程清楚,容易編寫代碼。具體實現(xiàn)步驟為: ① 判斷是特殊字符還是數(shù)據(jù); ② 若是特殊字符（3B4B）,根據(jù)RD極性直接取值; ③ 若是數(shù)據(jù),根據(jù)RD極性和前一個10bit模塊的編碼情況確定當前6 bit的取值; ④ 根據(jù)當前6 bit編碼值確定當前4 bit的編碼取值,。⑤ 將當前6 bit編碼和當前4bit編碼組成當前10bit編碼輸出,。
3.4 并串轉(zhuǎn)換模塊
在完成8B10B編碼以后，將信號送至并串轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流,，通過270MHz時鐘將串行信號送出,，ASI接口采用兩線差分方式進行串行數(shù)據(jù)傳輸。
4 測試結(jié)果
首先對ASI發(fā)送系統(tǒng)進行功能仿真,，仿真平臺為ModelSim6.0,，本設(shè)計中，ASI發(fā)送系統(tǒng)的輸入輸出的仿真波形如下圖所示：
圖 2 ASI發(fā)送系統(tǒng)的仿真波形
仿真結(jié)果表明,，輸入信號與編碼信號之間順序相差一個碼元周期,，輸出抖動被完全消除。
本文中的ASI接口測試由Honeywell公司的攝像頭,、自行研制的MPEG2編碼板(視頻壓縮芯片為MB86391),、MPEG2解碼器、顯示器構(gòu)成,，如圖3所示,。
圖 3 系統(tǒng)組成
ASI發(fā)送測試為：Honeywell公司的攝像頭和自行研制的MPEG2編碼板輸出符合MPEG2標準的TS流,通過標準SPI口送給本文的ASI轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的SPI輸入，而經(jīng)SPI到ASI的轉(zhuǎn)換,，通過BNC接頭的有線電纜送給解碼器的ASI口輸入,，解碼后的視頻輸出送給顯示器,連續(xù)播放數(shù)十小時，圖像清晰且顯示正常無誤,。
實驗結(jié)果證明,，采用本文方法設(shè)計的ASI發(fā)送系統(tǒng)，符合標準ASI接口規(guī)范，能有效可靠的實現(xiàn)SPI－ASI的編碼功能和高速串行數(shù)據(jù)流的發(fā)送功能,。
5 結(jié)語
本文作者創(chuàng)新點: 在分析ASI發(fā)送系統(tǒng)機理的基礎(chǔ)之上,，提出一種使用FPGA完成ASI發(fā)送系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并使用VHDL語言在Altara的FPGA上實現(xiàn)了硬件電路,，仿真結(jié)果和實際測試完全正確,。該方案層次分明,、結(jié)構(gòu)簡潔,、編碼速度快、輸出抖動小,，與現(xiàn)有的使用專用芯片CY7B923的方法相比,，具有更大的靈活性，為高速ASI數(shù)傳的應(yīng)用前端提供了條件,。