基于單載波調制器中TS流傳輸的設計和實(shí)現

【摘 要】 本文介紹了數字電視地面傳輸廣播中TS流在單載波（ATSC）調制器中的傳輸，詳細說(shuō)明了ASI接口的轉化，論述了TS流速率與調制器凈數據率的速率匹配問(wèn)題，并使用CY7B933、CY7C433和FPGA實(shí)現了TS流在調制器中的正常傳輸，最終給出了硬件設計結果。

【關(guān)鍵詞】ATSC； TS； ASI； SPI； 插空包

1 概述

隨著(zhù)數字技術(shù)的不斷發(fā)展，數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制的技術(shù)，它具有傳輸容量大、工作門(mén)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、對調諧器要求低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)過(guò)大量的測試已經(jīng)成功應用于實(shí)際的數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接口傳輸到調制器,因此在設計調制器時(shí)應該首先考慮接口規范的不同和速率匹配等問(wèn)題,本文主要是基于ATSC調制器來(lái)討論TS的傳輸。

2 TS流在調制器中的傳輸

2．1 調制器結構

圖一 調制器中的TS流傳輸

在無(wú)線(xiàn)廣播數字電視傳輸系統中，統一規定以MPEG-2的傳輸流即TS流（transport stream）形式進(jìn)行傳輸，也就是說(shuō)視音頻信息經(jīng)過(guò)編碼器的處理形成TS流的標準形式，每個(gè)TS包有188個(gè)連續的字節，其中位于包頭的第一個(gè)字節固定為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據通訊接口，具有高速、可靠、準確等特性；后者屬于一種并行總線(xiàn)接口，易于進(jìn)行數據處理。但無(wú)論采用哪種接口，調制器都需要對其進(jìn)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(shí)際傳送的每個(gè)TS包的速率不固定，且TS包之間的間隔也不固定，這對于需要連續處理數據的調制器來(lái)說(shuō)是不允許的。所以設計的調制器可傳送的凈數據率必須大于編碼器的輸出速率，并在TS流中適當的插一些空包（符合MPEG-2標準），以獲得連續的碼流。

圖一表示了TS流在調制器中的傳輸過(guò)程，其中片內FIFO即用于上訴的速率匹配，接下來(lái)TS流需要經(jīng)過(guò)擾碼，外編碼和交織等模塊最后組幀輸出用于調制，中間的交織器由于使用RAM，可以間接起到由于組幀時(shí)插入同步信息的數據緩沖作用，同時(shí)組幀輸出的數據使能反饋回FIFO要新的TS流，周而復始。本文設計的這種調制器結構具有修改性強的特點(diǎn)，原因在于一旦幀場(chǎng)結構有所變化，只需要修改相應的數據使能的產(chǎn)生，而與前級處理無(wú)關(guān)，有利于TS流在調制器中的連續傳輸。

2.2 TS流傳輸中ASI口的轉化

圖二 ASI口轉化的實(shí)現框圖

ASI是一種固定波特率的異步串行接口，其突出特點(diǎn)是：速度快，固定波特率，準確。來(lái)自不同數據信源的波特率可能是不同的，通過(guò)在這些數據中間插入同步字而使用固定波特率（270M）傳輸【2】。此外，其數據還經(jīng)過(guò)8Bit到10Bit編碼，在傳輸數據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。

為了得到并行傳輸的TS流數據，需要對ASI口進(jìn)行轉化，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(gè)問(wèn)題，他們的主要引腳如下：

CKR：CY7B933的恢復時(shí)鐘，一般為27M，配合數據的輸出；

RDY：數據輸出準備，低有效，表示數據已經(jīng)被接收準備傳送，屬于正常；

SC/D：特殊字符/數據選擇，低有效，表示Q0~7為有效數據；

Q0~7：CY7B933并行數據輸出；

Read_ena：FIFO的讀使能信號，低有效；

Write_ena：FIFO的寫(xiě)使能信號，低有效；

HF：FIFO的半滿(mǎn)信號，低有效；

可將RDY信號和SC/D信號組合產(chǎn)生FIFO的寫(xiě)信號，將有效的數據寫(xiě)入FIFO，FPGA通過(guò)判斷半滿(mǎn)信號HF連續地從FIFO中讀取一個(gè)TS包長(cháng)度的數據。但只得到TS數據流是不夠的，必須加入一些指示線(xiàn)證明數據的正確性，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(gè)數據包的有效性，并配合FPGA本地的時(shí)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(guò)接口處理的TS流雖然包括sync和valid的信號，但是速率仍然和調制器的其他模塊有沖突，尤其數據流的連續性由組幀時(shí)的使能控制，所以仍然必須對TS流進(jìn)行插空包的處理，且使輸出符合幀結構特點(diǎn)，這也是本文設計調制器的關(guān)鍵。

這里又得需要一個(gè)FIFO，但由于編碼器輸出速率和調制器凈數據率往往相差不大，可以考慮使用片內FIFO，在對FIFO輸出的數據進(jìn)行判斷時(shí)，需要用到sync指示線(xiàn)，為了方便處理，將FIFO設為9位位寬（sync、data），深度設為4K。相似于上述的ASI轉化，讀FIFO時(shí)也需要判斷半滿(mǎn)信號HF，不同的是要確保寫(xiě)入FIFO的第一個(gè)數據是包頭47H，這樣可以保證以后每次讀取一個(gè)完整的TS包。當HF無(wú)效時(shí)插入空包，空包的具體格式為：

圖四 空包數據結構

但是值得注意的是由于A(yíng)TSC標準中的幀長(cháng)不一定是TS包的整數倍，也就是說(shuō)讀FIFO或插空包時(shí)可能不會(huì )是一個(gè)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計數器的值），以便使能再次有效的時(shí)候繼續處理上回的數據，具體狀態(tài)機的實(shí)現如下圖所示：

圖五 插空包的狀態(tài)機實(shí)現

3．硬件實(shí)驗結果

（見(jiàn)TIF圖像附件）圖六：ASI轉化仿真示意圖

（見(jiàn)TIF圖像附件）圖七 插空包過(guò)程的仿真示意圖

本文的硬件設計采用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(guò)仿真和硬件調試，工作正常。

圖六所示的仿真結果中采用片內FIFO模仿CY7C433，而且經(jīng)過(guò)硬件調試，ASI轉換模塊良好，搜索包頭47H迅速，達到系統的速率要求。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，其中state的數值表示如下：

0：系統復位；1：讀FIFO工作；2：插入空包；3：讀FIFO或插空包暫停。

可見(jiàn)系統起始狀態(tài)FIFO未達到半滿(mǎn)所以插入了2個(gè)空包，其后開(kāi)始讀FIFO，由于讀到一半，幀使能信號gen_ena_bit為低，進(jìn)入狀態(tài)3，待使能信號再次為高，接著(zhù)上回的位置繼續讀取FIFO，位置計數器rd_cnt開(kāi)始計數。

4．結束語(yǔ)

本文設計的調制器TS流傳輸方案，利用CYPRESS公司的CY7B933和CY7C433的配合，通過(guò)FPGA作為邏輯控制，解決了TS流傳輸中的接口不統一和速率不匹配等問(wèn)題，并通過(guò)了硬件的仿真和調試，可應用于許多現有的數字電視地面廣播傳輸系統中，如美國的ATSC標準和中國的ADTB_T，具有很強的實(shí)用性。而且就ASI轉化部分而言也可以應用于以DVB_T為代表的多載波傳輸系統，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的設計與實(shí)現. 數據采集與處理, 2001（12）：490－493.
【3】 夏宇聞. 從算法設計到硬線(xiàn)邏輯的實(shí)現. 北京：高等教育出版社，2001. 122－159.