基于FPGA 的衛星便攜站的同步數字復接器的設計

在便攜式數字衛星通信系統中，為了擴大傳輸容量和提高傳輸效率，滿(mǎn)足同時(shí)傳輸幾種業(yè)務(wù)的需求，通常采用時(shí)分復用的方法，將若干個(gè)低速數字碼流按一定格式合并成一個(gè)高速數據碼流，以便在一條信道中傳輸，使各個(gè)業(yè)務(wù)信號互相不產(chǎn)生干擾，實(shí)現此功能的設備就是數字復接系統。

　　便攜式衛星通信，要求實(shí)現平臺集成度高、速度快、功耗小、體積小和成本低?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA) 在結構上由邏輯功能塊排列為陣列，并由可編程的內部連線(xiàn)連接這些功能塊，來(lái)實(shí)現一定的邏輯功能。特別適合上述要求的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與小批量生產(chǎn)。

　　FPGA 的開(kāi)發(fā)環(huán)境在電路設計階段，可實(shí)時(shí)地對設計電路進(jìn)行各種仿真分析，提高電路設計的靈活性和可靠性，特別是還可在成品上直接進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和功能擴展，靈活且可移植。后期還可以在線(xiàn)對任意一邏輯信號進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，該文利用軟件Quartus II 5. 1 和VHDL 硬件語(yǔ)言進(jìn)行設計和仿真,實(shí)現一個(gè)基于FPGA 的衛星便攜站的同步數字復接系統的設計。

　　1 設計和實(shí)現

　　同步數字復分接器完成以下業(yè)務(wù)的復分接：3 路音頻合計48 kbps 數據； 1 路64 kbps 同步數據；1 路9. 6 kbps 異步數據； 1 路128 kbps LAN 數據； 1 路517. 2 kbps 視頻數據。采用同步、固定時(shí)隙分配和按位復接方式的設計方法。

　　1.1 準同步時(shí)延

　　因為數字復接器與音頻的接口關(guān)系最為復雜,所以設計要點(diǎn)著(zhù)重放到了與音頻接口的處理。

　　1. 1. 1 音頻接口的乒乓操作

　　如圖1 所示，采用雙口RAM 完成音頻數據和復分接器的接口。音頻數據接口是一種DSP 總線(xiàn)接口，在第1 個(gè)緩沖周期，音頻數據緩存到雙口RAM的低端地址存儲區，同時(shí)數據復接單元讀取雙口RAM 的高端地址存儲區的音頻數據； 在第2 個(gè)緩沖周期，音頻數據緩存到雙口RAM 的高端地址存儲區，同時(shí)數據復接單元讀取雙口RAM 的低端地址存儲區的音頻數據。如此循環(huán)，周而復始。

圖1 乒乓操作示意圖

　　這樣經(jīng)過(guò)緩沖的數據流沒(méi)有時(shí)間停頓的送到復接器中，屬于一種流水線(xiàn)式處理，完成數據的無(wú)縫緩沖和處理，節約緩沖區的空間，達到利用低速模塊處理高速數據流的結果，實(shí)現了數據流的并串轉換。

　　如果音頻數據和復分接器的接口采用傳統的緩存方式，很容易造成復接器讀數據的時(shí)候音頻數據還沒(méi)有寫(xiě)到緩存中，很容易造成聲音的“咔咔聲”，采用音頻接口的乒乓操作避免了此問(wèn)題的產(chǎn)生。

　　1. 1. 2 提供唇音同步機制

　　在數字衛星傳輸系統中，有一個(gè)獨特的音視頻同步問(wèn)題，即通常說(shuō)的唇音同步。由于圖像壓縮編碼所需之信號處理時(shí)間一般慢于聲音壓縮編碼所需之信號處理時(shí)間，那么在收端將視頻及音頻信號解碼出來(lái)后，就會(huì )發(fā)現音頻比視頻快半拍。通常見(jiàn)到的情況是，或者口動(dòng)時(shí)聽(tīng)不到聲音，或者口不動(dòng)時(shí)卻有聲音出來(lái)，即唇音不同步，給觀(guān)眾較差的主觀(guān)感覺(jué)。為了避免出現這一問(wèn)題，分接器中提供了唇音同步單元，把音頻數據程序上進(jìn)行延時(shí)，通過(guò)調整就可保證接收端的音和視頻同步。

　　1. 1. 3 解決FPGA 電路設計中的毛刺問(wèn)題

　　在FPGA 中當多路信號同時(shí)發(fā)生跳變的瞬間,往往會(huì )出現一些不正確的尖峰信號，這些尖峰信號就是“毛刺”。組合邏輯電路中競爭冒險現象的出現也會(huì )出現“毛刺”。它的出現會(huì )影響電路工作的穩定性和可靠性，導致數字系統的誤操作和邏輯紊亂。

　　設計中利用D 觸發(fā)器對輸入信號的毛刺不敏感的特點(diǎn)，去除信號中的毛刺，但是只是對信號中發(fā)生在非時(shí)鐘跳變沿的毛刺信號去除明顯，并且有一定延時(shí)。因此設計中盡量采用同步時(shí)序電路來(lái)實(shí)現各個(gè)進(jìn)程模塊的功能，同時(shí)對輸入輸出的數據進(jìn)行高倍時(shí)鐘的采樣，達到去除電路中毛刺的目的。