采用FPGA提高廣播應用的集成度

引言

在廣播和傳輸系統中，采用一種或者兩種串行接口來(lái)傳輸數字視頻：沒(méi)有壓縮的數據使用視頻串行數字接口（sdi）。壓縮數據使用異步串行接口（asi），在視頻設備中，主要采用移動(dòng)圖像和電視工程師聯(lián)盟（smpte）定義的sdi來(lái)傳送視頻和音頻數據。

視頻設備能夠支持標準清晰度（sd）、高清晰度（hd）數字視頻格式，或者同時(shí)支持。sd視頻傳輸的sdi速率為270mbps、360mbps或者540mbps，而hd視頻傳輸的sdi速率為1.485 gbps或者1.485/1.001 gbps。hd提供高質(zhì)量的視頻，代表了今后數字視頻廣播的發(fā)展方向。隨著(zhù)hd視頻需求的增長(cháng)，要求硬件能夠處理hd技術(shù)所需的大數據吞吐量。

在數字視頻傳送系統中，數據傳送的主要方式是asi的270mbps單節目傳送流（spts）或者多節目傳送流（mpts），這些方式由數字視頻廣播（dvb）協(xié)會(huì )定義。

廣播設備開(kāi)發(fā)人員通常使用assp來(lái)實(shí)現sdi和dvb－asi功能，也可以利用可編程邏輯器件（pld），使用pld中的邏輯和其他嵌入式資源構建所需的各種數字功能，以實(shí)現這些接口。通過(guò)使用pld?？梢燥@著(zhù)降低總成本。某些情況下，在每asi通道或者每sdi端口的基礎上，pld不到assp成本的1/10。

sdi的可編程邏輯解決方案

要達到sdi和dvb－asi需要的270mbps數據速率，可編程解決方案需要提供以下功能：

對于hd－sdi數據速率，需要采用支持嵌入式serdes技術(shù)、時(shí)鐘數據恢復，并集成了高速收發(fā)器通道的pld，例如altera的stratix gx系列fpga。

圖1所示為altera可編程邏輯中實(shí)現sd－sdi和hd－sdi功能所需的構成單元。sd－sdi解決方案在邏輯單元（le）中利用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)恢復數據。fpga中的基本構建模塊le在serdes模塊中表示為“軟邏輯”。在hd－sdi解決方案中，嵌入式serdes和cdr電路完成時(shí)鐘和數據恢復功能。

hd－sdi方案中的其他功能包括發(fā)射機側的線(xiàn)編號插入和循環(huán)冗余校驗（crc）計算，以及接收機側的線(xiàn)編號提取和循環(huán)冗余校驗。

基于可編程邏輯的dvb－asi解決方案

可以采用fpga來(lái)實(shí)現dvb－asi所需的數據速率，fpga為asi接收機和發(fā)射機輸入基準時(shí)鐘提供pll。altera的cyclone、stratix和stratix gx系列fpga具備這些功能。圖2所示為在fpga中實(shí)現dvb－asi所需的構成單元，包括發(fā)射機和接收機耦合的回環(huán)通道，以及用于內置測試操作的偽隨機二進(jìn)制序列（prbs）校驗器和prbs產(chǎn)生器。

asi接收機組成為：

圖3所示為asi接收機的構成單元，asi發(fā)射機含有一個(gè)8位/10位編碼器和一個(gè)串化器，編碼器將8位寬的字轉換為10位，串化器將10位并行字轉換為串行數據，采用一個(gè)10位移位寄存器實(shí)現該功能，以字速率從編碼器輸入，以lvds輸出緩沖比特率輸出。27m赫茲基準時(shí)鐘乘以10的pll提供比特率時(shí)鐘，支持抖動(dòng)受控asi傳輸串化。asi發(fā)射機構成單元如圖4所示。

在可編程邏輯中實(shí)現sdi和dvb－asi

一般情況下，采用fpga實(shí)現一個(gè)asi通道需要的le數量小于1000，cyclone ⅱ fpga每通道成本低于1美元，比現有assp方案低得多。

一個(gè)10位sd－sdi全雙工端口在altera fpga中只需要400個(gè)le。對于cyclone ⅱ fpga中的10位sd－sdi數據，其每端口成本也遠遠低于現有的assp方案。對于20位hd－sdi數據，收發(fā)器通道邏輯大約需要1000個(gè)le，在stratix gx器件中實(shí)現這些邏輯時(shí)，每端口成本等于甚至低于assp的每端口成本。當考慮到可編程邏輯的其他集成性能時(shí)，stratix gx方案的優(yōu)勢更加突出。

可編程邏輯集成功能還具有其他優(yōu)勢

在典型應用中，dvb－asi和sdi只是廣播設備全部功能的一部分，例如，dvb－asi通常用于廣播數據轉發(fā)系統，需要進(jìn)行視頻復用、壓縮、調制和解調、時(shí)隙復用、編解碼等信號處理，這些操作需要前向糾錯（fec）、濾波、間插、正交振幅調制（qam）映射、viterbi和reed－solomon解碼等數字信號處理功能。這些功能可以利用fpga中的資源來(lái)實(shí)現，包括le、cyclone ⅱ器件中的乘法器，以及stratix器件中的dsp模塊。

通過(guò)將這些功能集成到幾個(gè)器件中，基于fpga的解決方案進(jìn)一步降低了開(kāi)發(fā)成本，節省了電路板空間，降低了系統復雜性，fpga所具有的靈活性使開(kāi)發(fā)人員能夠定制實(shí)現設計中每一單元之間的接口，在最短的時(shí)間內加入各種功能，突出設計質(zhì)量，設計人員還可以得到與單個(gè)可編程器件相同的asi通道或者sdi端口數，而采用assp就必須使用多個(gè)分立器件。

參考設計加速產(chǎn)品上市

在sdi參考設計中，對三個(gè)smpte建議抖動(dòng)參數進(jìn)行了評估：

dvb－asi標準并沒(méi)有針對抖動(dòng)容限提供任何規范，但可以采用下面的抖動(dòng)參數評估altera的dvb－asi參考設計：

cyclone視頻演示板和stratix gx串行視頻演示說(shuō)明板可以演示這些參考設計。

結語(yǔ)

與assp相比，altera的dvb－asi和sdi可編程邏輯解決方案能夠顯著(zhù)降低廣播設備的開(kāi)發(fā)成本，將dvb－asi和sdi功能集成到少量器件中，進(jìn)一步降低了成本、節省了電路板空間、降低了復雜性。