以FPGA為基礎的ASI／SDI碼流播放器設計介紹

在各種測試工作中，碼流的傳輸是必不可少的，常用的接口有：異步串行接口（ASI）、串行數(shù)字接口（SDI）、同步并行接口（SPI）、同步串行接口（SSI）。其中，ASI與SDI接口因為連線簡單（只需一根同軸電纜線傳輸），傳輸距離長，抗干擾能力強，輸入反射損耗較小等原因被廣泛應用為碼流的傳輸接口。

PC機是各種測試過程中最常用的測試工具，作為PC機最常用的接口的通用串行總線USB，因為標準統(tǒng)一，支持熱插拔，可連接多個設備等優(yōu)點，逐漸成為測試工具的常用接口，若能實現(xiàn)USB接口與傳輸碼流的ASI／SDI接口的連接，將給數(shù)字電視測試工作帶來極大便利。

設計ASI／SDI碼流播放器的目的是設計出手機大小的電路板，一端是USB接口，另一端是則ASI／SDI接口，通過FPGA、UB2．0等芯片實現(xiàn)ASI／SDI接口與USB接口之間的轉換，以達到TS流的錄制與播放和對碼流進行分析的目的。

1 碼流播放器的整體結構設計

目前，DVB-ASI接口的實現(xiàn)大多采用Cypress公司的CY78933和CY78923芯片與CPLD或FPGA相結合的方案，這種方法固然可以實現(xiàn)ASI信號的收發(fā)，但芯片費用和PCB面積的占用卻是數(shù)字電視前端設備追求低成本和微型化的障礙，針對這種情況，文中設計的ASI信號接收與發(fā)送系統(tǒng)采用同軸電纜作為其底層物理信道，用FPGA芯片完成了CY7B933和CY78923芯片的ASI信號的接收與發(fā)送功能，可有效節(jié)約成本，降低PCB的設計難度，并可用FPGA芯片完成其他功能。

國內(nèi)外絕大多數(shù)是使用PCI或PCI-E接口，只能在臺式機或服務器上使用，隨著PC機的微型化，筆記本電腦的普及，PCI或PCI-E接口已經(jīng)無法完全滿足數(shù)字電視測試工作的需求，所以本設計使用的是最通用的USB接口，大大降低數(shù)字電視測試工作的難度。

如圖1所示，ASI／SDI碼流播放器的設計是基于FPGA和USB2．0芯片來實現(xiàn)的，集成度高，方便輕巧，能在PC機上輕松實現(xiàn)碼流捕捉，分析，監(jiān)控和播放ASI／SDI數(shù)字流，現(xiàn)場錄制和分析MPEG-2碼流，還可以作為便攜式的演示設備。

2 碼流播放器的硬件模塊設計

使用FPGA實現(xiàn)了CY7B933和CY7B923芯片的功能，節(jié)約了大量成本；同時，用Cypress公司的USB2．0芯片CY7C68013A替代PCI或PCI-E接口，因為傳輸?shù)拇a率較大，理論最大值為216 Mb，F(xiàn)PGA內(nèi)部資源RAM資源無法滿足要求，添加一個SDRAM作為緩存，緩沖數(shù)據(jù)，以免丟數(shù)。

另外，由于選擇了低端的FPGA芯片，在編寫版本FPGA程序時發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部邏輯資源較少，無法裝下實現(xiàn)ASI和SDI的全部功能程序，而且實際工程應用中并不需要同時實現(xiàn)ASI和SDI的功能，故添加了一個的CPLD，實現(xiàn)FPGA的PS模式的動態(tài)加載功能。

2．1 均衡器／驅動器

輸入前端均衡器（Equaliser）選用的GS9064是第二代的雙向性高速集成電路，均衡和恢復收到的信號（75Ω同軸電纜，速率從143 Mb／s到540 Mb／s），支持SMPTE 344 M和SMPTE 259 M標準，且270 Mb／s時性能最佳。具有自動檢測線長并根據(jù)信號強弱自動匹配均衡的功能，也可根據(jù)特定需要設置均衡參數(shù)。

Driver選擇CLC001驅動器，CLC001是集成高速電纜驅動器，可用來傳輸SMPTE 259M標準的串行數(shù)字視頻和ITU-TG．703標準的串行數(shù)字數(shù)據(jù)（75Ω傳輸線，速率高達622Mb／s）。CLC001輸出功耗小，十分適合長距離高速傳輸。

2．2 數(shù)據(jù)處理

輸入輸出信號都經(jīng)由差分線進入FPGA，出于成本的考慮，選擇性價比較高的Altera公司生產(chǎn)的低端Cyclone I系列EP1C6F256C6。在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)ASI／SDI輸入輸出的控制，信號的串／并轉換，碼流分析，數(shù)據(jù)緩存（讀寫SDRAM），碼流傳輸?shù)裙δ堋?/p>

因為TS流數(shù)據(jù)量較大，同樣出于成本的考慮，選擇在FPGA上外掛一個SDRAM，作為緩存（如果使用高性能FPGA，就可以使用FPGA內(nèi)部RAM資源，但是成本較高）。FPGA程序的編寫，尤其是控制SDRAM讀寫作為緩存的部分，是本設計的難點之一。

2．3 USB微控制器

FPGA控制的輸入輸出碼流都經(jīng)由USB2．0芯片傳送至PC機。賽普拉斯半導體公司的EZ-USB FX2LP（CY7C68013A）是高集成、低功耗USB 2．0微控制器，將USB 2．0收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、增強型8051微控制器，以及可編程外設接口集成到一個芯片中，而且賽普拉斯研發(fā)出一個極具成本優(yōu)勢的解決方案，不僅能在極短時間內(nèi)完成從立項到投放市場的過程，而且其低功耗特點使得總線供電應用成為可能。

3 碼流播放器的軟件設計

碼流播放器軟件系統(tǒng)主要包括以下4個部分。

3．1 FPGA程序功能模塊

如圖2所示，系統(tǒng)輸入時鐘為27 MHz，由兩個PLL鎖相環(huán)倍頻得到270 MHz，135 MHz和兩個相位差90度的337．5 MHz時鐘。其中270 MHz是為ASI Transmitter提供，其余3個均為ASI Receiver所需。

ASI Transmitter模塊的作用是，先進行8B10B編碼，再把并行的27 MHz數(shù)據(jù)按照標準協(xié)議轉成270 MHz的串行數(shù)據(jù)。

ASI Receiver模塊則是ASI Transmitter的逆過程，先進行串并轉換，用5倍時鐘采樣對數(shù)據(jù)進行校準，然后分析同步包頭等信息，再進行8B10B解碼，得到8位并行數(shù)據(jù)。

SDI部分與ASI十分相似，不重復介紹。

碼流播放器是全雙工設計，但是，因為FPGA與USB芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸管腳是復用的，不能同時雙向傳輸。所以，在FPGA與USB芯片之間需要不停的快速切換讀和寫（1μs切換一次），即可實現(xiàn)“同時”發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，受切換的影響，速率減半，且USB接口時鐘最大支持僅為48 MHz，所以當收發(fā)同時進行的時候，傳輸速度無法達到理論最大的216 Mbps。如果只是單向發(fā)送或者接受數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動切換成接收或者發(fā)送模式，基本可以達到數(shù)據(jù)傳輸理論最大值的216 Mbps。

發(fā)送碼流時，可以在上位機軟件的操作界面上輸入發(fā)送速率（從0到216，000，000 bps），上位機通過USB芯片，把發(fā)送速率傳到FPGA，F(xiàn)PGA就可以按照所得速率，精確控制發(fā)送碼流的速度。

為了達到碼流收發(fā)的理論最大值，在FPGA上外掛一個RAM，通過對RAM的讀寫的控制，實現(xiàn)先入先出（FIFO）的緩存功能。FPGA對RAM的讀寫控制是編寫Verilog HDL的難點之一，為了節(jié)約成本，碼流播放器選擇價格低、體積小、速度快、容量大的SDRAM，給Verilog程序編寫增加了不少難度。相比控制簡單的SRAM，DRAM每隔一段時間必須自刷新和預充，且數(shù)據(jù)線與行列地址都是復用的，切換讀寫時極容易出現(xiàn)時序上的偏差，出現(xiàn)寫錯，讀錯，重復讀，丟數(shù)等等問題。

SDRAM上電復位后，計數(shù)器控制在200μs后，進行SDRAM初始化配置，對所有BANK進行預充，接著是多個Reflash，然后進入SDRAM工作模式設置。之后進入空閑狀態(tài)，執(zhí)行讀寫數(shù)據(jù)和自刷新等任務。

由于USB程序設置為Slave-FIFO模式，將FIFO的空滿狀態(tài)發(fā)送到FPGA，而FPGA作為Master，需要根據(jù)USB內(nèi)FIFO的空滿信號，綜合SDRAM的空滿狀態(tài)，對讀寫狀態(tài)進行判斷，并給出讀寫使能。

3．2 USB收發(fā)器及控制器固件程序

賽普拉斯公司提供了非常好的程序框架，免去了用戶自己編寫一些通用性比較強、模式化的程序。在框架的基礎上，用戶只需在相應的地方寫相應的代碼即可完成USB工作。

碼流傳輸因為數(shù)據(jù)量大，而且傳輸和接受數(shù)據(jù)上又沒有帶寬和間隔時間要求所以采用的是Bulk傳輸方式。

計算機和USB外設端點0（EP0）之間的傳輸是典型的控制傳輸，主要進行查詢配置和給USB設備發(fā)送通用的命令；控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較小，而且數(shù)據(jù)傳送是無損性的。

3．3 CPLD動態(tài)加載配置程序

CPLD通過USB芯片，接收上位機傳輸過來的FPGA配置文件（．rbf格式），然后按照固定的時序對FPGA進行配置。需要注意的是，在動態(tài)加載過程中，F(xiàn)PGA的模式選擇需配置為PS模式，不同的FPGA芯片之間配置模式略有不同，電位要求也不盡相同。

配置過程為：CPLD將nCONFIG置低再拉高來初始化配置；等待FPGA返回應答信號nSTATUS，檢測到nSTATUS變高后，將配置數(shù)據(jù)和移位時鐘分別送到DATA0和DCLK管腳；送完配置數(shù)據(jù)后，檢測CONF_DONE是否變高，若未變高，說明配置失敗，應該重新啟動配置過程。在檢測CONF_D ONE變高后，根據(jù)器件的定時參數(shù)再送一定數(shù)量（40個）的時鐘到DCLK管腳；待FPGA初始化完畢后進入用戶模式。

3．4 PC界面控制程序

由C#編寫的控制界面，主要實現(xiàn)與USB芯片間的碼流傳輸，發(fā)送控制命令，接收碼流分析結果等信息，如圖3所示。

4 結論

碼流播放器是USB供電，無需額外電源，輕巧方便攜帶；能輕松捕捉，播放，錄制和分析碼流；精確控制碼流發(fā)送速度；全雙工，同時進行碼流的發(fā)送和接收。

用戶界面簡單明了。發(fā)送時選擇發(fā)送文件，再輸入發(fā)送速度，點擊開始即可；接收時選擇存儲路徑和錄制內(nèi)容，再選擇錄制方式，點擊開始。同時，用戶界面還能實時接收到FPGA分析得到的各種碼流參數(shù)信息。目前，本文所介紹的碼流播放器已進入穩(wěn)定性測試階段，各項功能也在不斷完善和優(yōu)化中。

碼流播放器的電路板僅為6 mm*9 mm，小巧輕便，方便攜帶；操作簡單，界面友好；因為設計時嚴格控制成本，價格低廉，性價比高，是數(shù)字電視專業(yè)人員理想的測試工具。