基于FPGA的DVB-S調(diào)制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉慶豐 ，陳金鷹，王舟兵，李俊葶

（1. 成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.成都首創(chuàng)電子有限公司，四川 成都 610092）

1 引言

數(shù)字電視前端設(shè)備調(diào)制器是數(shù)字廣播包括不可缺少的中心端設(shè)備，它的性能、升級(jí)能力和兼容性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。目前各國(guó)的數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要有日本的ISDB標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn)、歐洲的DVB標(biāo)準(zhǔn)。目前中國(guó)在制定屬于自己的數(shù)字衛(wèi)星電視標(biāo)準(zhǔn)，已完成廣播電視衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字化改造，形成了以DVB-S技術(shù)架構(gòu)的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播網(wǎng)。各地廣電部門也廣泛采用DVB-S作為衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)作為過(guò)渡標(biāo)準(zhǔn)基本得到認(rèn)同，本文的前端調(diào)制器設(shè)計(jì)也采用此標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2 調(diào)制器總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)基于FPGA的DVB-S調(diào)制器系統(tǒng)進(jìn)行研究，將ARM與FPGA聯(lián)系起來(lái)，從而建立系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，ARM做控制器，F(xiàn)PGA做處理器，此系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)有信道編碼和基帶信號(hào)處理。前端調(diào)制器組成框圖如圖1所示。

圖1 DVB-S調(diào)制器組成框圖

本設(shè)計(jì)主要由TS傳輸流接收、信道編碼、基帶信號(hào)處理及D/A、低通濾波器、正交調(diào)制及射頻輸出電平調(diào)整電路、微控制器處理部分等組成。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)信道編碼、QPSK調(diào)制、輸出頻率和電平可調(diào)等功能[2]。

3 調(diào)制器模塊實(shí)現(xiàn)

據(jù)圖1可知，可將DVB-S調(diào)制器的工作分解為：TS傳輸流接收與同步鎖定、信道編碼、基帶信號(hào)處理及D/A、低通濾波器、正交調(diào)制及射頻輸出電平調(diào)整、微控制器處理等。下面介紹各個(gè)模塊的接口定義與實(shí)現(xiàn)。

1） TS傳輸流接收與同步鎖定[3]

DVB-S信道編碼調(diào)制器的輸入為TS流信號(hào)，TS流信號(hào)在工程上一般有兩種方式，同步并行接口SPI信號(hào)和異步串行接口ASI信號(hào)。目前市場(chǎng)采用的大都是串行的ASI信號(hào)，對(duì)于ASI信號(hào)，DVB標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)其做了規(guī)定，電平為800 mV，信號(hào)速率為270 Mbit/s，數(shù)據(jù)編碼為8 bit/10 bit編碼，空閑狀態(tài)插入K28.5的同步字符，以利于時(shí)鐘恢復(fù)。

為便于信道編碼處理，需對(duì)ASI信號(hào)處理恢復(fù)成并行的TS流信號(hào)。一般有兩種方法，一種是用專用芯片，另一種利用FPGA軟核完成。此設(shè)計(jì)采用Cypress公司的專用芯片CY7B933，其電路圖如圖2所示。

TS流同步搜索與鎖定根據(jù)TS流同步字為47 hex，在數(shù)據(jù)流中搜索同步，標(biāo)記包的起始位置和包有效標(biāo)志，并鎖定同步。該模塊的接口定義為：

2） 信道編碼調(diào)制[4]

DVB-S標(biāo)準(zhǔn)提供了一套完整的適用于衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字電視系統(tǒng)規(guī)范，用此標(biāo)準(zhǔn)完成碼流調(diào)制編碼框圖如圖3所示。

圖3 信道編碼框圖

TS流適配單元是由于輸入的TS流時(shí)鐘是可變的，因此必須進(jìn)行時(shí)鐘匹配，包括去除輸入TS流信號(hào)的空包、進(jìn)行PCR校正、自動(dòng)插入空包等過(guò)程。能量擴(kuò)散單元是為了較好地進(jìn)行時(shí)鐘同步信號(hào)的恢復(fù)。要確定傳輸?shù)腡S流中的01跳變足夠多，需要對(duì)輸入的傳輸流進(jìn)行隨機(jī)化處理，偽隨機(jī)序列生成多項(xiàng)式為

前向糾錯(cuò)（FEC）由3層組成，外層采用RS編碼，它是在188 byte的傳輸包后按一定的規(guī)律加上16個(gè)校驗(yàn)字節(jié)， 形成 RS（204，188，T=8）誤碼保護(hù)數(shù)據(jù)包。 碼生成多項(xiàng)式為

其中，b=02 hex。

有限域生成多項(xiàng)式為

中間層采用卷積交織，卷積交織把輸出數(shù)據(jù)的順序按照一定規(guī)律打亂，接收端按相反的規(guī)律恢復(fù)原來(lái)的數(shù)據(jù)順序。內(nèi)層采用卷積編碼，生成1/2碼率的卷積碼。再按不同的刪除格式按需要收縮成碼率為2/3，3/4，5/6，7/8的收縮卷積碼。前向糾錯(cuò)編碼的根本目的是提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｇ跋蚣m錯(cuò)編碼輸出一連串的窄脈沖，它占用的頻帶太寬，無(wú)法在衛(wèi)星信道中傳輸。基帶成形電路則對(duì)這種窄脈沖“加工”，使其適合在衛(wèi)星信道中傳輸。對(duì)這種加工采用快速傅里葉變換對(duì)窄脈沖進(jìn)行平方根余弦滾降濾波，滾降系數(shù)為a=0.35。

3） 基帶處理及D/A變換

信道編碼完成后，數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)IQ對(duì)排列依次輸出，即對(duì)每個(gè)節(jié)拍到來(lái)的IQ進(jìn)行符號(hào)映射。對(duì)于D/A設(shè)計(jì)接口，選擇AD公司的AD9775，其最高采樣時(shí)鐘為400 MHz。

4） 模擬基帶低通濾波器[5]

D/A輸出信號(hào)為基帶信號(hào)，由于內(nèi)插濾波器的緣故，在基帶符號(hào)率和4倍符號(hào)頻率之間的信號(hào)被濾波器抑制。根據(jù)大多數(shù)MMDS信道需要采用的符號(hào)率為30 MS/s（兆符號(hào)/秒），因此對(duì)設(shè)計(jì)的模擬低通濾波器的要求就是能取出30 MHz信號(hào)即可。使用仿真軟件RFsim計(jì)算9級(jí)48 MHz低通濾波器參數(shù)。由于AD9775輸出的IQ信號(hào)為差分信號(hào)，仿真出來(lái)的濾波器為單端的，因此需要把單端低通濾波器轉(zhuǎn)化成雙端差分低通濾波器。

5） 正交調(diào)制

正交原理如圖4所示，由PLL環(huán)路產(chǎn)生射頻調(diào)制的載波信號(hào)，I路信號(hào)乘以載波加上Q信號(hào)乘以相移π/2的載波信號(hào)，然后相加得到調(diào)制的QPSK射頻信號(hào)。選用的正交調(diào)制器為AD公司的AD8346。IQ信號(hào)由AD9775輸出，經(jīng)過(guò)低通濾波器，輸入到AD8346，本振信號(hào)由PLL+VCO電路產(chǎn)生，鎖相環(huán)器件采用ADF4113，VCO793-750。鑒相器輸出頻率為

6） 輸出電平調(diào)整和阻抗匹配

設(shè)計(jì)要求射頻輸出電平為-35～0 dBm，輸出阻抗為75 Ω，正交調(diào)制器AD8346的最大輸出電平達(dá)不到要求，而且它的輸出阻抗為50 Ω，因此要在后面做可變?cè)鲆嬲{(diào)制和阻抗匹配，原理圖如圖5所示。

可變?cè)鲆娣糯蟛捎肁DI公司的ADL5330，數(shù)字電位器采用AD5247，采用I2C控制接口。

圖4 正交調(diào)制原理圖

圖5 輸出電平調(diào)整與阻抗匹配

7） 微處理器控制接口

主要完成對(duì)調(diào)制器的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示、鎖相環(huán)控制、射頻電平控制、網(wǎng)絡(luò)控制等。

4 測(cè)試原理與結(jié)果

測(cè)試原理：DVB-S調(diào)制器輸入信號(hào)為ASI格式的MPEG-2傳輸流，該傳輸流信號(hào)可由編碼器、碼流播放器等設(shè)備產(chǎn)生，通過(guò)碼流播放器輸出ASI信號(hào)進(jìn)入DVB-S調(diào)制器，用示波器測(cè)試時(shí)域波形，用頻譜儀進(jìn)行頻譜分析。調(diào)制器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)機(jī)頂盒解調(diào)輸出音視頻信號(hào)，輸出TS流。用碼流分析儀對(duì)輸出碼流進(jìn)行分析，分析輸出碼流是否符合MPEG-2協(xié)議，對(duì)比輸入輸出碼流是否正確。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的測(cè)試，觀察DVB-S調(diào)制器前后碼流聲音與圖像的變化、碼流節(jié)目參考時(shí)鐘PCR的變化，結(jié)果表明信道編碼及調(diào)制過(guò)程無(wú)錯(cuò)誤。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，如SNR（帶外）≥48 dB，結(jié)果表明DVB-S調(diào)制器符合DVB-S調(diào)制協(xié)議設(shè)計(jì)要求。

5 小結(jié)

本文的調(diào)制器已廣泛用于數(shù)字電視衛(wèi)星業(yè)務(wù)和相關(guān)數(shù)字電視業(yè)務(wù)。調(diào)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的所有功能要求，運(yùn)行良好，現(xiàn)已推向了市場(chǎng)，樣機(jī)外觀見(jiàn)圖6。

圖6 DVB-S調(diào)制器樣機(jī)圖

：

[1]譚智斌.一種數(shù)字有線電視前端調(diào)制器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)有線電視，2008（2）：121-124.

[2]劉慶豐.基于RFID小區(qū)車庫(kù)智能化管理系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2009（7）：189-191.

[3]葛錦環(huán).基于FPGA的DVB-S QPSK調(diào)制器的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[4]葛錦環(huán).基于FPGA的DVB-S中信道編碼與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)有線電視，2006（6）：541-544.

[5]張義林.基于FPGA實(shí)現(xiàn)DVB-S信道編碼及調(diào)制[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.