基于VHDL語言用FPGA制作SPI-ASI接口轉換器

本文在分析ASI發送系統機理的基礎之上，提出一種使用FPGA完成ASI發送系統的實現方案，并使用VHDL語言在Altara的FPGA上實現了硬件電路。

1 引言

在目前的廣播電視系統中ASI接口是使用非常廣泛的一種接口形式，該接口隨同SPI一起被歐洲電信標準化協會（ETSI）制訂，以使不同廠家生產的MPEG2單元可以方便地進行互聯。本設計方案以FPGA為核心器件，制作出了SPI-ASI接口轉換器。這套方案成本較低，利用FPGA的可編程性，硬件的升級較容易。

2 系統結構和功能分析

2.1 DVB－ASI介紹

一般的Mpeg2編碼器的輸出和解碼器的輸入都是標準的并行11位信號，處理簡單而且擴展性強，符合SPI（Synchronous Parallel Interface）信號接口。傳輸SPI信號，在傳輸鏈路上是LVDS技術和25根管腳連接的，因此具有連線多、復雜，傳輸距離短，容易出現錯誤等缺點，而且，SPI的熱插拔性能也較差。

ASI是個串行傳輸協議，TS流以串行的方式傳輸，為了保證接收端能正確恢復出TS流DATA數據，發送端需要插入同步字K28.5。ASI協議中沒有PSYNC、DVALID和CLOCK信息，因此，在接收端需要根據TS流的同步字節0x47，由外部邏輯合成這3個信號。

ASI傳輸流可以發送不同數據速率的Mpeg2數據，但傳輸速率恒定，為270Mbps。因此ASI可以發送和接收不同速率的Mpeg2數據。ASI傳輸系統使用分層結構描述，最高層、第2層使用MPEG-2標準ISO/IEC 13818-1，第0層和第1層是基于ISO/IEO CD 14165-1的FC纖維信道。FC支持多種物理傳輸媒介，本方案選用同軸電纜傳輸。

2.2 DVB－ASI信號發送系統結構

為了在編、解碼器和傳輸設備之間能正確傳遞數據，本方案以FPGA（Altera公司的EP1C6T144C8）為核心器件，在SPI和ASI信號之間進行轉換。原理如圖1所示。其中，27MHz時鐘作為系統時鐘，為FIFO、8B10B編碼和并串轉換提供時鐘源信號。由于SPI接口采用LVDS電平傳輸數據，從DB25-F頭輸入的并行信號，首先需要進行LVDS-》TTL電平轉換，得到SPI接口定義的DATA、PSYNC、DVALID和CLOCK并行信號。丟棄PSYNC和DVALID信號，將DATA和CLOCK信號直接連接到FIFO的輸入端。外部邏輯控制著FIFO的讀，從FIFO讀出的數據送給8B10B編碼模塊進行編碼轉換，并以270Mbps的速率輸出串行數據。其中，270MHz時鐘由27MHz系統時鐘通過鎖相環產生。串行信號電氣特性為差分的PECL電平，經過1:1的變壓器隔離后，由BNC頭輸出。

FIFO的寫入時鐘即為TS流的字節時鐘CLOCK，而讀出時鐘為固定值27MHz。采用不同的FIFO讀邏輯，可以產生突發或連續兩種ASI輸出模式。本方案中，FIFO、FIFO的讀寫控制邏輯、8B10B編碼以及并串轉換均由FPGA 實現，ASI輸出為突發模式。

圖 1 SPI轉ASI模塊原理圖

在ASI的編碼過程中，只需將MPEG2的八位數據和一位TS碼率傳輸時鐘輸入到FPGA。在本方案中，TS格式為188個字節，因此數據有效信號DVALID一直為高，FPGA忽略這個信號，只管接收TS碼流數據，而不用關心TS碼流的同步頭。PSYNC幀同步信號則作為FIFO讀入的控制信號。FPGA將接收到的數據以TS碼率時鐘寫入FIFO，當FIFO半滿時，FPGA接收到FIFO的半滿信號，然后FIFO控制邏輯發出FIFO可讀信號，編碼模塊以以27Mbps讀取FIFO中的數據；當計數器計數到編碼模塊讀取了一定數量（188個讀FIFO信號周期）的FIFO數據，則發送FIFO不可讀信號，防止FIFO讀空。

在FIFO不可讀時，向ASI碼流中填充K28.5以維持270Mbps的固定傳輸速率。最后串行數據經過驅動就可用同軸電纜傳送出去。本方案中，K28.5的插入方法選擇在每個傳輸包前必須有至少兩個同步字（K28.5字符），這符合ASI的傳輸規定。

3 系統各結構的實現方法

3.1 信號輸入

在ASI的編碼過程中，只需將Mpeg2傳輸流的八位數據和一位TS碼率傳輸時鐘輸入到FPGA。在本方案中，TS數據通過富士通的專用ASIC芯片MB86391產生。由于控制MB86391產生的TS格式為188個字節，因此數據有效信號DVALID一直為高，FPGA忽略這個信號，只管接收碼流數據，而不用關心TS碼流的同步頭。PSYNC幀同步信號也一樣忽略，只是需要從幀同步信號拉高開始，FPGA將接收到的數據以TS碼率時鐘寫入FIFO。

3.2 FIFO模塊

FPGA在搜索到188字節包長的包頭0x47后開始將數據寫入FIFO，同時監測FIFO的半滿信號HF， 若半滿則將FIFO的讀使能信號抬高， 而此時從FIFO讀出數據給8B/10B編碼模塊完成編碼。讀數據時，由FPGA對FIFO的讀信號的時鐘脈沖計數，計到188個后，將FIFO的讀使能拉低，并判斷FIFO是否半滿。此時FPGA將不再發出讀FIFO信號， 而是在每個時鐘的上升沿插入一個K28.5同步字， 待發現FIFO半滿信號HF出現后， 再次將FIFO的讀使能抬高，并保持188個讀FIFO信號周期，如此反復。由于FPGA時鐘引腳接一個27MHz的外部時鐘， 而在每個時鐘的上升沿， 不是輸出正常數據就是同步字， 所以不管FIFO是否有數據提供給后端的8B/10B編碼器，FPGA最終都將送出固定的270Mbps的串行數據，構成DVB－ASI的標準數據格式。

3.3 8B/10B編碼模塊

8B/10B編碼模塊是ASI接口轉換的核心之一。DVB-ASI數據編碼層的傳輸規約包括串行編碼規則、專用字符和差錯控制。它采用DC平衡的8B/10B傳輸碼。這種碼把每一個8bit數據字節變換成符合直流平衡特性的10bit碼字。這種碼通過無效傳輸碼點和“運行”的不均衡性來提供差錯校驗。作為超出對數據字節進行編碼需要的額外碼點，規定了專用字符。

系統以字節同步的方式接收MPEG-2傳送包，接收的參考時鐘是采用固定的27MHz的時鐘頻率。接著，對字節進行8B/10B編碼，對出現的每一個8bit字節產生一個10bit的字，使這些10bit字通過以固定輸出比特率270Mbps工作的并/串轉換。

將8B/10B編碼劃分為3個模塊實現，較好地反映了8B/10B編碼的特點，實現流程清楚，容易編寫代碼。具體實現步驟為：① 判斷是特殊字符還是數據; ② 若是特殊字符（3B4B），根據RD極性直接取值; ③ 若是數據，根據RD極性和前一個10bit模塊的編碼情況確定當前6 bit的取值; ④ 根據當前6 bit編碼值確定當前4 bit的編碼取值。⑤ 將當前6 bit編碼和當前4bit編碼組成當前10bit編碼輸出。

3.4 并串轉換模塊

在完成8B10B編碼以后，將信號送至并串轉換模塊轉換為串行數據流，通過270MHz時鐘將串行信號送出，ASI接口采用兩線差分方式進行串行數據傳輸。

4 測試結果

首先對ASI發送系統進行功能仿真，仿真平臺為ModelSim6.0，本設計中，ASI發送系統的輸入輸出的仿真波形如下圖所示：

圖 2 ASI發送系統的仿真波形

仿真結果表明，輸入信號與編碼信號之間順序相差一個碼元周期，輸出抖動被完全消除。

本文中的ASI接口測試由Honeywell公司的攝像頭、自行研制的MPEG2編碼板（視頻壓縮芯片為MB86391）、MPEG2解碼器、顯示器構成，如圖3所示。

圖 3 系統組成

ASI發送測試為：Honeywell公司的攝像頭和自行研制的MPEG2編碼板輸出符合MPEG2標準的TS流，通過標準SPI口送給本文的ASI轉換系統的SPI輸入，而經SPI到ASI的轉換，通過BNC接頭的有線電纜送給解碼器的ASI口輸入，解碼后的視頻輸出送給顯示器，連續播放數十小時，圖像清晰且顯示正常無誤。

實驗結果證明，采用本文方法設計的ASI發送系統，符合標準ASI接口規范，能有效可靠的實現SPI－ASI的編碼功能和高速串行數據流的發送功能。

5 結語

本文作者創新點：在分析ASI發送系統機理的基礎之上，提出一種使用FPGA完成ASI發送系統的實現方案，并使用VHDL語言在Altara的FPGA上實現了硬件電路，仿真結果和實際測試完全正確。該方案層次分明、結構簡潔、編碼速度快、輸出抖動小，與現有的使用專用芯片CY7B923的方法相比，具有更大的靈活性，為高速ASI數傳的應用前端提供了條件。