基于FPGA器件实现复用器输入部分的设计方案

jupitars

[paragraph]近几年基于MPEC-2的DVB普通数字电视在美国、南美、亚洲、大洋洲和非洲通过卫星进行广播。基于MPEG-2／DVB的多路节目复用器是数字电视传输系统的关键设备之一，因此，它的研发显得尤为重要。目前，复用器的设计方案主要基于DSP（数字信号处理器）的实现技术，这种设计方法在理论上也能实现对传送流的复用，考虑到实现复用器诸多高速、复杂的逻辑功能，同时，FPGA（现场可编程门阵列）理论上可以无限次地重新配置，这样在一定程度上为系统的升级或局部功能的改进留下了余地。所以，从今后专用芯片的设计和开发的角度来讲，基于FPGA的设计无疑是最佳的选择。本文提出了一套基于FPGA的复用器输入部分的设计方案。
1 复用器组成

整个传送流的复用器分为复用预处理、输入和复用3部分。预处理部分是对多路传送流的PSI（节目特殊信息）提取并修改，重新生成新的PSI表的过程；输入部分是给各路经预处理的不同速率的传送流提供缓存，并将半满信号发送给后续的复用模块；复用部分是将n路传送流复合成一路传送流的过程，控制对各路传送流进行选择性发送，适时插入空包和其他业务信息。复用器的数据缓存包括输入FIFO和输出FIFO，它为n路传送流提供缓存，便于复用器随时提取某一路传送包进行处理。因此，复用器FIFO是否具有高速性和可靠性将直接影响复用器的性能。
2 FIFO设计方案
2.1 异步FIFO结构
首先，由于输入通道和输出通道的时钟频率不同，所以用来实现输入接口的FIFO必须支持异步读写功能，其结构如图1所示。

                               
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其次，考虑到输入通道和输出通道的时钟频率相差很大，为了避免数据溢出，FIFO的大小设计也需要考虑。FIFO的大小一方面与输入传送流的码率和路数有关；另一方面，FPGA的处理能力也是影响缓冲器的一个因素。本设计中充分考虑了满足产生半满信号和节省系统资源的要求，FIFO的参考长度设计为一帧传送流长度的2倍，即为376 B。n路传送流以不相关的码流速度写入FIFO中，由于时钟之间周期和相位完全独立，因而数据的丢失概率不为O，如何设计一个高可靠性、高速的异步FIFO电路便成为一个难点。
由图1可以看出，FIFO的存储介质为一块双端口RAM，可以同时进行读写操作。在写时钟域部分，由写地址产生逻辑产生写控制信号和写地址；读时钟部分由读地址产生逻辑产生读控制信号和读地址。在空／满／半满标志产生部分，当FIFO里的数据超过188个字节时，产生一个半满信号，并将该信号送给复用控制模块，由复用控制模块产生一个读使能，控制FIFO读出数据。也就是说写过程是连续的，而对于一个FIFO来说读过程是间断的。
2.2 异步时钟同步电路
设计的过程中，首先要同步异步信号，使触发器不产生亚稳态。采取的方法是以读时钟为基准时钟控制读写数据，由读时钟触发，将写时钟变为写使能来控制FIFO写入数据。如图2所示的触发器电路可以同步异步时钟。

                               
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由图2可以看出clk-r和clk-w分别是读时钟和写时钟，两者异步且频率相差很大。通过两级D触发器对这两个时钟进行同步，把写时钟clk-w转变为一个由读时钟clk-r上升沿触发的写使能w-en，由w-en控制写入数据。
2.3 信号控制电路
同步了读、写时钟后，下一个问题就是如何正确设计空／满／半满信号的控制电路。这些标志的产生是FIFO的核心部分，如何正确设计此部分的逻辑，直接影响到FIFO的性能。MPEG-2／DVB的传送流复用的特殊性，决定着空／满／半满标志产生的原则。FIFO的标志产生逻辑如图3所示。

                               
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系统定义了写指针wp和读指针rp，在FIFO写入或者读出数据时开始记数。通过比较wp与rp来产生标志信号。具体实现方法是：定义一个计数器（count）对存人FIFO的数据字节数计数，产生半满信号hf-flag，当FIFO写入一个数据时，计数器加“1”，当从FIFO中读取一个数据时，计数器减“1”，当计数器值大于187时，该FIFO输出一个半满信号。另外，附加了一个并行的区间判断逻辑来控制同步字节的写入。当同步字节syn到来时，写指针wp开始计数，FIFO开始写入数据，这时需要同步判断计数器的值，而这个值应为0或187，从而给wp赋初值，这保证了FTFO中写入的前4个字节即为传送包的包头。与此同时，半满计数器也在计数，当其值大于187时，半满信号HF跳变为1，表明FIFO接收到读使能r-en时，读指针rp开始计数，系统开始从FIFO中依次读取数据，读取完1帧（188 B）数据后，读使能关闭，系统不再读取数据，此时hf-flag也变为0，FIFO的状态又回到了初始状态。
2.4 缓存功能模块
图4给出了FIFO的引脚定义：syn为传送流同步字节；rst为复位信号；clk-r为读时钟；r-en为读使能信号，当系统执行读操作时，该信号为“1”，clk-w为写时钟；datain为并行8位数据输人；hf-flag为半满信号，当FIFO中数据个数大于187时，该引脚输出一个高电平；emp-flag为空标志；full-flag为满标志；dataout为并行8位数据输出。

                               
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3 结束语
本文基于FPGA的复用器输入部分设计方案，程序调试简单，通过实践验证，运行效果良好，达到了设计的要求，具有较高的实用价值。

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