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一种基于FPGA的数字电视调制器硬件电路设计

作者：裴力，陈伟，朱维乐来源：电子设计应用点击数：132 更新时间：2008-6-13

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摘　要：介绍一种基于FPGA的数字电视调制系统的硬件结构，该结构具有简单、灵活、易升级、安全性好等特点，非常适合于数字电视传输方案。

关键词： FPGA；低压差分信号；同步并行接口

引言

FPGA具有集成度高、使用方便等优点，在电子设计行业深受欢迎，市场占有率不断攀升。本文便是采用ALTERA公司的FPGA芯片STRATIX II EP2S30设计的数字电视调制系统，该系统以欧洲的DVB-T为标准，由于使用了FPGA，标准中的编码交织、映射、信号帧处理、FFT变换等数字处理均集成在EP2S30中，使调制器系统集成度提高，硬件结构大大简化，并且可以在硬件结构不变的情况下对系统升级换代。

系统介绍

本系统主要由FPGA芯片STRATIX II EP2S30F484C5另加配置芯片EPCS16和AD公司的AD9857组成，如图1所示。

图1　基于FPGA的数字电视发射机系统框图

图中输入为标准的规范信号流SPI，电源模块输出5V、3.3 V、2.5 V和1.2 V，其中考虑到FPGA消耗功率，3.3 V和1.2 V采用INTERSIL公司的DC-DC芯片EL7566，2.5V采用TI公司的TPS79625，以保证电源稳定。时钟依据DVB-T的标准，选用36.5714MHz的晶体振荡器。电路中还提供两种下载方式的端口，一种可以直接下载到FPGA中，掉电后FPGA中的数据消失，下次使用需重新下载，显然有了这种端口，对调试工作比较方便；另一种是下载到配置芯片中，掉电后保存在配置芯片中的数据不会消失，上电后由其对FPGA初始化。

表1　STRATIX Ⅱ系列芯片内部模块的数据

FPGA及其配置芯片
ALTERA的STRATIX II是STRATIX的新一代产品，采用90μm工艺，1.2V内核供电。STRATIX II系列采用创新的逻辑结构自适应逻辑模块(ALM)将更多的逻辑封装进更小的区域中，实现更高的性能，并且STRATIX II具有配置比特流加密技术，保证了设计的安全性，STRATIX II系列芯片内部模块的数据如表1所示。

为了完成本设计的数据处理要求，由表中数据，我们选用EP2S30作为首选芯片，它有13552个ALM，完全满足本次设计的数据处理任务，输入信号可以是ASI或SPI接口的TS流数据，FPGA则根据不同传输标准对数据流作相应的处理，表现了FPGA的通用性和灵活性。本设计是以DVB-T为传输标准，对输入SPI接口的数据流作编码交织、OFDM变换等基带处理，处理后的基带信号送入AD9857。

FPGA是易失性器件，掉电后FPGA中的数据即丢失，因而FPGA芯片都需要一个配置芯片来帮助FPGA掉电后保存数据。根据ALTERA公司的配置手册，采用AS模式配置FPGA使用的配置芯片价格低廉、使用方便，我们便选择EPCS系列配置FPGA，这是ALTERA公司专门为低成本设计推出的一款配置芯片，该芯片成本低，而且提供系统编程( ISP)和多次编程能力，EPCS系列配置芯片和EP2S系列FPGA的空间大小如表2所示。

表2　EPCS系列配置芯片和EP2S系列FPGA的空间大小

　　上表EPCS4以下的配置芯片空间太小，不适合配置本次设计的FPGA，因此我们选择EPCS16作为EP2S30的配置芯片是比较合适的，并且EPCS16与EPCS64除内存空间不同外可以互换，选用EPCS16也便于以后升级。比较STRATIX I及其配置芯片构成的数据处理电路，STRATIX II和EPCS构成的系统更加简单方便，安全性高。另外本设计中输入SP I接口的数据流是以11对差分信号形式进入FPGA中的，EP2S系列芯片要求差分输入使用2.5V对VCCIO供电，电源模块的2. 5 V输出即对LVDS供电。

AD9857的使用
本设计采用AD公司的AD9857将FPGA输出的基带信号调制到中频。AD9857是AD公司推出的通用正交数字调制器，它的主要特性包括： 200M的内部时钟，14位的数据通道，优秀的动态性能，内部32位的正交DDS，单端或差分时钟输入等，并且AD9857有3种可选工作模式，根据FPGA输出的数据，我们选用正交调制模式，在该模式下AD9857对数据进行插值滤波处理后，与DDS产生的两个正交cos函数相乘再相加，结果如公式(1) ，得到的Dout即为数字中频信号，再经D /A转换到模拟输出。

AD9857完成了基带到中频、数字到模拟的转换，在一个芯片中既有数字部分又有模拟部分，进行电路设计时要充分考虑到这个情况，将数字和模拟电路分割成独立的两部分，并大面积接地，以减少模拟部分对数字部分的干扰，否则AD9857很容易溢出，同时AD9857在使用时功率消耗相对较大，容易发热，必须对芯片作散热处理，必要时还须加上散热片。

结论

本文通过对数字电视调制器硬件系统各组成部分的介绍，比较顺利地设计了一款数字电视调制器的硬件系统，由于FPGA的使用，该系统结构变得简单、灵活、易升级，可以在不改变硬件电路的情况下对系统更新换代，且能保证数据的安全性。调试后的数据表明，我们选用的FPGA中还有很大的可升级空间，可以在升级时增加许多新的功能。当前我国正由模拟电视系统向数字电视系统转换，STRATIX II系列FPGA因为它的通用性、集成性、安全性等优势，将会在数字电视应用研究领域有很好的发展空间。

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