基于USB的数字广播电视信号数据采集系统的设计与实现硕士学位论文.docx
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1、 硕士学位论文中文论文题目 :基于USB的数字广播电视信号数据采集系统的设计与实现 英文论文题目 :The Design and Realization of Data Acquisition of Digital Broadcasting Television Signal Based on USB中国传媒大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 中国传媒大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任
2、何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 中国传媒大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权中国传媒大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日中国传媒大学硕士学位论文 摘要致 谢摘 要目前在我国存在多种数字电视广播标准,如数字地面电视(Digital Terrestri
3、al Multimedia Broadcasting,DTMB或DMB-T/H)、中国移动多媒体广播(China mobile multimedia broadcasting ,CMMB)、从欧洲引进的数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)等标准。这些标准在中国市场的推广与应用过程中,很多场合需要对所发射数字信号进行采集分析,以衡量数字信号发射质量。传统的数据采集系统接口一般采用并行接口、ISA接口、PCI接口、PS/2接口、RS-232和RS-485串行总线等方式,这些方式存在扩展性差、不支持热插拔,内置式接口易受高频信号干扰等诸多缺陷。而采用USB接口
4、的数据采集系统则能很好的解决上述问题。本课题旨在提出一种基于USB2.0和DDR SDRAM的海量数据采集系统的FPGA解决方案,并详细阐述了系统方案设计思路及应用实施方法。该方案根据实际需求,可应用于多种标准下的广播电视信号接收前端,携带方便,功耗低,适用于信号数据的现场采集和存储。【关键字】 数据采集,USB, FPGA, DDR SDRAMABSTRACTThese days multiple standards of digital television and broadcasting are employed widely in China, such as DTMB(Digita
5、l Terrestrial Multimedia Broadcasting), CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting) and DAB(Digital Audio Broadcasting) brought from Europe. During pushing the applications of these standards forward in China market, it is necessary to measure the quality of transmitted digital signals by making the
6、analysis of them. Traditional interface of Data acquisition system employs parallel interface, ISA interface, PCI interface, PS/2 interface, RS-232 and RS-485 serial bus commonly. Traditional interfaces have lots of disadvantage. For instance, they are mostly dedicated, dont support hot plug and eas
7、y to be disturbed by the high-freqency signal from the chassis. All above issues can be resolved by employing the data acquisition system with USB interface.This subject intends to introduce a solution of mass data acquisition system. It is realized on a FPGA platform by using USB2.0 and DDR SDRAM t
8、echnology. According to actual demands, this data acquisition system can be applied to the front-end receiver based on multiple standards of digital television and broadcasting. It has lots of advantages such as easy to carry, low consumption. In summary, it is adequate for memorizing signal in the
9、field.【Key words】 Data Acquisition, FPGA, USB2.0, DDR SDRAMIV中国传媒大学硕士学位论文 目录目 录致 谢II摘 要IIABSTRACTII1.绪论21.1选题背景21.2选题依据21.3论文内容及结构21.4本章小结22.数据采集系统的总体设计方案22.1射频前端技术概述22.1.1MTV818芯片22.1.2自动增益控制22.2FPGA技术概述22.2.1FPGA简介22.2.2Cyclone简介22.2.3FPGA芯片选型22.3USB技术概述22.3.1USB总线结构22.3.2USB数据传输类型22.3.3EZ-USB FX2
10、LP简介22.3.4Slave FIFO模式的硬件结构22.3.5片内I2C总线控制器特性22.4DDR SDRAM技术概述22.4.1DDR SDRAM时序介绍22.4.2DDR SDRAM芯片选型22.5本章小结23.硬件接口设计23.1Tuner芯片外围电路23.2FPGA资源分配及配置电路23.2.1I/O管脚分配23.2.2电源管理23.2.3配置模式23.2.4时钟分配23.3USB2.0芯片外围电路23.4DDR SDRAM芯片外围电路23.5电源电路23.6本章小结24.PCB LAYOUT设计24.1层数的选择和叠加原理24.2阻抗匹配原理24.3Layout设计24.3.1
11、射频前端24.3.2USB高速接口24.3.3DDR SDRAM24.4本章小结25.FPGA控制器软件设计25.1FPGA设计流程介绍25.2Quartus简介25.3Verilog硬件描述语言25.4FPGA系统模块设计方案25.4.1时序分析25.4.2FPGA系统设计方案25.4.3预处理模块25.4.4USB接口模块25.5本章小结26.SLAVE FIFO的固件设计26.1Slave FIFO固件基础26.1.1固件FIFO管道26.1.2端点FIFO26.2Auto In模式26.3Cypress开发工具26.4本章小结27.总结与展望2参考文献2附录1 USB数据采集卡PCB板
12、图2附录2 USB数据采集卡实物图2中国传媒大学硕士学位论文 绪论1. 绪论1.1 选题背景随着数字电视技术的发展,数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)作为在国内外得到了广泛的应用,人们对数据采集系统的要求也在日益提高。数据采集,是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集系统主要是通过一定的硬件接口完成数据采集,然后通过计算机的外围接口将采集的数据送入计算机或则其他处理器进行下一步的处理。在一个系统或产品进行现场测试的过程中会有大量的实时数据需要采
13、集与存储,然后要对采集的数据读取到计算机或其他设备上进行数据分析。正是基于这样的需求,数据采集系统主要在两个方面提出要求:一是与计算机之间简单灵活且传输速率高的接口;二是数据采集系统能够实现实时、高速、海量的数据采集。数据采集的传统接口一般采用并行接口、ISA接口、PCI接口、PS/2接口、RS-232和RS-485串行总线。这些接口被广泛应用到计算机上的同时,也存在很多缺陷。比如,这些接口大部分都是专用的,各自有各自的接口协议和连接器,给用户带来了极大的不便;扩展性差、不支持热插拔;内置式接口容易使数据受到PC机箱内高频信号的干扰影响,从而降低系统的采样精度和稳定性;占据了机箱和主板的很大面
14、积,不利于计算机的小型化。在传输速率方面,PCI总线有较高的传输速率,可达2112Mbps,也可以“即插即用”,但是它们的扩充槽有限且插拔不方便;RS-232串行总线连接比较方便,但是传输速率太慢了,不易于高速传送数据。因此需要一个新型的计算机接口来解决这些问题。对于广电行业来说,很多场合都需要用到数据采集系统,比如回放数字广播电视节目,衡量发射的信号质量等。目前国内较为普及的广播电视信号标准有很多,比如有DTMB、DAB与CMMB等。由于各个标准在发射频率和占用带宽等指标上不尽相同,如表1-1所示,因此研究如何高效实时的接收各种标准下的广播电视信号具有重要的实际应用价值。表 11数字广播电视
15、标准部分参数比较12参数标准CMMBDTMBDAB发射频率/MHzS波段(2.633-2.660GHz)和UHF(470-798MHZ)UHF波段(470 MHz -806 MHz)VHF3(174230MHz)及L-band(14521477MHz)北京现在使用的是208.720-213.856MHz占用带宽/MHz8MHz(标清),2MHz(QVGA)8MHz(标清、高清)2MHz有效带宽/MHz7.512MHz,1.536MHz7.56MHz1.536MHz最大净荷量/Mbps2.046-16.243Mbps4.81332.486Mbps2.432Mbps其他手机、PDA、MP3、MP4
16、、数码相机、笔记本电脑多种移动终端均可接收固定电视和支手持等便携式移动终端设备均可接收面向便携固定移动接收1.2 选题依据本课题旨在提出一种在FPGA平台上实现并且基于USB2.0和DDR SDRAM的海量数据采集系统的解决方案。该方案根据实际需求,可应用于多种标准下的广播电视信号接收前端,且携带方便,功耗低,非常适用于现场采集和存储信号数据。1994年11月,USB(Universal Serial Bus)规范由Compaq、Digital Equipment、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Telecom等7家公司共同提出。USB接口技术的出现完美地解决
17、了传统接口存在的问题。目前,USB以接口体积小巧、支持热插拔、即插即用、兼容性好、节省系统资源和成本低等优点迅速普及开来。USB接口技术支持三种数据传输速率操作,包括低速1.5Mbit/s、全速12Mbit/s和高速480Mbit/s。这样便于不同的外部设备选择合适的数据传输速率来实现。传统的SDRAM采用一种单倍数据速率(Single Data Rate ,SDR)的结构执行访问操作。它在每个系统时钟周期的上升沿传输数据,因此SDR SDRAM的带宽等于其时钟频率乘以其数据总线宽度。为了增加总线带宽,如果使用传统的方法,要么增加数据总线宽度,要么提高其操作频率。DDR SDRAM(Doubl
18、e Data Rate SDRAM,DDR SDRAM)的出现使在既不增加数据总线宽度也不提高工作频率的条件下,增加了总线带宽。根据JEDEC制定的标准,DDR SDRAM最高时钟频率可以达到200MHz,其极限传输率为3.2Gbps3。随着微电子设计技术与工艺的发展,数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路逐步发展到今天的专用集成电路。ASIC的出现降低了产品的生产成本,提高了系统的可靠性,缩小了设计的物理尺寸,推动了社会的数字化进程。但是ASIC因其设计周期长,改版投资大,灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。随着
19、工艺技术的发展与市场需求,超大规模、高速、低功耗的新型FPGA/CPLD不断推陈出新。新一代的FPGA甚至集成了中央处理器(Central Processing Unit ,CPU)或数字处理器(Digital Signal Process,DSP)内核,在一片FPGA上进行软硬件协同设计,为实现片上可编程系统(System-on-a-Programmable-Chip ,SOPC)提供了强大的硬件支持。目前,国内外企业已经推出了很多能适应不同条件,不同精度要求的 USB 数据采集系列产品。其中比较典型的是美国国家仪器有限公司(National Instruments,NI)研制的一系列 US
20、B数据采集卡,如 NI 推出的USB-6008低价位多功能数据采集卡,它是一款USB总线供电多功能 DAQ(Data Acquisition,DAQ)模块,该模块提供 12 路模拟输入,采样精度 12位,单通道采样率为 10KBps。国内深圳的华强电子研发的USB数字电视接收机,该产品支持USB1.1 /2.0数据传输接口,支持数字电视视频广播及 IP 数据接收。适用于学校、医院、机关、电影院、等公共场所接收无线教育和无线传输的加密数字电视广播节目和数据。1.3 论文内容及结构(1)重点介绍本数据采集系统的芯片选型和硬件设计方案,根据设计方案,绘制电路原理图和PCB文件,并最终焊接调试系统的硬
21、件平台;(2)Tuner部分的驱动控制;(3)FPGA部分的Verilog HDL代码设计;(4)USB2.0部分的固件程序和驱动程序设计基础介绍;(5)在硬件和软件平台均搭建好的情况下,进行软硬件系统联合调试,并且实际测试系统的工作情况。1.4 本章小结本章主要介绍了不同接口的数据采集技术所面临的问题,叙述了几种数字广播电视信号的基本参数,进而谈到本课题的研究意义,最后确定了课题的研究步骤及论文的内容安排。58中国传媒大学硕士学位论文 数据采集系统的总体设计方案2. 数据采集系统的总体设计方案本课题基于USB总线接口,集接收、下变频、数据采集、海量存储于一体,专门研究应用于DMB-TH、CM
22、MB、DAB标准下的数字电视广播信号的数据采集系统。可接收的信号频段有UHF、VHF3和L波段。另外,本课题还将对接收信号强度指示的实时监控和调谐芯片内部寄存器的在线配置进行研究,帮助用户轻松方便的对不同频道上的数字电视广播信号进行数据采集,同时还可以实时获取当下频道的信号强度指示。本数据采集电路主要分为下变频、FPGA数据预处理、DDR SDRAM接口、USB2.0接口四部分。该系统工作流程如下:利用天线接收空中的数字电视广播信号,信号经过调谐芯片直接下变换为零中频信号,输出10bit的I/Q数字基带信号。FPGA对基带信号做预处理之后,将信号送入异步FIFO模块,由FIFO汇集批量的数据送
23、至外挂DDR SDRAM芯片内。然后再由FPGA控制DDR SDRAM将采集数据读出,通过USB2.0控制芯片将数据送至计算机,让计算机上的应用程序对信号数据进行保存和处理。其中,用户通过应用程序配置相应的参数,PC机通过USB接口将控制信号传给USB控制芯片,USB控制芯片利用I2C总线对调谐芯片内部寄存器执行写操作,从而实现软件对硬件电路的配置功能。此外,USB控制芯片利用I2C总线,还可以在线读取调谐芯片内部寄存器数值,然后数据经过USB总线传输到PC,PC可以通过应用程序实时计算出RSSI显示给用户。图2.1为本次设计系统框图:图 2.1 系统方案框图2.1 射频前端技术概述射频(Ra
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