基于FPGA的數(shù)字式光端機的研究與設(shè)計(圖)

本文介紹了一種基于FPGA的視頻、音頻、反向數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計,該系統(tǒng)在實際中得到了應(yīng)用，具有良好的穩(wěn)定性、實用性和可靠性。

引言
目前在高速公路、交通、電子警察、監(jiān)控、安防、工業(yè)自動化、電力、海關(guān)、水利、銀行等領(lǐng)域視頻圖像、音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、電話等光端機開始普遍大量應(yīng)用。

由于數(shù)字光端機具有傳輸信號質(zhì)量高，沒有模擬調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅光端機多路信號同傳時交調(diào)干擾嚴(yán)重、容易受環(huán)境干擾影響、傳輸質(zhì)量低劣、長期工作穩(wěn)定性差的缺點，因此許多大型重點工程已普遍采用數(shù)字光端機。

系統(tǒng)框架與工作原理
整個系統(tǒng)由核心控制模塊FPGA、音頻采樣編解碼模塊、視頻分離模塊、視頻放大模塊、視頻A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、并串/串并轉(zhuǎn)換模塊、光纖調(diào)制收發(fā)模塊、電源控制模塊和485數(shù)據(jù)傳輸模塊。圖1是該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作原理為：光端機系統(tǒng)分為兩部分，分別為：發(fā)射機和接收機。在發(fā)射端，來自監(jiān)視器或其他視頻源的視頻信號首先經(jīng)過發(fā)射板上的視頻濾波網(wǎng)絡(luò)去除噪聲干擾信號，然后對該視頻信號進(jìn)行視頻分離和視頻放大。視頻分離模塊得到視頻信號的行、場同步信號以及奇偶場信號、視頻鉗位等重要的視頻信息。接下來，對放大后的視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字化的視頻信號送入系統(tǒng)主控核心FPGA中。與此同時，如果系統(tǒng)檢測到了有音頻信號的存在，則對其進(jìn)行音頻濾波、音頻數(shù)字化采樣以及音頻PCM編碼。經(jīng)過PCM編碼后的音頻信號，送入系統(tǒng)主控核心FPGA中。反向數(shù)據(jù)傳輸主要是485信號，該信號也送入到FPGA。這樣，系統(tǒng)主控核心FPGA對來自不同模塊的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信號整合，時分復(fù)用地將各個信號編碼成8位并行信號流送入到并串轉(zhuǎn)換模塊。信號流經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后變成高速的LVDS信號驅(qū)動光纖收發(fā)模塊以波分復(fù)用的方式完成了電/光變化和光發(fā)射。在光端機的接收端，經(jīng)過以上的逆過程，完成對原始信號的恢復(fù)。

系統(tǒng)硬件組成
1 FPGA核心控制器
系統(tǒng)的核心控制部分是整個系統(tǒng)的心臟，為了滿足對高速、多路數(shù)據(jù)流的實時處理，要求系統(tǒng)核心控制器必須有較高的工作頻率和反應(yīng)能力。其次，對于系統(tǒng)時分復(fù)用部分，為了信號的同步化，需要系統(tǒng)核心控制器內(nèi)嵌RAM和FIFO等功能塊。此外，同時作為嵌入式系統(tǒng)，處理器必須有著低功耗的要求。目前，F(xiàn)PGA處理器已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。按照低成本、低功耗、小體積、多功能及較為強大的數(shù)據(jù)處理能力，Altera公司CycloneII系列的EP1C3144是一個非常好的選擇。

圖2 視頻分離硬件電路

2 視頻分離模塊
視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等，因此,若要對視頻信號進(jìn)行采集，就必須準(zhǔn)確地把握各種信號間的邏輯關(guān)系。LM1881就是針對視頻信號的同步分離而生產(chǎn)的，它為視頻信號的處理提供了極大的方便。此處電路設(shè)計如圖2所示。
LM1881可以從0.5～2V的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性NTSC制、PAL制、SECAM制視頻信號中提取復(fù)合同步場同步、奇偶場識別等信號，這些信號都是圖像數(shù)字采集所需要的同步信號，有了它們，便可確定采集點在哪一場，哪一行。LM1881也能對非標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號進(jìn)行同步分離，通過固定的時間延遲產(chǎn)生默認(rèn)的輸出作為場同步輸出。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換硬件電路

3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊
此處的A/D轉(zhuǎn)換電路主要用來對視頻濾波，放大后的視頻信號進(jìn)行數(shù)字化變換。電視圖像信號的帶寬理論計算值為7.37MHz，實際取5.5275MHz。由香農(nóng)定理知，ADC的采樣頻率應(yīng)該大于2倍的圖像最高頻率，所以ADC采用ADI公司的AD9280，工作頻率為32MHz。該ADC具有良好的差分非線性度、模擬輸入超出轉(zhuǎn)換量程提示、內(nèi)建自流電平回復(fù)和可調(diào)片內(nèi)電壓基準(zhǔn)源等優(yōu)勢。

此處A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖3所示。

接收端A/D轉(zhuǎn)換電路主要完成對數(shù)字化后的視頻信號的模擬變換，還原出標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號。此處選用的DAC為ADI公司的高速AD9708。

AD9708采用+3V或+5V單電源供電，兩路電流輸出，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)125MHz，建立時間不大于35ns，轉(zhuǎn)換精度為1/4 LSB。在+5V電源供電的情況下，其功耗為175mW；在+3V電源供電的情況下，其功耗為45mW。

為了特殊的需要，AD9708還兼容8位、10位和12位并行數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)AD9708被設(shè)置成8位數(shù)據(jù)輸入時，只要把管腳1設(shè)為最高輸入有效數(shù)據(jù)位（MSB），管腳8設(shè)為最低輸入有效數(shù)據(jù)位（LSB）即可。引腳1（DB13）：最高輸入有效數(shù)據(jù)位；引腳2～13（DB12～DB1）：數(shù)據(jù)輸入端；引腳14（DB0）：最低輸入有效。

4 并串/串并模塊
低壓差分信號是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定義的用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺咏涌跇?biāo)準(zhǔn)（LVDS）。它具有超高速(速率可達(dá)1.4Gb/s)、超低功耗和低電磁輻射等特性，因而是在銅介質(zhì)上實現(xiàn)千兆位速率通信的優(yōu)選方案。而總線形低壓差分信號LVDS是LVDS技術(shù)在多點通信領(lǐng)域的擴展，它要求有更大的驅(qū)動電流(10mA)和更好的阻抗匹配設(shè)計。

SN65LV1023和SN65LV1224是TI公司推出的10位總線型低壓差分信號的應(yīng)用芯片組。其中SN65LV1023是可將10位并行CMOS或TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有內(nèi)嵌時鐘的高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)流的串化器；而SN65LV1224則是接收該差分?jǐn)?shù)據(jù)流并將它們轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的解串器，它同時又可以重建并行時鐘。采用該器件組進(jìn)行數(shù)據(jù)串化時采用的是內(nèi)嵌時鐘，這樣可有效地解決由于時鐘與數(shù)據(jù)的不嚴(yán)格同步而制約高速傳輸?shù)钠款i問題。此處的硬件電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 并串轉(zhuǎn)化硬件示意圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要是對系統(tǒng)控制核心的FPGA的編程。整個程序基于模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件開發(fā)思想編寫。所用的開發(fā)工具是Altera公司出品的FPGA集成開發(fā)環(huán)境QuartusII，開發(fā)語言采用當(dāng)今比較流行的大規(guī)模集成電路Verilog開發(fā)語言。

系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)了A/D控制模塊、語音編碼控制模塊、并串轉(zhuǎn)換控制模塊、串并轉(zhuǎn)換控制模塊、D/A控制模塊、語音解碼控制模塊和反向數(shù)據(jù)的收發(fā)控制模塊。
1 A/D控制模塊
A/D控制模塊以FPGA為主控核心，為AD9280提供采樣時鐘；同時采集AD9280A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

FPGA系統(tǒng)時鐘頻率為32MHz，對于AD9280的采樣時鐘為16MHz，對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行二分頻后提供給AD9280。同時，在分頻后的輸出時鐘的上升沿對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行讀取，讀取的結(jié)果存入FPGA中進(jìn)行下一步應(yīng)用。程序如下所示。
module AdControl(clk_in,reset,ad_data,clk_out,data_reg);
input clk_in,reset;
input [0:7]ad_data;
output clk_out;
output [0:7]data_reg;
reg [0:7]data_reg;
reg clk_out;
always@(posedge clk_in)
begin
if(reset)
clk_out=0;
else
clk_out=~clk_out;
end
always@(posedge clk_out)
begin
data_reg=ad_data;
end
endmodule
其中，clk_in為FPGA系統(tǒng)輸入時鐘；clk_out為分頻后提供給ADC的采樣時鐘；reset為復(fù)位端，高電平復(fù)位；ad_data是A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量；data_reg
用來存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

2 語音編碼控制模塊
語音編碼控制模塊主要完成對PCM編碼芯片提供數(shù)據(jù)編碼時鐘、數(shù)據(jù)使能控制以及編碼后的數(shù)據(jù)接收。
此處程序如下所示。
module PcmControl(clk_in,reset,tdd,tdc,tde,pcm_data);
……
always@(posedge clk_in)
begin
if(reset)
begintdc=0; end
elsebegin
if(cnt0==7)
begin
tdc=~tdc;
cnt0=0;
end
else
cnt0=cnt0+1;
end
end
always@(posedge tdc)
begin
if(cnt1==140)
begin
tde=~tde;
cnt1=0;
end
else
cnt1=cnt1+1;
end
always@(posedge tdc)
begin
pcm_data=tdd;
end
endmodule
其中，clk_in是FPGA系統(tǒng)時鐘，reset為系統(tǒng)復(fù)位信號。信號tdd是PCM編碼芯片的輸出；信號pcm_data用來存放PCM編碼數(shù)據(jù)；信號tdc是PCM編碼時鐘信號；信號tde是PCM編碼使能時鐘。

3 并串轉(zhuǎn)換控制模塊
系統(tǒng)主控核心FPGA對數(shù)字化的視頻、語音信號進(jìn)行時分復(fù)用后，將視頻語音混合信號送給并串轉(zhuǎn)換器。并串轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn)對并串轉(zhuǎn)換器的時序控制，使能控制和數(shù)據(jù)輸入控制。此處的部分程序如下所示。
moduleSnControl (clk_in,fpga_data,sn_clk,sn_data,sncontrol);
input clk_in;
input [0:9]fpga_data;
output [0:9]sn_data;
output sn_clk,sncontrol;
reg sn_clk,sncontrol;
reg [0:9]sn_data;
always@(posedge clk_in)
begin

sn_clk=~sn_clk;
end
always
begin
sncontrol=1;
end
always@(posedge sn_clk)
begin
sn_data=fpga_data;
end
endmodule
其中，clk_in是FPGA系統(tǒng)時鐘，信號sn_clk是并串轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時鐘；信號fpga_data是FPGA對視頻、語音時分復(fù)用編碼后的數(shù)據(jù)；信號sn_data是并串轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)；信號sncontrol是并串轉(zhuǎn)換器的編碼使能時鐘。

4 D/A控制模塊
D/A控制模塊主要用來控制AD9708，對來自串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA首先進(jìn)行時分解復(fù)用，然后將視頻信號部分發(fā)送給AD9708，同時配合DAC的轉(zhuǎn)換時鐘，該時鐘信號是通過并串轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出來的發(fā)射端系統(tǒng)的發(fā)射時鐘。

結(jié)語
此套數(shù)字式光端機系統(tǒng)，實現(xiàn)了各個監(jiān)控點和總監(jiān)控室的信號遠(yuǎn)程傳輸。各監(jiān)控點的攝像頭傳回視頻信號，總監(jiān)控室通過485數(shù)據(jù)接口線對各個攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程兩端之間還可以進(jìn)行話音通信。具有一定的使用價值和工程意義。