基于FPGA的數(shù)字式光端機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

　　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(jī)開始普遍大量應(yīng)用。

　　由于數(shù)字光端機(jī)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(jī)多路信號同傳時(shí)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(diǎn)，因此許多大型重點(diǎn)工程已普遍采用數(shù)字光端機(jī)。

　　系統(tǒng)框架與工作原理

　　整個(gè)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(jī)系統(tǒng)分為兩部分，分別為：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。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(shí)，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(shí)分復(fù)用地將各個(gè)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(jī)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(gè)系統(tǒng)的心臟，為了滿足對高速、多路數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(fèi)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，Altera公司CycloneII系列的EP1C3144是一個(gè)非常好的選擇。

　　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(jì)如圖2所示。

圖2 視頻分離硬件電路  

　　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(diǎn)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(shí)間延遲產(chǎn)生默認(rèn)的輸出作為場同步輸出。

　　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(jì)算值為7.37MHz，實(shí)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(jì)如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換硬件電路

　　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(shí)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(shí)，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。