視頻信號數字化光纖傳輸實(shí)驗裝置的研制

摘要：介紹了以FPGA為主控芯片，以光殲為通訊媒介的視頻信號數字通信實(shí)驗裝置的設計實(shí)現過(guò)程，并對電路各個(gè)模塊的功能及實(shí)現加以說(shuō)明。電路在altium designer中設計完成，采用分模塊式的設計，思路靈活，結構清晰，易于實(shí)現。在QuartusⅡ環(huán)境下用VerilogHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程并對程序進(jìn)行仿真。該裝置已做成了實(shí)物樣本，實(shí)驗使用表明：可以實(shí)現視頻信號的傳輸，達到設計提出的教學(xué)要求和實(shí)際效果。
關(guān)鍵詞：FPGA；視頻信號；光殲通信；VerilogHDL

光纖以其頻帶寬、容量大、衰減小等優(yōu)點(diǎn)給通信領(lǐng)域帶來(lái)的改革和創(chuàng )新，形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。數字通信對比傳統的模擬通信有抗干擾能力強、適用范圍廣、保密性能強、易于集成、功能穩定等優(yōu)點(diǎn)。數字光纖通信兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，必將成為通信領(lǐng)域的發(fā)展方向。
視頻信號的光纖傳輸有實(shí)時(shí)、準確、清晰的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗領(lǐng)域，可以快速準確地傳遞實(shí)驗圖像，給實(shí)驗者更可靠的信息。在監控方面，可以實(shí)時(shí)傳遞監控圖像，即節約成本，又有高的傳輸質(zhì)量。因此，視頻信號的光纖傳輸的研究與實(shí)現，將方便人們的學(xué)習、工作和生活。
本文是針對普通工科類(lèi)高校中，非通信與信息工程專(zhuān)業(yè)等學(xué)科，具有普及性實(shí)驗教學(xué)科目所研制的創(chuàng )新實(shí)驗教學(xué)儀器。該實(shí)驗儀器的推出，有利于幫助高等學(xué)?；A性學(xué)科實(shí)驗課程的提升，豐富與完善實(shí)驗課內容，使學(xué)生了解現代技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)知識的掌握。

1 系統的硬件結構
整套裝置由兩大部分組成：光接收器和光發(fā)射器。兩者之間以光纖連接。光發(fā)射器與光接收囂的工作原理相互關(guān)聯(lián)，一個(gè)是另一個(gè)的逆過(guò)程；光發(fā)射器是將視頻的電信號轉變成光信號，光接收器是將光信號轉變成視頻的電信號。
光發(fā)射器由濾波放大、A／D轉換、控制部分、并／串轉換、電／光模塊部分組成。
光接收器由光／電轉換部分、串／并轉換、控制部分、D／A轉換、模擬信號放大部分組成。

2 系統電路設計
2．1 電源
整套裝置僅以7．5 V直流電源供電，內部集成電路需用到5V、1.5V、3．3V的電源。5V電源由L7805三態(tài)穩壓電源提供，3.3V和1.5V分別由ASM117-3.3和ASM117-1.5提供。
2. 2 FPGA主控部分
電路采用型號為EPIC3144C8的FPGA為主控芯片，由32 MHz的晶振提供工作時(shí)鐘。芯片共有4個(gè)時(shí)鐘輸入端，選其一輸入晶振時(shí)鐘。由于FPGA各個(gè)模塊都用到，所以各個(gè)模塊都需要供電和接地。
FPGA內部有兩個(gè)鎖相環(huán)，可以進(jìn)行分頻和倍頻，以得到不同的頻率。發(fā)射器中FPGA提供模數轉換芯片和并／串轉換芯片的時(shí)鐘并將模數轉換器輸出的八位數據編碼成十位數據傳送給并串轉換芯片，即完成8B10B編碼和數據傳輸。接收器中FPGA提供數模轉換器工作時(shí)鐘和串并轉換器的參考時(shí)鐘，并將串并轉換器輸出的十位數據解碼，還原為八位數據傳輸給數模轉換器。FPGA的功能由Verilog編程實(shí)現，程序采用AS(主動(dòng))配置方式下載到FPGA。
2．3 視頻信號的處理及采集
視頻信號經(jīng)濾波、放大、同步分離，由模數轉換集成芯片采集轉換成數字信號。
2．3．1 濾波放大部分
在對視頻信號進(jìn)行采樣時(shí)，當信號中含有大于二分之一的采樣頻率，如果采樣頻率不夠高，就會(huì )產(chǎn)生混疊信號?；殳B信號不能用數字濾波方法除去，需要用硬件濾波。A／D轉換的采樣頻率需要高于視頻信號最高頻率的2～10倍，為了在模數轉換階段不出現更高頻率，即不出現混疊干擾信號，濾波需在A(yíng)／D轉換之前進(jìn)行。根據所需視頻信號的帶寬以及抗混疊濾波所需要的特性，設計一個(gè)7級的低通濾波器，截止頻率為6 MHz，電路如圖1所示。

放大電路采用美國模擬器件公司出品的集成AD8042來(lái)實(shí)現。AD8042是一款功耗低、電壓反饋型的高速放大器。它具有單電源供電能力，其0．1BD增益平坦度為14 MHz，采用5 V電源時(shí)的差分增益和相位誤差分別為0．04％和0．06％。工作于5 V電源時(shí)，它具有160 MHz的帶寬。低失真和快速建立特性使得它可以用于緩沖單電源和高速數模轉換電路，電路如圖2所示。

圖中AD8042采用5 V電源供電，采用一級放大。