基于CPLD的數字光端機的設計

摘要：遠程監控技術(shù)的應用隨著(zhù)日益發(fā)展的現代安防技術(shù)而變得越來(lái)越廣泛。而由光纖作為傳輸介質(zhì)的數字光端機，已經(jīng)成為遠程監控應用中的首選。本文詳細介紹了數字光端機的架構與工作原理，完成基于CPLD的無(wú)壓縮2路視頻傳輸，2路音頻傳輸和一路反向數據傳輸的數字光端機的設計。實(shí)驗證明，系統工作性能穩定可靠，實(shí)時(shí)傳輸效果好，可廣泛應用于安防行業(yè)。

復雜可編程邏輯器件(CPLD)是一種用戶(hù)根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。它在現代數字通信系統中，其作用還是相當重要的。由于其編程靈活、設計開(kāi)發(fā)周期短與先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具等特點(diǎn)使得對整個(gè)系統的設計調試周期大大縮短。而且對基帶信號和整個(gè)系統的控制也能處理的很好。Altera公司推出的MAX II系列芯片EPM240T100C5

是一款性?xún)r(jià)比很高的CPLD芯片。共有240個(gè)邏輯單元，192個(gè)等效宏單元，內置8192bit的Flash，80個(gè)I/O口，低功耗，能滿(mǎn)足大部分設計的需要。

數字光端機具有傳輸信號質(zhì)量高，沒(méi)有模擬調頻、調相、調幅光端機多路信號同傳時(shí)交調干擾嚴重、容易受環(huán)境干擾影響、傳輸質(zhì)量低劣、長(cháng)期工作穩定性差的缺點(diǎn)。它是將多路模擬基帶的視頻、音頻、數據進(jìn)行高分辨率數字化，形成高速數字流，然后將多路數字流進(jìn)行復用，通過(guò)發(fā)射光端機進(jìn)行發(fā)射，然后通過(guò)另一端的接收光端機進(jìn)行接收，解復用，恢復成各路數字化信號，再通過(guò)數字模擬變換，恢復成模擬視頻、音頻、數據信號。本文實(shí)現了基于CPLD的無(wú)壓縮2路視頻傳輸，2路音頻傳輸和一路反向數據傳輸的數字光端機設計。

1 系統結構與工作原理

數字光端機的發(fā)射端工作原理：首先對視頻圖像信號(PAL/NTSC制式)和音頻信號進(jìn)行采集，轉換為低速模擬信號。然后系統將2路無(wú)壓縮視頻信號和2路音頻信號進(jìn)行高分辨率的數字化，形成高速數字流，然后將多路數字流通過(guò)CPLD器件，運用Verilog HDL語(yǔ)言和時(shí)分復用的思想，實(shí)現正向數據的一次復接。最后將復接后的并行數據通過(guò)串化器轉換為L(cháng)VDS(低壓差分信號)，形成高速差分信號后，通過(guò)光電一體模塊進(jìn)行發(fā)送。如果正常發(fā)送，則將通道信號燈點(diǎn)亮，否則，說(shuō)明傳輸不正常。以及接收傳輸過(guò)來(lái)的數據信號，進(jìn)行曼徹斯特解碼操作后，發(fā)送到相應的接收器件上，觀(guān)察結果。

數字光端機的接收端工作原理：首先進(jìn)行數據的接收。然后按照時(shí)分復用的發(fā)送規則解復用，分別得到各自的數據。最后再經(jīng)過(guò)數模轉換，電平轉換恢復成模擬視頻，音頻信號。發(fā)送到各自相應的器件上，觀(guān)察結果。如果能正常接收及轉換，則將相應通道信號燈點(diǎn)亮，否則，說(shuō)明輸出不正常。以及將一路數據信號進(jìn)行曼徹斯特編碼，并發(fā)送到光電一體模塊上進(jìn)行發(fā)送。

2 系統模塊設計與實(shí)現

數字光端機包括以下幾個(gè)模塊：視頻模塊、音頻模塊、數據模塊、并串/串并轉換模塊、光電一體模塊等。

2.1 視頻模塊

數字光端機發(fā)射端視頻模塊實(shí)現的功能是將攝像頭采集到的低速模擬信號進(jìn)行放大、濾波、鉗位、并模數轉換，為CPLD提供可用于一次復接的數字信號。數字光端機接收端

視頻模塊實(shí)現的功能是將CPLD二次解復用的數字信號進(jìn)行數模轉換，轉換為模擬信號后再進(jìn)行放大，發(fā)送到監控設備上。

模數轉換部分采用ANALOG DEVICES公司的A/D轉換芯片AD9280。它是一個(gè)單電源供電，8-bit，32MSPS采樣速率的單片集成電路。并是集采樣、保持、放大和電壓參考于一體的模數轉換器。內置鉗位功能，但由于SGM9123具有鉗位功能，則AD9280的Clamp引腳接地。由SGM9123輸入的模擬視頻信號所產(chǎn)生的8位并行數據，不經(jīng)過(guò)編碼和壓縮等處理，直接送入CPLD芯片進(jìn)行時(shí)分復用處理。

數模轉換部分采用ANALOG DEVICES公司的D/A轉換芯片AD9708。它的采樣速率高達125MSPS，是8位并行數據輸入，差分電流輸出，高輸出阻抗的數模轉換器。將經(jīng)過(guò)D/A轉換后產(chǎn)生的差分電流，進(jìn)行緩沖放大等操作后，即可送入監控設備查看結果。這里進(jìn)行的放大等操作所使用的芯片還是SGM9123。詳細操作，請參照上述說(shuō)明。視頻模塊總體設計，可參考圖3。

2.2 音頻模塊

音頻模塊使用的是運算放大器芯片MAX4477。它是具有寬頻帶，低噪聲，低失真，軌對軌輸出，和支持單電源供電(2.7～5 V)等特性的運算放大器。

模數轉換部分采用的是音頻A/D轉換芯片CS5340。它是一個(gè)5階多位Delta—Sigma調制器，3.3～5 V電壓供電，支持取樣頻率從32～192 kHz，是24位雙通道立體聲ADC。

數模轉換部分采用Cirrus Logic公司的音頻D/A轉換芯片CS4334。它是完整的立體聲DAC系統，包含插值，1-bit D/A轉換和輸出模擬濾波。它具有5 V單電源供電，片上數字去加重，24位轉換和支持所用主流音頻數據接口格式的特性。

放大模塊部分采用雙音頻運算放大器芯片LM833。它具有低噪聲，高速和寬頻帶等特性。它放大傳輸過(guò)來(lái)的模擬音頻信號，并輸送到相應的設備中，并觀(guān)察結果。

2.3 數據模塊

本設計的發(fā)射端和接收端都采用的是德州儀器(TI)公司推出的RS-485數據總線(xiàn)半雙工收發(fā)器件SN65HVD3082E。它具有5 V電源供電，符合TIA/EIA-485A標準，傳輸速率最高位200 Kbps，低靜態(tài)功耗，總線(xiàn)引腳ESD(靜電釋放)保護高達15 kV等特點(diǎn)。數據模塊的設計，其流程圖為圖4所示。

由于該路數據的最高傳輸速率僅為200 kb/s，而光纖本身是類(lèi)似帶通的通道，不像雙絞線(xiàn)或低通信道，所以直接傳輸低速率的數據信號會(huì )造成很多誤碼，是不可取的，所以本設計采用了曼徹斯特編解碼技術(shù)。它是將時(shí)鐘和數據包含在數據流中，在傳輸代碼信息的同時(shí)，也將時(shí)鐘同步信號一起傳輸到對方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能，適合光纖傳輸。曼徹斯特編碼實(shí)現，可參考以下代碼：

其仿真結果為圖5所示。

2.4 并串/串并模塊

數字光端機發(fā)射端串化模塊實(shí)現的功能是，在經(jīng)過(guò)視頻和音頻信號進(jìn)行一次復用后，輸出10位并行數據。必須再經(jīng)過(guò)串化操作，將10位并行數據通過(guò)高分辨率的數字化形成高速數字流，輸入到光電一體模塊進(jìn)行電光轉換后，再通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸。數字光端機接收端解串模塊實(shí)現的功能是，首先對傳輸過(guò)來(lái)的高速差分信號，進(jìn)行解串操作，即一次分接。之后，變成CPLD可識別的低速數字信號。然后再根據發(fā)射端時(shí)分復用的規則來(lái)解復用，即二次分接。之后，分離出視頻、音頻信號，并將其傳送到相應的監控設備上。

串化器能將輸入的10位并行數據轉換為具有內嵌時(shí)鐘的高速差分數據流，再通過(guò)光電一體模塊轉換為光信號并通過(guò)光纖發(fā)送到對端。解串器在與串化器同步后，能重建并行時(shí)鐘，并將并串轉換后的數據傳送給CPLD芯片進(jìn)行處理。如果是處于隨機鎖定同步模式下，解串器還能工作在Open—Loop應用下和有能力支持帶電熱插拔。光端機接收端對數據分接部分的處理，可參考以下代碼：

2.5 光電一體模塊

本模塊主要實(shí)現的功能是，在發(fā)射端完成對信號的串化操作后，將高速數字差分信號轉換為光信號，并通過(guò)光纖發(fā)送到對端。而接收端是，接收來(lái)自光纖傳輸過(guò)來(lái)的信號，將其轉換為數字信號，以便進(jìn)行解串操作等進(jìn)一步處理。本設計采用的是1.25G/84 M 1X9 Transceiver，單模單纖雙向光電收發(fā)一體模塊。它可以通過(guò)單纖實(shí)現雙向傳輸，1.25G為視頻、音頻信號傳輸，84 M為反向數據傳輸。通過(guò)33 V/5 V供電，傳輸波長(cháng)為1310/1550。

3 測試分析

本次設計，首先測試了各個(gè)模塊是否能正常工作。包含音視頻數據和反向數據是否能正常傳輸，發(fā)送是否穩定，發(fā)送頻率是否符合要求等方面。經(jīng)測試分析后，視頻帶寬為

8 MHz;反向數據傳輸速率最高可達到200 kbps;傳輸距離最高可達20 km，1.25G/84 M的傳輸速率;滿(mǎn)足設計需求。最后顯示的結果如圖6所示，證明數據能正常發(fā)送且穩定，圖像清晰。

4 結束語(yǔ)

本次遠程監控系統的設計與研制，實(shí)現了各個(gè)監控點(diǎn)和總監控室的信號遠程傳輸。保證了信號實(shí)時(shí)傳輸、穩定顯示以及畫(huà)面聲音質(zhì)量清晰等功能。還能將各個(gè)監控點(diǎn)采集到的視頻和音頻信號通過(guò)采集卡存儲下來(lái)。該設備簡(jiǎn)單，成本低，便于維護且抗干擾能力強，因此本系統具有較好的實(shí)驗效果和市場(chǎng)應用價(jià)值。