基于FPGA的數字式光端機的研究與設計

　　引言

　　目前在高速公路、交通、電子警察、監控、安防、工業(yè)自動(dòng)化、電力、海關(guān)、水利、銀行等領(lǐng)域視頻圖像、音頻、數據、以太網(wǎng)、電話(huà)等光端機開(kāi)始普遍大量應用。

　　由于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)，因此許多大型重點(diǎn)工程已普遍采用數字光端機。

　　系統框架與工作原理

　　整個(gè)系統由核心控制模塊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轉換模塊、并串/串并轉換模塊、光纖調制收發(fā)模塊、電源控制模塊和485數據傳輸模塊。圖1是該系統的系統框圖。

圖1 系統結構框圖

　　系統的工作原理為：光端機系統分為兩部分，分別為：發(fā)射機和接收機。在發(fā)射端，來(lái)自監視器或其他視頻源的視頻信號首先經(jīng)過(guò)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(chǎng)同步信號以及奇偶場(chǎng)信號、視頻鉗位等重要的視頻信息。接下來(lái)，對放大后的視頻信號進(jìn)行A/D轉換，得到的數字化的視頻信號送入系統主控核心FPGA中。與此同時(shí)，如果系統檢測到了有音頻信號的存在，則對其進(jìn)行音頻濾波、音頻數字化采樣以及音頻PCM編碼。經(jīng)過(guò)PCM編碼后的音頻信號，送入系統主控核心FPGA中。反向數據傳輸主要是485信號，該信號也送入到FPGA。這樣，系統主控核心FPGA對來(lái)自不同模塊的視頻、音頻、數據等信號整合，時(shí)分復用地將各個(gè)信號編碼成8位并行信號流送入到并串轉換模塊。信號流經(jīng)過(guò)并串轉換后變成高速的LVDS信號驅動(dòng)光纖收發(fā)模塊以波分復用的方式完成了電/光變化和光發(fā)射。在光端機的接收端，經(jīng)過(guò)以上的逆過(guò)程，完成對原始信號的恢復。

　　系統硬件組成

　　1 FPGA核心控制器

　　系統的核心控制部分是整個(gè)系統的心臟，為了滿(mǎn)足對高速、多路數據流的實(shí)時(shí)處理，要求系統核心控制器必須有較高的工作頻率和反應能力。其次，對于系統時(shí)分復用部分，為了信號的同步化，需要系統核心控制器內嵌RAM和FIFO等功能塊。此外，同時(shí)作為嵌入式系統，處理器必須有著(zhù)低功耗的要求。目前，FPGA處理器已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)品、通信系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。按照低成本、低功耗、小體積、多功能及較為強大的數據處理能力，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(chǎng)同步信號、場(chǎng)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。此處電路設計如圖2所示。

圖2 視頻分離硬件電路  

　　LM1881可以從0.5～2V的標準負極性NTSC制、PAL制、SECAM制視頻信號中提取復合同步場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)識別等信號，這些信號都是圖像數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(chǎng)，哪一行。LM1881也能對非標準的視頻信號進(jìn)行同步分離，通過(guò)固定的時(shí)間延遲產(chǎn)生默認的輸出作為場(chǎng)同步輸出。

　　3 A/D和D/A轉換模塊

　　此處的A/D轉換電路主要用來(lái)對視頻濾波，放大后的視頻信號進(jìn)行數字化變換。電視圖像信號的帶寬理論計算值為7.37MHz，實(shí)際取5.5275MHz。由香農定理知，ADC的采樣頻率應該大于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(xiàn)性度、模擬輸入超出轉換量程提示、內建自流電平回復和可調片內電壓基準源等優(yōu)勢。

　　此處A/D轉換電路設計如圖3所示。

圖3 A/D轉換硬件電路

　　接收端A/D轉換電路主要完成對數字化后的視頻信號的模擬變換，還原出標準的視頻信號。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，轉換速率高達125MHz，建立時(shí)間不大于35ns，轉換精度為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位并行數據輸入。當AD9708被設置成8位數據輸入時(shí)，只要把管腳1設為最高輸入有效數據位（MSB），管腳8設為最低輸入有效數據位（LSB）即可。引腳1（DB13）：最高輸入有效數據位；引腳2～13（DB12～DB1）：數據輸入端；引腳14（DB0）：最低輸入有效。