基于FPGA處理器的數(shù)字光端機(jī)系統(tǒng)

目前在高速公路、交通、電子警察、監(jiān)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(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(hào)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(hào)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(zhǎng)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(hào)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(hào)，然后對(duì)該視頻信號(hào)進(jìn)行視頻分離和視頻放大。視頻分離模塊得到視頻信號(hào)的行、場(chǎng)同步信號(hào)以及奇偶場(chǎng)信號(hào)、視頻鉗位等重要的視頻信息。接下來，對(duì)放大后的視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字化的視頻信號(hào)送入系統(tǒng)主控核心FPGA中。與此同時(shí)，如果系統(tǒng)檢測(cè)到了有音頻信號(hào)的存在，則對(duì)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(hào)，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(hào)，該信號(hào)也送入到FPGA。這樣，系統(tǒng)主控核心FPGA對(duì)來自不同模塊的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信號(hào)整合，時(shí)分復(fù)用地將各個(gè)信號(hào)編碼成8位并行信號(hào)流送入到并串轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)流經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后變成高速的LVDS信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(duì)原始信號(hào)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(duì)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(duì)于系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用部分，為了信號(hào)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(chǎng)。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。




圖2 視頻分離硬件電路

2 視頻分離模塊

視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等，因此,若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系。LM1881就是針對(duì)視頻信號(hào)的同步分離而生產(chǎn)的，它為視頻信號(hào)的處理提供了極大的方便。此處電路設(shè)計(jì)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(hào)中提取復(fù)合同步場(chǎng)同步、奇偶場(chǎng)識(shí)別等信號(hào)，這些信號(hào)都是圖像數(shù)字采集所需要的同步信號(hào)，有了它們，便可確定采集點(diǎn)在哪一場(chǎng)，哪一行。LM1881也能對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)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(chǎng)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(duì)視頻濾波，放大后的視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化變換。電視圖像信號(hào)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(shì)。

此處A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

接收端A/D轉(zhuǎn)換電路主要完成對(duì)數(shù)字化后的視頻信號(hào)的模擬變換，還原出標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)。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。

4 并串/串并模塊

低壓差分信號(hào)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(shí)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(hào)LVDS是LVDS技術(shù)在多點(diǎn)通信領(lǐng)域的擴(kuò)展，它要求有更大的驅(qū)動(dòng)電流(10mA)和更好的阻抗匹配設(shè)計(jì)。

SN65LV1023和SN65LV1224是TI公司推出的10位總線型低壓差分信號(hào)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(shí)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(shí)又可以重建并行時(shí)鐘。采用該器件組進(jìn)行數(shù)據(jù)串化時(shí)采用的是內(nèi)嵌時(shí)鐘，這樣可有效地解決由于時(shí)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(jì)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(jì)

系統(tǒng)軟件主要是對(duì)系統(tǒng)控制核心的FPGA的編程。整個(gè)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(shí)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(shí)鐘；同時(shí)采集AD9280A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為32MHz，對(duì)于AD9280的采樣時(shí)鐘為16MHz，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行二分頻后提供給AD9280。同時(shí)，在分頻后的輸出時(shí)鐘的上升沿對(duì)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@(posedgeclk_in)

begin

if(reset)

clk_out＜=0;

else

clk_out＜="clk_out;

end

always@(posedgeclk_out)

begin

data_reg＜=ad_data;

end

endmodule

其中，clk_in為FPGA系統(tǒng)輸入時(shí)鐘；clk_out為分頻后提供給ADC的采樣時(shí)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(chǔ)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(duì)PCM編碼芯片提供數(shù)據(jù)編碼時(shí)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@(posedgeclk_in)

begin

if(reset)

begintdc＜=0; end

elsebegin

if(cnt0==7)

begin

tdc＜="tdc;

cnt0＜=0;

end

else

cnt0＜=cnt0+1;

end

end

always@(posedgetdc)

begin

if(cnt1==140)

begin

tde＜="tde;

cnt1＜=0;

end

else

cnt1＜=cnt1+1;

end

always@(posedgetdc)

begin

pcm_data＜=tdd;

end

endmodule

其中，clk_in是FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘，reset為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。信號(hào)tdd是PCM編碼芯片的輸出；信號(hào)pcm_data用來存放PCM編碼數(shù)據(jù)；信號(hào)tdc是PCM編碼時(shí)鐘信號(hào)；信號(hào)tde是PCM編碼使能時(shí)鐘。

3 并串轉(zhuǎn)換控制模塊

系統(tǒng)主控核心FPGA對(duì)數(shù)字化的視頻、語音信號(hào)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用后，將視頻語音混合信號(hào)送給并串轉(zhuǎn)換器。并串轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并串轉(zhuǎn)換器的時(shí)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@(posedgeclk_in)

begin

sn_clk＜="sn_clk;

end

always

begin

sncontrol＜=1;

end

always@(posedgesn_clk)

begin

sn_data＜=fpga_data;

end

endmodule

其中，clk_in是FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘，信號(hào)sn_clk是并串轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘；信號(hào)fpga_data是FPGA對(duì)視頻、語音時(shí)分復(fù)用編碼后的數(shù)據(jù)；信號(hào)sn_data是并串轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)；信號(hào)sncontrol是并串轉(zhuǎn)換器的編碼使能時(shí)鐘。

4 D/A控制模塊

D/A控制模塊主要用來控制AD9708，對(duì)來自串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA首先進(jìn)行時(shí)分解復(fù)用，然后將視頻信號(hào)部分發(fā)送給AD9708，同時(shí)配合DAC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，該時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘。

結(jié)語

此套數(shù)字式光端機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)和總監(jiān)控室的信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸。各監(jiān)控點(diǎn)的攝像頭傳回視頻信號(hào)，總監(jiān)控室通過485數(shù)據(jù)接口線對(duì)各個(gè)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(jià)值和工程意義。