基于FPGA處理器的數(shù)字光端機系統(tǒng)

目前在高速公路、交通、電子警察、監(jiān)控、安防、工業(yè)自動化、電力、海關、水利、銀行等領域視頻圖像、音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、電話等光端機開始普遍大量應用。

由于數(shù)字光端機具有傳輸信號質量高，沒有模擬調頻、調相、調幅光端機多路信號同傳時交調干擾嚴重、容易受環(huán)境干擾影響、傳輸質量低劣、長期工作穩(wěn)定性差的缺點，因此許多大型重點工程已普遍采用數(shù)字光端機。

系統(tǒng)框架與工作原理

整個系統(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(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)結構框圖

系統(tǒng)的工作原理為：光端機系統(tǒng)分為兩部分，分別為：發(fā)射機和接收機。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)絡去除噪聲干擾信號，然后對該視頻信號進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行A/D轉換，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，如果系統(tǒng)檢測到了有音頻信號的存在，則對其進行音頻濾波、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，時分復用地將各個信號編碼成8位并行信號流送入到并串轉換模塊。信號流經(jīng)過并串轉換后變成高速的LVDS信號驅動光纖收發(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)過以上的逆過程，完成對原始信號的恢復。

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系統(tǒng)的心臟，為了滿足對高速、多路數(shù)據(jù)流的實時處理，要求系統(tǒng)核心控制器必須有較高的工作頻率和反應能力。其次，對于系統(tǒng)時分復用部分，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、多功能及較為強大的數(shù)據(jù)處理能力，Altera公司CycloneII系列的EP1C3144是一個非常好的選擇。




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,若要對視頻信號進行采集，就必須準確地把握各種信號間的邏輯關系。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。

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，便可確定采集點在哪一場，哪一行。LM1881也能對非標準的視頻信號進行同步分離，通過固定的時間延遲產(chǎn)生默認的輸出作為場同步輸出。




圖3 A/D轉換硬件電路

3 A/D和D/A轉換模塊

此處的A/D轉換電路主要用來對視頻濾波，放大后的視頻信號進行數(shù)字化變換。電視圖像信號的帶寬理論計算值為7.37MHz，實際取5.5275MHz。由香農(nóng)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性度、模擬輸入超出轉換量程提示、內(nèi)建自流電平回復和可調片內(nèi)電壓基準源等優(yōu)勢。

此處A/D轉換電路設計如圖3所示。