多路數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，軟硬件架構(gòu)

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

（1）項目名稱：基于XC2VP30的多路數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

（2）項目的主要內(nèi)容：項目的內(nèi)容是設(shè)計了一種多路數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)，典型的設(shè)計是8路數(shù)字視頻的光纖傳輸，技術(shù)上主要的利用數(shù)據(jù)壓縮和時分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多路數(shù)字視頻的實時傳輸，設(shè)計的內(nèi)容主要包括A/D和D/A、并串/串并、視頻壓縮/解壓縮、信道編碼/解碼以及電光/光電五個部分，其中并串轉(zhuǎn)換、視頻壓縮解壓縮、信道編碼采用XC2VP30 FPGA芯片實現(xiàn)。項目在圖像遠(yuǎn)傳領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價值。

（3）目前的進(jìn)展情況：方案論證已經(jīng)完成，軟件設(shè)計即將完成。

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點的論述

（1）關(guān)鍵技術(shù)：本設(shè)計的關(guān)鍵部分在于采用FPGA技術(shù)實現(xiàn)視頻壓縮設(shè)計和線路碼編解碼設(shè)計。壓縮設(shè)計采用LZW算法實現(xiàn)，信道編碼利用XC2VP30的高速串行收發(fā)模塊將并行信號變?yōu)橐宦犯咚俅行盘?。LZW算法是一種無損壓縮算法，具有實時性、壓縮效率高的特點，可對不同的數(shù)據(jù)流進(jìn)行自適應(yīng)壓縮。信道編碼及冰川轉(zhuǎn)換利用MGT實現(xiàn)，千兆位高速串行收發(fā)器（MGT）是嵌入在XC2VP30內(nèi)的模塊，是可編程的全雙工高速串行收發(fā)器模塊，速率最高可達(dá)3.125Gb/s.用FPGA技術(shù)實現(xiàn)以上設(shè)計，除了滿足了新的帶寬需求和降低系統(tǒng)成本之外，還可極大的簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可升級能力。

（2）創(chuàng)新點：利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)光纖傳輸系統(tǒng)的主要功能，不同于專用IC的創(chuàng)新點是

①充分利用了XC2VP30的技術(shù)特點，在實現(xiàn)高速的信息處理時，使系統(tǒng)的硬件設(shè)計最簡單化。

②相對于市場上的大部分利用ASIC實現(xiàn)的光端機(jī)來講，具有價格上的優(yōu)勢。

③本系統(tǒng)采用了一種無損壓縮技術(shù)，在不損失傳輸質(zhì)量的條件下提高系統(tǒng)傳輸?shù)娜萘俊?/p>

④系統(tǒng)可以不斷在線升級，產(chǎn)品不斷優(yōu)化。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

多路數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是視頻數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和線路碼編解碼。本設(shè)計采用的LZW壓縮算法是一種無損壓縮算法，該算法具有實時性，壓縮率高等特點，用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時無損壓縮能夠?qū)⒏嬖V信號變成緩變信號進(jìn)行傳輸，降低通信的信道容量，提高數(shù)據(jù)的可靠性。MGT模塊是嵌入在XC2VP30里的高速串行收發(fā)器，利用該模塊來進(jìn)行信道編解碼設(shè)計可以簡化設(shè)計，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

系統(tǒng)工作原理：在發(fā)送端將攝像頭輸出的信號經(jīng)過調(diào)整后送入A/D，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入并串模塊進(jìn)行一次復(fù)用，復(fù)用后的信號送入視頻壓縮模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，然后對壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，產(chǎn)生一路高速串行信號，最后進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換為光信號送入光纖。在接收端進(jìn)行相應(yīng)的光電、解碼、解壓縮、串并和D/A變換后得到模擬視頻信號。

LZW壓縮算法原理：首先將FPGA初始化，當(dāng)FPGA準(zhǔn)備就緒后，在第一個時鐘脈沖上升沿到來時，向FIFO發(fā)出第一個讀信號，則FIFO輸出第一個字節(jié)待壓縮的數(shù)據(jù)到字符串表模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)比較單元后，判斷接收到的數(shù)據(jù)是否在字符串表中，如果在，則把這個數(shù)據(jù)左移8位放在移位寄存器作為數(shù)據(jù)前綴，同時讀入下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA將移位寄存器中的前綴與這個字節(jié)的數(shù)據(jù)相加后組成新的字符串，再判斷這個新的字符串是否在字符串表中，如果不在，則將此新字符串添加到字符串表中，同時字符串表指針加1，然后將新字符串的前綴輸出；如果在，則將字符串表中索引號作為前綴，繼續(xù)接受下一字節(jié)，如此循環(huán)。2.需要的開發(fā)平臺

1）實現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口

所需FPGA：時鐘速率至少300MHz，DCM，塊RAM，高速串行收發(fā)器。

所需端口：XSGA視頻端口，F(xiàn)X2端口

所需擴(kuò)展子板：VDEC1

2）所需要的目標(biāo)FPGA開發(fā)平臺，簡述為什么需要此平臺

目標(biāo)平臺為Virtex II Pro開發(fā)平臺，原因如下：本項目是利用FPGA實現(xiàn)多路數(shù)字視頻信號的傳輸，在XC2VP30里實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)壓縮和高速并串轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)實時性的特點，需要硬件處理的平臺具有較高的處理速度和豐富的邏輯資源，高速并串轉(zhuǎn)化需要FPGA芯片內(nèi)嵌入MGT模塊，另外本設(shè)計還需要視頻端口和外部子板擴(kuò)展接口，因此，選擇Virtex II Pro開發(fā)平臺作為本設(shè)計的硬件平臺。

3）是否需要其它配套的開發(fā)工具

是，需要視頻編解碼子板。

3.方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

在本方案中需要研制、開發(fā)的功能主要模塊，以及開發(fā)的方式：

主要模塊包括：視頻數(shù)據(jù)壓縮解壓縮，MGT，并串/串并。

4.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

論述本項目最終完成時所設(shè)想達(dá)到的目標(biāo)：實現(xiàn)8路視頻的實時傳輸。

需要的其它資源

1.設(shè)計輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說明、時間、方式

VDEC1實現(xiàn)的功能是視頻編碼，F(xiàn)X2，2007.10

2.測試設(shè)備

列出在方案實施過程中所需要的測試設(shè)備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

萬用表、示波器、攝像頭、監(jiān)視器等。

3.方針、開發(fā)工具

列出在方案實施過程中所需要的仿真、開發(fā)工具等。

ISE8.2、Modelsim6.1、Synplify Pro8.1等。