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基于FPGA的數(shù)字式光端機的研究與設計

作者: 時間:2008-06-02 來源:與非網(wǎng) 收藏

  引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/83485.htm

  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)、電話等開始普遍大量應用。

  由于數(shù)字具有傳輸信號質量高,沒有模擬調頻、調相、調幅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、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。經過PCM編碼后的音頻信號,送入系統(tǒng)主控核心中。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處理器已經遍及工業(yè)控制、消費電子產品、通信系統(tǒng)等各類產品市場。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。

  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生默認的輸出作為場同步輸出。

  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(shù)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(shù)據(jù)輸入。當AD9708被設置成8位數(shù)據(jù)輸入時,只要把管腳1設為最高輸入有效數(shù)據(jù)位(MSB),管腳8設為最低輸入有效數(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。

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關鍵詞: 光端機 FPGA

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