基于FPGA新型視頻光端機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

郭娟 耿濤 劉玉珍 張曉鵬 丁鑫

摘 要：為解決模擬視頻光端機(jī)傳輸容量小、業(yè)務(wù)能力少、信號(hào)易衰減、易串?dāng)_等問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的新型視頻光端機(jī)模塊。視頻光端機(jī)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，該模塊可將硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及信道編解碼等進(jìn)行綜合運(yùn)用，并經(jīng)FPGA對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行處理，然后使用 Quartus II開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)模塊輸入相應(yīng)波形進(jìn)行測(cè)試，然后運(yùn)用ModelSim10.0 SE對(duì)各個(gè)模塊以及系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真。通過(guò)多次測(cè)試證明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性高，圖像質(zhì)量清晰。該成果目前已應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，且收到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新型；視頻光端機(jī)；Quartus II；ModelSim10.0 SE

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-04

0 引 言

數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)是把一到多路的模擬視頻信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)編碼及光電轉(zhuǎn)換后以光信號(hào)在光纖介質(zhì)中傳輸視頻的一組設(shè)備。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字視頻光端機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其集成化程度也越來(lái)越高。而且現(xiàn)今視頻光纖傳輸系統(tǒng)具有更多的功能及更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力，其結(jié)構(gòu)也隨之更加復(fù)雜，成本也更高昂。而本設(shè)計(jì)提供一種簡(jiǎn)單、低成本、開(kāi)放式的數(shù)字視頻光端機(jī)。通過(guò)本設(shè)計(jì)能夠便捷地觀測(cè)視頻信號(hào)在整個(gè)傳輸系統(tǒng)中的傳輸狀態(tài)，并且本設(shè)計(jì)還包含F(xiàn)PGA、圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、電路分析及應(yīng)用等知識(shí)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠基本掌握相關(guān)理論知識(shí)的應(yīng)用能力[1]。

1 數(shù)字視頻光端機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該模塊的硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，該視頻光端機(jī)模塊即數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)，主要分為發(fā)送部分和接收部分，發(fā)送部分的主要功能是信號(hào)采集和信號(hào)處理，接收部分的主要功能是信號(hào)處理和信號(hào)恢復(fù)，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)采用光纖連接[2]。

發(fā)送部分首先將攝像頭采集的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)高速視頻信號(hào)放大器放大后送至高速A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)FPGA對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行處理、并/串轉(zhuǎn)換、電/光轉(zhuǎn)換后送入光纖信道傳輸，信號(hào)測(cè)試單元可測(cè)試各個(gè)電路信號(hào)狀態(tài)并保留FPGA下載接口，提供二次開(kāi)發(fā)功能。

接收部分電路的功能是發(fā)送部分的逆過(guò)程。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)具有高頻分量且信號(hào)很微弱[3]，因此需在后級(jí)電路中加入濾波及放大電路后才能輸出到視頻輸出接口。

2 硬件電路設(shè)計(jì)及器件選型

2.1 視頻采集電路

視頻采集電路由彩色攝像頭、低通濾波器、視頻放大器及電平調(diào)整電路組成。其功能將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行濾波、視頻放大及電平調(diào)整后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用SGM9110視頻專用放大器芯片，其芯片接線圖如圖2所示。

2.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

考慮到系統(tǒng)分辨率、功耗和成本，設(shè)計(jì)中選擇美國(guó)德州儀器（TI）公司的TLC5510I并行比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用24引腳的貼片封裝（TSSOP-24），采樣頻率為13.5 MHz；數(shù)/模轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)采用20引腳的貼片封裝（TSSOP-20）的TLC5602C。

視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是把處理后的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號(hào)[4]。PAL制視頻信號(hào)的帶寬為0～6 MHz，由奈奎斯特抽樣定理可知[5]，視頻轉(zhuǎn)換電路的采樣頻率至少為12 MHz才能保證接收端可以完整的恢復(fù)視頻信號(hào)，否則將出現(xiàn)頻率混迭效應(yīng)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換完成與模數(shù)轉(zhuǎn)換相反的功能，即把數(shù)字編碼的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬彩色全電視信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大電路后，送入監(jiān)視器。考慮到本系統(tǒng)中包含多路視頻，因此盡量選擇具有多通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件。這樣不僅能使系統(tǒng)電路的集成度和可靠性更高，而且也相應(yīng)地降低了成本。經(jīng)過(guò)多方面的比較和參考，最終選定了美國(guó)德州儀器（TI）公司的TL5602C高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

2.3 主控電路

主控電路主要對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，同時(shí)為外圍電路提供必要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)[6]。設(shè)計(jì)采用Altera公司MAXII系列的EPM570T100C5N芯片。芯片具有570個(gè)邏輯單元（LE），用戶Flash存儲(chǔ)量為8.192 Kb，器件引腳到引腳的邏輯延遲固定為4.5 ns，其輸入時(shí)鐘頻率最高可達(dá)304 MHz，而且可以通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程。EPM570T100C5N芯片外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

在PCB的設(shè)計(jì)中EPM570芯片的每個(gè)電源引腳均有一個(gè)0.1 μF的瓷片電容去耦，以保證器件的穩(wěn)定工作。晶振電路采用54 MHz有源晶體振蕩器，將有源晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)四分頻，即13.5 MHz。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

EPM570T100C5N的供電分為核心供電VCCINT和I/O供電VCCIO兩種，其核心供電VCCINT為固定電壓3.3 V[7]。I/O供電模塊分為VCCIO1和VCCIO2兩種，分別為EPM570芯片的兩個(gè)I/O模塊供電，給I/O模塊提供不同的電壓可以使這兩個(gè)I/O模塊適應(yīng)不同的電平標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)中的兩個(gè)I/O模塊分別與模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器和并串、串并轉(zhuǎn)換器連接，其接口電壓平均為3.3 V，因此，VCCIO1和VCCIO2均接3.3 V電源。3.3 V 電源由AMS1117-3.3芯片將5 V電源轉(zhuǎn)換后得到，再經(jīng)過(guò)100 μF鉭電容和0.1 μF陶瓷電容濾波后供給CPLD。電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.5 并/串轉(zhuǎn)換、串/并轉(zhuǎn)換電路及光/電、電/光轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)采用SN65LV1023A芯片電路并/串轉(zhuǎn)換和SN65LV1224B串/并轉(zhuǎn)換電路。

光模塊發(fā)射機(jī)部分接收外部低電壓差分信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)從光纖輸出。將SN65LV1023的LVTTL電平差分?jǐn)?shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PECL電平，使其與光發(fā)射機(jī)輸入的規(guī)定電平相匹配。VCCR和VCCT均接+5 V，并分別接串聯(lián)電感和旁路電容，以濾除電源干擾信號(hào)。光模塊發(fā)射機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

接收機(jī)部分是接收從光纖傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為低電壓差分?jǐn)?shù)字信號(hào)。因此接收機(jī)差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入管腳RD±參照典型電路接法與SN65LV1224的差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出管腳RI±連接。光模塊發(fā)射機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)使用 Quartus II開(kāi)發(fā)套件[8]，在 CPLD內(nèi)部使用 Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行硬件描述[9]。發(fā)射部分設(shè)計(jì)方案如圖7所示（接收部分設(shè)計(jì)方案與發(fā)射部分類似，是與發(fā)射部分相反的一個(gè)過(guò)程），軟件設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)處理模塊和外設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊。

信號(hào)處理模塊的程序主要為數(shù)字信號(hào)編、解碼，此程序在發(fā)送部分的FPGA中將原有數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，在接收部分的FPGA中將編碼后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼。外設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊主要是為其它外圍電路提供必須的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)及使能等信號(hào)。發(fā)射部分設(shè)計(jì)如圖7所示。

3.2 視頻編碼

本設(shè)計(jì)采用8B10B編碼方案，該編碼方案由IBM公司開(kāi)發(fā)，其目的是平衡并串轉(zhuǎn)換后串行碼流中 “0”碼與 “1”碼的個(gè)數(shù)，從而起到平衡直流的作用，通常用HGFEDCBA表示編碼前的8位二進(jìn)制數(shù)，即低五位二進(jìn)制數(shù)為EDCBA，高三位二進(jìn)制數(shù)為HGF。5B6B編碼后的6位二進(jìn)制數(shù)表示為abcdei，而3B4B編碼后的4位二進(jìn)制數(shù)表示為fghj，最后合成的10位二進(jìn)制碼表示為abcdeifghj。由于設(shè)計(jì)中未使用控制代碼，信道僅傳輸數(shù)據(jù)，因此8B10B編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示。8B10B編碼程序框圖如圖9所示。

3.3 視頻解碼

8B10B解碼電路的基本原理是將10位編碼數(shù)據(jù)分為高四位和低六位兩部分，然后分別以映射的方式對(duì)其進(jìn)行解碼[10]。解碼電路除了完成8B10B的解碼功能外，還要檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)是否有誤碼，檢測(cè)誤碼的方法主要是8B10B編碼時(shí)的極性交替規(guī)則和平衡度規(guī)則。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 硬軟件測(cè)試

硬件測(cè)試即分別對(duì)各個(gè)模塊輸入相應(yīng)的波形進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果工作均正常。軟件測(cè)試即利用ModelSim10.0 SE對(duì)各個(gè)模塊以及系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真。以下主要對(duì)8B10B編解碼的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。8B10B編碼仿真結(jié)果如圖10所示。8B10B解碼仿真如圖11所示。設(shè)計(jì)中的光纖線路是單向傳輸?shù)模虼私獯a程序并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)誤碼檢測(cè)、極性判斷等功能。解碼電路僅僅是將10 b的編碼信號(hào)通過(guò)映射關(guān)系轉(zhuǎn)換為編碼前的原始信號(hào)。其仿真結(jié)果正確。

4.2 綜合測(cè)試

設(shè)計(jì)最終測(cè)試時(shí)直接將攝像頭接入信號(hào)輸入端，同時(shí)在輸出端顯示攝像頭采集的信號(hào)，如圖12、圖13所示。

由實(shí)際測(cè)試可知，圖像質(zhì)量比較清晰。所設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控傳輸模塊性能良好，可靠性強(qiáng)，可對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 結(jié) 語(yǔ)

論文對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行了探討，通過(guò)多次測(cè)試及目前在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)證明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠性高。該成果的應(yīng)用，克服了現(xiàn)有市場(chǎng)上視頻光纖傳輸封裝性過(guò)強(qiáng)的缺點(diǎn)，使學(xué)生掌握了儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)方法、使用方法、信號(hào)處理過(guò)程及編程實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)封裝設(shè)計(jì)后可用于多種場(chǎng)合的安全監(jiān)控。也可在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)換用大容量的可編程邏輯芯片，與各種不同的接口芯片相連，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)字視頻輸出和用途的光端機(jī)，比如以太網(wǎng)接口的接收機(jī)，VGA數(shù)字視頻接口的接收機(jī)等，具有更廣闊的應(yīng)用空間。

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