智慧社區監控系統16路光端機的硬件電路設計

董曉丹++鄭雪芳++錢宜平

摘要：本文設計的視頻光端機，采用非壓縮數字視頻傳輸方式，由CPLD實現各路信號之間的時分復用和解復用，高速串行/解串器完成正向信號的并串/串并轉換，反向數據的傳輸則借助于波分復用實現。通過一根單模單芯光纖，可以單向傳輸16路標清視頻信號和雙向傳輸兩路控制數據信號，傳輸距離可達40km以上。其多路信號、長距離傳輸的特點，可作為現代智慧社區監控系統的重要組成部分。

關鍵詞：視頻光端機 時分復用 波分復用 串行/解串器 智慧社區

中圖分類號：TN929.11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0179-01

1 引言

近年來，隨著“互聯網+”的提出，智慧社區解決方案逐漸出現并實施。智慧物業屬于智慧社區的典型應用，構建社區周界的視頻監控是安全防范的第一步。視頻監控探頭的部署通常具有“數量多、容量大、距離遠”的難點，設計可傳輸16路視頻信號的光端機，結合光纖傳輸方式具有“頻帶寬、傳輸容量大、損耗低、無中繼傳輸距離遠、不受環境中電磁干擾的影響”等特點，利用單模光纖實現前端到后臺的傳輸，完美解決了難點。

2 總體方案設計

16路數字視頻光端機由發送端和接收端成對組成，通過一根單模光纖連接后就構成了16路視頻信號傳輸系統，如圖1所示。

發送端的任務是：（1）把輸入的16路標清模擬視頻信號經過A/D轉換后，與輸入的兩路反饋數據信號一起采用時分復用的方法構成高速串行數據流，通過光模塊調制在一種波長上發送到光纖中；（2）接收光纖中由接收端發來的調制在另一種波長上的反向低速數據流，經解碼和解復用后得到反向控制信號，通過數據端口輸出，用于連接到攝像機、云臺等視頻信號采集設備。

接收端的任務是：（1）對收到的高速數據流進行解碼和解復用，并將獲取的信號經D/A轉換后恢復成16路模擬視頻信號輸出，用于連接到監視器或視頻信號存儲設備；（2）把從高速數據流中提取的反饋數據信號送數據端口輸出，同時把從數據端口輸入的兩路控制信號經編碼和復用后構成反向低速數據流，再經光模塊調制后發送到光纖中，從而實現與數據端口連接的控制設備對視頻信號采集設備的遠程控制。

3 發送端的方案設計

發送端首先要對輸入的模擬視頻信號進行數字化，但在做A/D轉換之前，有必要對輸入信號先進行濾波、緩沖放大等處理，作用如下：（1）濾除帶外的高頻噪聲，提高A/D轉換后的信噪比；（2）使信號電壓幅度滿足并盡可能的充滿A/D轉換器的電壓輸入范圍，從而提高A/D轉換結果的精度；（3）使因為交流耦合輸入而失去直流分量的視頻信號恢復直流分量，確保經過傳輸后在接收端實現正確同步。

每一路視頻信號經A/D轉換后的串行數據速率至少為12M×8bits=96Mbps，則16路視頻信號的串行數據速率至少為96×16=1536Mbps，另外，數據流中還要加入兩路反饋數據和同步信號，因此，串行/解串器和光收發模塊的傳輸速率必須在1.6Gbps以上；并行數據的位數將影響CPLD對數據進行時分復用和解復用時控制軟件的復雜程度以及對CPLD內部資源和I/O口的需求。方案選用傳輸速率為1.0～2.5Gbps的18位串行/解串器TLK2521來完成高速數據的并串/串并轉換工作。

可編程邏輯器件是本設備的核心器件，在發送端完成的主要任務有：（1）16路視頻信號和兩路數據信號的時分復用和擾碼操作；（2）對外部輸入的時鐘信號進行適當處理，為AD9201、TLK2521等芯片提供時鐘和控制信號；（3）對接收到的反向數據進行解復用；（4）根據信號狀態控制各路視頻信號、數據信號和光鏈路的LED指示燈。選用性價比較高的Altera公司的MAX V產品系列中的5M570ZT144作為光端機的控制核心。

此外，發送端需要用到的主要器件還包括RS-485收發器件、收發一體化的光模塊、有源晶體振蕩器等。整個系統的供電由外部的+5V電源模組提供，但由于系統內部的各種器件需要用到的電源電壓還有+3.3V、+2.5V和+1.8V，因此，在系統中使用了LM1117系列LDO器件來產生+3.3V、+2.5V和+1.8V。

綜上所述，發送端的框圖如圖2所示。

4 接收端的方案設計

與發送端相比，接收端的功能是對數據和信號做相反的處理，其中的主要器件，如CPLD、串行器/解串器、有源晶體振蕩器、RS-485收發器和電源電壓調整器件等，選用了和發送端相同的器件，光模塊則必須選用與發送端配對的收發一體化光模塊，D/A轉換器選用了與AD9201配對的器件AD9761。由于AD9761為電流輸出型D/A轉換器，因此，在視頻信號的輸出端也使用了三通道集成視頻緩沖器THS7314，其主要作用是將AD9761輸出的電流信號轉換為電壓信號并進行放大，使得輸出的視頻信號在連接75Ω負載時為標準幅度1Vp-p，同時也提升了視頻輸出信號的負載驅動能力。接收端的框圖如圖3所示。

5 結語

結合智慧社區監控系統的需求分析，選取了合適的器件組成16路視頻光端機系統，并詳細設計了發送端和接收端的硬件電路，完成了產品硬件部分的研制工作，該機芯配合相應的控制軟件，經過小批量試生產和現場應用測試及性能改善后，完全達到設計要求，已實現規模量產。

參考文獻

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