無線光高清視頻傳輸系統的設計

王 博，曹明華＊，馬玉昆，張家瑋，李文文

（蘭州理工大學計算機與通信學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

近年來，隨著手機游戲、短視頻等多媒體應用技術的高速發展，用戶對視頻的清晰度和信息的傳輸速率有了更高的要求。因此促進了對視頻高速傳輸技術的研究。無線光通信具有保密性好、傳輸速率高、抗干擾性強等優點[1]，作為短距離高清視頻的傳輸載體具有天然的優越性，因此受到研究者的高度關注。現場可編程邏輯陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA）具有并行處理架構，其高速數據處理能力優于中央處理器（Central Processing Unit， CPU），為快速數據處理提供了新的選擇[2]。FPGA并行數據處理和無線光通信高速率、高帶寬的結合，使短距離高清視頻傳輸成為可能。

1 總系統方案設計

短距離無線光高清視頻傳輸系統的總體方案如圖1所示[3][4]。

圖1 系統組成框圖

系統主要由視頻采集封裝子系統、發射端子系統、天線子系統、接收端子系統、視頻顯示子系統等幾部分組成。其中，天線子系統負責信號光的準直、能量會聚和接收，在提高系統傳輸距離和信噪比方面發揮著重要作用；視頻采集封裝子系統主要負責把攝像頭采集的實時數據信號通過同步動態隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory， SDRAM）封裝在先進先出隊列（First In First Out， FIFO）里面；發射子系統主要是負責驅動激光器產生光載波，實現用戶數據的編碼和電光調制，將用戶數據加載到激光上；接收子系統通過前端的光敏二極管完成光電轉換，再對信號進行放大和解調；視頻顯示子系統通過上位機負責視頻解析及顯示。

1.1 視頻采集

系統采用OV5640圖像傳感器，其感光陣列達到2592×1944，即500W像素，能實現最快90fpsVGA（Video Graphics Array）分辨率的圖像采集[5]。其圖像數據輸出時序如圖2所示。

圖2 OV5640行時序圖

如上圖所示，傳感器在HREF信號為高電平的時候輸出圖像數據，當HREF變成高電平后，每一個PCLK時鐘，都會輸出一個8位或者10位像素數據。

圖3所示為OV5640的幀時序，其中VSYNC信號的上升沿作為一幀的開始，緊接著HREF信號開始變成高電平，此時輸出有效數據，當最后一行圖像數據輸出完成之后，標志一幀數據傳輸結束。

圖3 OV5640 QSXGA幀時序

圖4所示為攝像頭采集模塊在FPGA中生成的RTL（Resistor Transistor Logic）電路，攝像頭采集模塊在像素時鐘的驅動下將圖像傳感器輸出的行同步信號、場同步信號以及8位有效數據轉換成同步動態隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory， SDRAM）讀寫控制模塊的寫使能信號和16位寫數據信號，完成對OV5640傳感器圖像的采集。采集到的圖像信息由SDRAM讀寫緩存模塊進行存儲。SDRAM是一種可以指定任意地址進行讀寫的存儲器，它具有存儲容量大，讀寫速度快的特點[6]。其功能結構如圖5所示。

圖4 攝像頭采集模塊RTL電路圖

圖5 SDRAM的功能結構

由文獻[6]可知SDRAM接收外部輸入的控制命令，并在邏輯控制單元的控制下進行尋址、讀寫、刷新、預充電等操作。內部分為4個L-Bank，行地址為13位，列地址為9位，數據總線位寬為16bit。FIFO模塊作為SDRAM控制器與外界的交互接口，讀FIFO中的數據量小于突發長度時將SDRAM中的數據讀出。

UDP模塊主要包括接收模塊、發送模塊和CRC校驗，把三個模塊封裝成一個，提高了以太網程序的開發效率[7]。在本實驗中以太網接收模塊沒有使用，FIFO模塊直接讀出SDRAM存儲的數據并封裝成以太網包的格式通過MII（Medium Independent Interface）接口傳輸數據，接收和發送時鐘為異步時鐘，使用異步FIFO來同步數據，如圖6所示。

圖6 以太網通信系統框圖

1.2 信號發送模塊

激光發射電路主要由激光器、驅動電路組成，如圖7所示。該系統采用波長為650nm的紅光激光二極管（Laser Diode， LD）作為信號發射源，并且選用美信公司型號為LTN330-A作為準直裝置[8]。

圖7 激光驅動電路

系統選取OPA690作為激光驅動器。由文獻[9]可知OPA690對單位增益穩定有很大作用，電壓反饋運放。用單電源+5V供電，OPA690能驅動一個1V到4V輸出擺動，以及150mA驅動電流，150MHz帶寬。系統的激光發射驅動電路分為穩壓電路、激光調制模塊和外部接口電路三部分組成。放大電路OPA690增益為6dB，擺率為1800V/μs。單位增益帶寬積為500MHz，完全能夠將前級放大電路信號放大3倍，3dB時的帶寬為220MHz。

采用的是鈮酸鋰（LiNbO3）強度調制器對激光進行外部調制，在光通信中數據傳輸速率高達20Gb/s。

1.3 信號的接收模塊

接收模塊主要包括光電探測電路、放大電路、電源模塊和接口電路，如圖8所示。

圖8 接收端電路

雪崩二極管的工作電壓一般在90～180V之間，由于常見的便攜式電源設備輸出電壓主要為5V，為了滿足APD探測器需求，需要對電壓進行升壓處理。因此，采用TPS55340芯片設計了相應的升壓電路。由文獻[10]可知TPS55340是DC/DC開關電源轉換芯片，最高輸出電流能達到3A，最佳轉化效率95%。之后，采用OPA657芯片作為放大器，它具有低噪聲、快速響應和高靈敏度的特點[11]。OPA657內部由結型場效應管輸入級、高增益電壓反饋放大級和輸出級等組成，使其輸入阻抗非常高并且帶負載能力很強。而且結型場效應管輸入幾乎不產生電流噪聲，具有很好的放大性能。最后，通過解調器完成對放大后的信號的解調。

本系統采用差分移相鍵控（Differential Phase Shift Keying， DPSK）解調器對接收放大的信號進行解調，可以實現實時誤碼率優化，能夠輸出完美平衡，多個速率可用，大范圍的反饋移位寄存器（Feedback Shift Register， FSR），可用范圍廣。

2 視頻解析結果

圖像數據采集過程中SignalTap抓取的波形如圖9所示。當img_req拉高之后開始讀取SDRAM控制模塊中的圖像數據，有效數據返回之后如果是返回第一行的數據，則先把圖像幀頭寫入FIFO。FIFO非空之后空信號由高電平變為低電平，此時輸出一個開始發送脈沖信號，并且輸出的有效字節數由1280變成1284。

圖9 SignalTap抓取的波形圖

根據實驗系統設計要求，對程序進行板級驗證，選用千兆以太網線將上位機和FPGA開發板與光通信系統之間連接，然后將OV5640 CSOM攝像頭與開發板連接，并且調試好整個光通信系統，完成對完整程序的全部編譯，由左側編譯流程窗口全部顯示打鉤可以看出工程編譯已經全部通過，右側Flow Summary用來觀察在整個設計中使用FPGA資源的情況。如圖10所示。最后再把完整的程序用軟件Quartus II 15.0燒錄到FPGA開發板中。

圖10 編譯通過（左）FPGA資源利用（右）

打開wireshark網絡分析器，抓取以太網的數據包，其中抓取的數據包為開發板發送的圖像數據，單包發送一行數據為1280個字節，第一行圖像數據加幀頭為1284個字節。雙擊任何一包數據可以查看數據包的詳細數據。如圖11所示為第一個字節數為1284的某數據包，可以看到網絡分析器檢測到了程序中指定的幀頭。

圖11 wireshark抓取以太網的詳細數據

圖12所示為上位機實時接收到攝像頭采集的視頻數據，顯示質量高且沒有明顯拖影現象，說明本系統可以成功傳輸視頻信息。

圖12 視頻實時顯示畫面

3 結束語

通過模塊化設計完成了一種無線激光高清視頻數據傳輸的系統。由于傳輸過程中采用了激光而不需要布設傳輸線路。因此，該系統采用的無線光通信技術可以在很大程度上提高視頻傳輸的速度和靈活性，滿足用戶對無線高清視頻數據傳輸的需求。該技術在高速物聯網應用、應急通信、多媒體游戲等領域具有巨大的應用潛力。