基于FPGA的發射機數據穩定傳輸系統設計

康 博

（國家廣播電視總局二〇二二臺，新疆 喀什 844000）

0 引 言

傳統的發射機數據傳輸系統大多利用I/O查詢或單片機中斷系統控制整個系統，但這兩種方法在數據傳輸時都需要CPU干預，其處理速度較慢、誤碼率較高，難以滿足多通道、大量的數據傳輸[1,2]。因此，本文設計基于FPGA的發射機數據穩定傳輸系統，提高數據傳輸速率，降低誤碼率。對于發射機的數據傳輸系統來說，加入FPGA可保證數據傳輸的穩定性[3,4]。

1 基于FPGA的發射機數據穩定傳輸系統硬件設計

本系統的硬件設計主要包括發送數據設備和接收數據設備，這兩種設備都具有視頻、音頻及數據處理的功能，其中FPGA是實現這些功能的核心。

1.1 微控制器FPGA

核心控制程序采用的微控制器包括MCU、DSP以及FPGA，其中MCU的特點是主頻較低、數據處理能力不高以及接口資源非常有限。DSP有很強的數據處理能力，主頻相比其余處理器較高，但芯片價格也較高，接口可用資源較少。本文系統采用FPGA實現對系統的控制，FPGA器件采用的芯片性價比很高，共有4 608個邏輯單元，內嵌RAM的內存為119 808 bits，包含兩個PLL通道和58個差分通道，可供系統靈活設計[5-7]。

利用FPGA可實現接收和發送光信號。光纖的收發程序接收到光信號后，會傳送給FPGA模塊，FPGA將其還原為模擬視頻、音頻或數據信號以顯示現場狀況，并根據現場狀況分析，最后使用光纖把控制指令發送回現場。除此之外，控制室的管理人員還可通過MIC鍵盤將數據和語音信號傳給FPGA處理。

目前，系統的數據電平轉換設備大多使用RS232和RS485型號轉換器傳輸數據。前者的傳輸速率可達到250 kb/s，且消耗能量低、工作速率高，能更好地進行ESD保護。后者可實現500 kb/s的高速傳輸數據。二者的電路結構簡單，使用非常方便。

以上設備相結合能滿足基于FPGA的發射機數據穩定傳輸系統中硬件設計的需要，為高速遠距離傳遞信號的實現提供基礎。

1.2 視頻緩沖放大器及轉換芯片的設計

硬件設計中除微控制器外，還包含視頻緩沖放大器的設計。傳統視頻設備所傳輸的數據容易被識別。本文采用的視頻緩沖器可優化接收到的視頻信號，空間占用小，具有更優質的性能[8]。并且在DAC影像運行時，放大器可自動停止緩沖，提高視頻信號的清晰度。

A/D轉換芯片能夠收集數據，其質量直接影響采集的視頻和音頻。發射機轉換視頻的A/D轉換芯片需要方便控制視頻信號，如果使用標準的采樣時鐘，信號就是當時的數字化視頻流，接收信號的終端就能收到高清晰度的視頻圖像[9]。

音頻的轉換芯片種類繁多，各有其長。要選擇性能高、耗能低、適配性好以及有斷開功能的芯片。此次選用的音頻芯片不僅占用PCB面積低于25 mm2，且能在小功率工作條件下提高錄放音的保真程度。

D/A轉換器可在設備收到信息后對信息進行取逆處理，還原視頻音頻信號。D/A轉換器要與發送信號的A/D程序相對應，在轉換時間、線性程度、轉換精度、分辨率大小以及適宜溫度等方面高度契合。TLC5602芯片能夠滿足系統設計需要，在使用時控制方便，與FPGA的數字接口契合，本文將其應用在接收設備上還原信號[10]。音頻的D/A轉換一并由TI公司TLU320AIC23芯片來完成。

硬件設計中，串并、并串轉換程序上的芯片可對信號進行編碼和解碼，把差分的串行傳給至光程序，使信號的傳輸準確有效。本文選用的收發芯片是+3.3 V直流電源供電，傳輸時鐘頻率為10～66 MHz，能把串行的信號傳輸給光程序，完成數據傳輸。

2 基于FPGA的發射機數據穩定傳輸系統軟件設計

系統的軟件設計是利用神經網絡和粒子群算法實現。要想達到數據傳輸效果最優，需要把數據傳輸的損失量降到最低。考慮到數據在緩存時存在延時，綜合實際情況得到代價函數為：

式中，α(tk)、βi(tk)、γ(tk)以及λ(tk)分別表示各影響因素的權重；u代表數據傳輸過程的損失量；Ri(tk)表示緩存延時；L(tk)表示數據傳輸時間。

想要獲得最優的傳輸效果，需要讓J(u)變小，但是由于J(u)是非連續的非線性函數，因此不能使用常規方法優化，且函數的自變量維數很高，計算量較大。因此需要找到簡單的運算方法來提高計算速度，以保證在規定的時間內找到次優解。神經網絡有很好的非線性映射性，繪制出兩層的前饋神經網絡如圖1所示。

圖1 多層前饋神經網絡

采用圖1所示系統的各狀態變量來作為輸入，輸出看作是式（1）中所要求的u，則其映射可表示為：

式中，N表示數據交換節點；(W,p)表示節點在網絡中的坐標。

粒子群算法是一種通過概率找到最優的算法，對目標函數的要求不高，很合適存在高維變量的問題。本文選用經過改良的粒子群優化算法可實現輸出尋優，迭代所需次數后，求得次優解。

3 實驗分析

為驗證本文設計系統具有更好的傳輸性能，設計在相同傳輸距離下，統計本文系統和傳統系統傳輸的誤碼率。在傳輸不同接收光功率情況下，兩系統的傳輸誤碼率情況如表1所示。

表1 誤碼率性能比較

從表1中的對比結果可以看出，當傳輸距離相等時，本文系統的誤碼率比傳統系統的誤碼率低，說明本文系統的性能得到提升，也驗證了本文系統在改善誤碼率方面具有一定效果。

4 結 論

本文闡述系統的總體構思及軟件設計和硬件設計方案。硬件的研發上主要研究了硬件的組成、選擇電路以及可實現的功能，著重介紹FPFA光纖傳輸過程的實現及其余設備的運行情況。在軟件方面采用粒子群算法降低數據傳輸的誤碼率。經實驗表明，本文系統的誤碼率遠低于傳統系統，具有應用價值。