華中光電技術(shù)研究所·武漢國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室 雷聲振

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基于FPGA的數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

華中光電技術(shù)研究所·武漢國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室 雷聲振

【摘要】提出了數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，分析了SFP光收發(fā)器在光發(fā)送板與光接收板中的應(yīng)用性能，實(shí)現(xiàn)了以光纖為媒介傳輸數(shù)字視頻信號(hào)的功能。本文設(shè)計(jì)的視頻傳輸系統(tǒng)方案，很好的提高了光發(fā)送板與光接收板在復(fù)雜環(huán)境下的隔離作用，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字視頻的遠(yuǎn)距離傳輸，抗干擾力強(qiáng)，具有很好的實(shí)時(shí)操作性。

【關(guān)鍵詞】FPGA；SFP；串/并轉(zhuǎn)換；光纖傳輸

1 引言

近年來(lái)，隨著光纖通信行業(yè)的迅速發(fā)展，SFP光收發(fā)器被廣泛應(yīng)用在各種光通信系統(tǒng)中。SFP光收發(fā)器具有可熱插拔、體積小、傳輸速率高等特點(diǎn)，并且隨著制作工藝的進(jìn)步，性能也日漸完善[1]。由于光纖的低損耗、寬頻帶等特性，非常有利于數(shù)字視頻信號(hào)的傳輸。數(shù)字信號(hào)傳輸通常分為并行傳輸方式和串行傳輸方式[2]。本設(shè)計(jì)采用串行傳輸?shù)姆绞?，通過(guò)光發(fā)送板將并行數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，由SFP光收發(fā)器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)送出去；再通過(guò)光接收板的SFP光收發(fā)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后還原成并行信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。此方法所需信道數(shù)目少，傳輸速率高，很適用于遠(yuǎn)距離傳輸。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由光發(fā)送板與光接收板組成，兩塊板子的信號(hào)處理系統(tǒng)相互獨(dú)立，不會(huì)互相干擾，通過(guò)光纖將兩塊板子的通信連接起來(lái)。器件的選用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很是關(guān)鍵，其中器件的傳輸速率是一個(gè)值得重視的指標(biāo)。FPGA、串行編碼器、光傳輸模塊的處理速率都關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)能否滿(mǎn)足視頻信號(hào)的傳輸速率要求，而不在某個(gè)單元發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。另外，供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。傳輸系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傳輸系統(tǒng)整體框架圖

光發(fā)送板的輸入信號(hào)為L(zhǎng)VDS并行信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA處理系統(tǒng)進(jìn)行緩存后，再由DS92LV18串行編碼器進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換。由于SFP光收發(fā)器不能接收LVDS信號(hào)，因此先將LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVPECL信號(hào)，再通過(guò)SFP光收發(fā)器將LVPECL信號(hào)發(fā)送出去。

光發(fā)送板發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖的傳輸，到達(dá)光接收板的SFP光收發(fā)器，再轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)，通過(guò)DS92LV18串行編碼器進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，再進(jìn)入FPGA處理系統(tǒng)進(jìn)行緩存后，輸出到上位機(jī)進(jìn)行顯示。

3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件部分主要有邏輯控制單元、串并轉(zhuǎn)換單元、光收發(fā)單元組成。

3.1 FPGA器件的選擇

FPGA主要用以緩存視頻數(shù)據(jù)，以及控制串行編碼器的工作方式。FPGA的選型主要從I/O口支持的最大傳輸速率、管腳數(shù)量、功耗大小以及價(jià)格成本等方面考慮。在選擇FPGA之前，需要了解自己的需求。本設(shè)計(jì)的LVDS輸入信號(hào)頻率為54MHz，共有17位數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選用的FPGA是EP2C8T144C8N，它是Cyclone II系列芯片中功耗較低，性?xún)r(jià)比較高的一款貼片封裝的芯片。它時(shí)鐘頻率可達(dá)75MHz，具有85個(gè)可使用的I/O口，價(jià)格也在100元以下，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

3.2 LVDS信號(hào)穩(wěn)定電路

LVDS是用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌跇?biāo)準(zhǔn)，具有高速率、低功耗、電磁干擾低以及可靠性高的特點(diǎn)，可確保千兆位以上的數(shù)據(jù)傳輸[3]。SN74LVC3G17是一種三路施密特觸發(fā)器緩沖器，當(dāng)輸入信號(hào)在閾值范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí)，輸出將不受影響，保持電平穩(wěn)定。LVDS信號(hào)在進(jìn)入FPGA之前，先通過(guò)SN74LVC3G17芯片，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

3.3 串/并轉(zhuǎn)換與并/串轉(zhuǎn)換電路

DS92LV18串行編碼器具有18位數(shù)據(jù)接口，能夠進(jìn)行串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。芯片供電電壓為3.3V。它支持15M至66M的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。

圖2 光發(fā)送板的DS92LV18電路

圖3 光發(fā)送板MAX9376信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

圖4 光發(fā)送板供電電路

通過(guò)FPGA控制DS92LV18芯片的TCLK與RCLK信號(hào)，分別進(jìn)行編碼以及解碼功能。在本設(shè)計(jì)中，LVDS信號(hào)包含14位視頻數(shù)據(jù)信號(hào)、系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)、場(chǎng)同步時(shí)鐘信號(hào)以及列同步時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)入光發(fā)送板DS92LV18芯片的DIN[0:17]輸入口，經(jīng)過(guò)處理后，以串行差分?jǐn)?shù)據(jù)的形式從DS92LV18芯片的DO+和DO-口輸出。同樣，光發(fā)送板發(fā)送過(guò)來(lái)的串行數(shù)據(jù)，到達(dá)光接收板，從DS92LV18芯片的RIN+與RIN-口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)處理后，以并行數(shù)據(jù)的形式從ROUT[0:17]口輸出。管腳REN低電平時(shí)，使接收無(wú)效，光接收板將其拉高。管腳DEN低電平時(shí)，使發(fā)送無(wú)效，光發(fā)送板將其拉高。光發(fā)送板的DS92LV18串行編碼器的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.4 LVDS信號(hào)與LVPECL信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

在本設(shè)計(jì)中，MAX9376用于進(jìn)行LVDS信號(hào)與LVPECL信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。MAX9376能夠保證2GHz的轉(zhuǎn)換頻率，供電電壓為3.3V。光發(fā)送板的MAX9376信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.5 系統(tǒng)電源電路

TPS70445PWP用于提供系統(tǒng)所需的3.3V與1.2V電壓，它具有低噪聲，抗干擾力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于DS92LV18芯片的功耗比較大，需要提供比較大的電流。選用的TPS70445PWP芯片能夠提供2A的電流，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要。在設(shè)計(jì)中，將數(shù)字電源與模擬電源隔離，將數(shù)字地與模擬地進(jìn)行隔離，防止相互之間的干擾。光發(fā)送板的TPS70445PWP供電電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.6 光收發(fā)電路

RTXM182-626是一款1.25Gb/s的雙向SFP收發(fā)器，供電電壓為3.3V，插拔式封裝，并且具有自診斷功能，使用起來(lái)非常方便。

RTXM182-626芯片的Tx_Fault引腳用于發(fā)送錯(cuò)誤自診斷指示。當(dāng)芯片發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，此引腳電平被拉高。設(shè)計(jì)時(shí)，光發(fā)送板的此引腳接上一個(gè)LED燈，燈亮用于指示芯片發(fā)送錯(cuò)誤。LOS管腳用于接收丟失診斷，如果接收模塊丟失數(shù)據(jù)，則此管腳電平拉高。LOS管腳用于光接收板，將其接上LED燈，燈亮指示接收錯(cuò)誤。Tx_Disable引腳高電平用于屏蔽發(fā)送功能，因此發(fā)送板將此管腳接地，接收板將其拉高。RD+與RD-管腳為差分信號(hào)接收口，光接收板的SFP模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，從此管腳發(fā)出。RD+與RD-管腳之間用100歐的電阻耦合起來(lái)。TD+與TD-管腳為差分信號(hào)輸出口，光發(fā)送板的SFP模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，從此管腳發(fā)出。TD+與TD-管腳之間用100歐的電阻耦合起來(lái)，由于模塊內(nèi)已將其耦合，因此在主板上不用再耦合。光發(fā)送板的SFP收發(fā)器電路如圖5所示。

圖5 光發(fā)送板SFP收發(fā)器電路

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸中光纖通訊的發(fā)展趨勢(shì)，考慮了數(shù)據(jù)的傳輸速率，以及數(shù)字視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)由光發(fā)送板與光接收板組成，使用FPGA控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序，DS92LV18串行編碼器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，RTXM182-626光收發(fā)器通過(guò)光纖進(jìn)行光信號(hào)的發(fā)送以及接收。本文設(shè)計(jì)的光纖傳輸系統(tǒng)減少了通信線路的冗余，工作性能穩(wěn)定，抗干擾力強(qiáng)，適用于遠(yuǎn)程傳輸。

參考文獻(xiàn)

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