華中光電技術(shù)研究所·武漢國家光電實驗室 雷聲振

?

基于FPGA的數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

華中光電技術(shù)研究所·武漢國家光電實驗室 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，實現(xiàn)了以光纖為媒介傳輸數(shù)字視頻信號的功能。本文設(shè)計的視頻傳輸系統(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，并實現(xiàn)了數(shù)字視頻的遠距離傳輸，抗干擾力強，具有很好的實時操作性。

【關(guān)鍵詞】FPGA；SFP；串/并轉(zhuǎn)換；光纖傳輸

1 引言

近年來，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，并且隨著制作工藝的進步，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)字視頻信號的傳輸。數(shù)字信號傳輸通常分為并行傳輸方式和串行傳輸方式[2]。本設(shè)計采用串行傳輸?shù)姆绞?，通過光發(fā)送板將并行數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成串行信號，由SFP光收發(fā)器將電信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去；再通過光接收板的SFP光收發(fā)器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后還原成并行信號進行后續(xù)處理。此方法所需信道數(shù)目少，傳輸速率高，很適用于遠距離傳輸。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)由光發(fā)送板與光接收板組成，兩塊板子的信號處理系統(tǒng)相互獨立，不會互相干擾，通過光纖將兩塊板子的通信連接起來。器件的選用對整個系統(tǒng)的設(shè)計很是關(guān)鍵，其中器件的傳輸速率是一個值得重視的指標(biāo)。FPGA、串行編碼器、光傳輸模塊的處理速率都關(guān)系著整個系統(tǒng)能否滿足視頻信號的傳輸速率要求，而不在某個單元發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤。另外，供電系統(tǒng)的設(shè)計也是整個系統(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)送板的輸入信號為LVDS并行信號，經(jīng)過FPGA處理系統(tǒng)進行緩存后，再由DS92LV18串行編碼器進行并/串轉(zhuǎn)換。由于SFP光收發(fā)器不能接收LVDS信號，因此先將LVDS信號轉(zhuǎn)換成LVPECL信號，再通過SFP光收發(fā)器將LVPECL信號發(fā)送出去。

光發(fā)送板發(fā)送過來的信號，經(jīng)過光纖的傳輸，到達光接收板的SFP光收發(fā)器，再轉(zhuǎn)換成LVDS信號，通過DS92LV18串行編碼器進行串/并轉(zhuǎn)換，再進入FPGA處理系統(tǒng)進行緩存后，輸出到上位機進行顯示。

3 硬件設(shè)計與實現(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)計的LVDS輸入信號頻率為54MHz，共有17位數(shù)據(jù)。本設(shè)計選用的FPGA是EP2C8T144C8N，它是Cyclone II系列芯片中功耗較低，性價比較高的一款貼片封裝的芯片。它時鐘頻率可達75MHz，具有85個可使用的I/O口，價格也在100元以下，滿足本設(shè)計的需求。

3.2 LVDS信號穩(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，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)輸入信號在閾值范圍內(nèi)浮動時，輸出將不受影響，保持電平穩(wěn)定。LVDS信號在進入FPGA之前，先通過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，能夠滿足本設(shè)計的需要。

圖2 光發(fā)送板的DS92LV18電路

圖3 光發(fā)送板MAX9376信號轉(zhuǎn)換電路

圖4 光發(fā)送板供電電路

通過FPGA控制DS92LV18芯片的TCLK與RCLK信號，分別進行編碼以及解碼功能。在本設(shè)計中，LVDS信號包含14位視頻數(shù)據(jù)信號、系統(tǒng)時鐘信號、場同步時鐘信號以及列同步時鐘信號，進入光發(fā)送板DS92LV18芯片的DIN[0:17]輸入口，經(jīng)過處理后，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)送過來的串行數(shù)據(jù)，到達光接收板，從DS92LV18芯片的RIN+與RIN-口進入，經(jīng)過處理后，以并行數(shù)據(jù)的形式從ROUT[0:17]口輸出。管腳REN低電平時，使接收無效，光接收板將其拉高。管腳DEN低電平時，使發(fā)送無效，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)計如圖2所示。

3.4 LVDS信號與LVPECL信號轉(zhuǎn)換電路

在本設(shè)計中，MAX9376用于進行LVDS信號與LVPECL信號之間的相互轉(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信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖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，抗干擾力強的特點。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，可以滿足設(shè)計的需要。在設(shè)計中，將數(shù)字電源與模擬電源隔離，將數(shù)字地與模擬地進行隔離，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，使用起來非常方便。

RTXM182-626芯片的Tx_Fault引腳用于發(fā)送錯誤自診斷指示。當(dāng)芯片發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時，此引腳電平被拉高。設(shè)計時，光發(fā)送板的此引腳接上一個LED燈，燈亮用于指示芯片發(fā)送錯誤。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-管腳為差分信號接收口，光接收板的SFP模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，從此管腳發(fā)出。RD+與RD-管腳之間用100歐的電阻耦合起來。TD+與TD-管腳為差分信號輸出口，光發(fā)送板的SFP模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號后，從此管腳發(fā)出。TD+與TD-管腳之間用100歐的電阻耦合起來，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

本文根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸中光纖通訊的發(fā)展趨勢，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序，DS92LV18串行編碼器進行串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，RTXM182-626光收發(fā)器通過光纖進行光信號的發(fā)送以及接收。本文設(shè)計的光纖傳輸系統(tǒng)減少了通信線路的冗余，工作性能穩(wěn)定，抗干擾力強，適用于遠程傳輸。

參考文獻

[1]漆燕,王桂瓊.1.25G光纖收發(fā)器SFP設(shè)計與仿真[J].河南:電光與控制,2007,14(3):158-160.

[2]馬向玲,楊輝,王海玲,吳亞男.基于FPGA的多路數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].北京:計算機測量與控制,2011.19(2):363-366.

[3]童鵬,胡以華.DS92LV18在光纖數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計中若干問題的研究[J].廣東:集成電路應(yīng)用,2007:59-62.