基于CPLD的異步ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接光傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]基于CPLD的異步ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接光傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)使用了最新的ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接/分接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的時(shí)分復(fù)用傳輸，替代了以往以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的多路異步信號(hào)傳輸模式，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步提高。
引言
近年來，隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電視技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)高質(zhì)量電視圖像的需求不斷提高，我國廣播電視事業(yè)日新月異、迅猛發(fā)展。四年前開通的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播，目前已形成相當(dāng)規(guī)模。數(shù)字?jǐn)z錄、數(shù)字特技、非線性編輯系統(tǒng)、虛擬演播室、數(shù)字轉(zhuǎn)播車、網(wǎng)絡(luò)硬盤陣列以及機(jī)械手?jǐn)?shù)字播放系統(tǒng)等設(shè)備，已陸續(xù)進(jìn)入中央電視臺(tái)和各省市級(jí)電視臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)高清晰度數(shù)字電視SDTV/HDTV已列為國家重大科研產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目，試驗(yàn)播出已在中央廣播電視塔上進(jìn)行。目前，我國數(shù)字電視節(jié)目制作和數(shù)字電視地面廣播已在緊鑼密鼓地推進(jìn)，而“十一五”將是我國數(shù)字電視整體平移的準(zhǔn)備期，是廣播電視系統(tǒng)從模擬向數(shù)字化過渡的重要階段。
本設(shè)計(jì)正是為應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，并為滿足市場(chǎng)對(duì)于多路ASI/SDI數(shù)字視頻信號(hào)光傳輸設(shè)備的巨大需求而設(shè)計(jì)的。它是通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)在一根光纖中同時(shí)傳輸兩路ASI/SDI數(shù)字視頻信號(hào)的光傳輸設(shè)備，該項(xiàng)設(shè)計(jì)可為今后開發(fā)更多路更高速的異步數(shù)字信號(hào)光傳輸設(shè)備打好基礎(chǔ)。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
該ASI/SDI信號(hào)光傳輸設(shè)備的工作原理見圖1。
圖1 系統(tǒng)原理圖
由圖1可知，ASI/SDI串行信號(hào)通過均衡電路后得到整形，轉(zhuǎn)變成為一組差分信號(hào)；再經(jīng)過時(shí)鐘恢復(fù)電路將信號(hào)中的時(shí)鐘提取出來，以便在接下來的解碼和同步信號(hào)時(shí)使用；再通過解碼電路后，串行的高速信號(hào)轉(zhuǎn)變成并行的低速信號(hào)，為接下來的電復(fù)接過程做好準(zhǔn)備；最后通過FIFO電路的調(diào)整實(shí)現(xiàn)異步信號(hào)跟本地的電復(fù)接時(shí)鐘同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本地的電復(fù)接；再通過光模塊電/光轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)绞斩耍斩耸盏叫盘?hào)后經(jīng)過一系列逆向變換電路后，恢復(fù)出原始的ASI/SDI串行信號(hào)，完成整個(gè)傳輸過程。
本設(shè)計(jì)中ASI/SDI信號(hào)的電復(fù)接技術(shù)是整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。由于項(xiàng)目中需電復(fù)接的ASI/SDI信號(hào)速率很高，標(biāo)準(zhǔn)速率達(dá)到270Mbit/s，并且不是同源的信號(hào)復(fù)接，所以直接對(duì)該信號(hào)電復(fù)接很困難且不經(jīng)濟(jì)，需要先恢復(fù)出各個(gè)信號(hào)的時(shí)鐘，把高速串行信號(hào)變換成低速并行信號(hào)，然后再通過FIFO芯片電路來調(diào)整各個(gè)信號(hào)的時(shí)鐘步伐，實(shí)現(xiàn)跟本地的時(shí)鐘同步，然后再通過可編程芯片進(jìn)行兩路電信號(hào)復(fù)接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用傳輸。只有經(jīng)過這一系列的信號(hào)處理過程后，在接收端才可以實(shí)現(xiàn)順利的解復(fù)接過程，這也是該設(shè)計(jì)的主要技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)。
另外，電復(fù)接的鎖定也是一個(gè)問題。信號(hào)路數(shù)越多，速率越高，越難鎖定，對(duì)PCB板的排版技術(shù)要求較高。通過對(duì)各個(gè)元器件的合理放置和科學(xué)的濾除雜波等各項(xiàng)處理，這個(gè)問題可以得到很好的解決。
硬件電路
在該設(shè)計(jì)中，主要使用的是美國國家半導(dǎo)體公司最新推出的功能強(qiáng)大且性能穩(wěn)定的數(shù)字視頻芯片組。其中解碼及串/并轉(zhuǎn)換芯片選用CLC011；編碼及并/串轉(zhuǎn)換芯片選用CLC020；時(shí)鐘恢復(fù)芯片選用LMH0046；自適應(yīng)電纜均衡芯片選用CLC014；CPLD芯片采用LATTICE公司的LC4256V；FIFO芯片采用IDT公司的IDT72V2105。
均衡部分電路處理過程如圖2所示。由圖2可知單端輸入的ASI/SDI串行信號(hào)通過均衡電路后得到整形，轉(zhuǎn)變成一組差分信號(hào)，為接下來的時(shí)鐘恢復(fù)過程作好了準(zhǔn)備。通過均衡電路以后，信號(hào)質(zhì)量大大提高，輸入輸出信號(hào)波形比較如圖3。
圖2 均衡部分電路處理過程
圖3 均衡電路波形比較
時(shí)鐘恢復(fù)部分電路處理過程由圖4所示。通過圖4可以看到，正確地設(shè)置好芯片的工作模式，由本地提供一個(gè)27M的時(shí)鐘供時(shí)鐘恢復(fù)芯片使用，將均衡后的高速差分信號(hào)輸入到芯片中，通過芯片處理后恢復(fù)出串行信號(hào)之中的時(shí)鐘信號(hào)，以便下面解碼部分電路使用。同時(shí)，該芯片也可支持高清信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)功能。
圖4 時(shí)鐘恢復(fù)部分電路處理過程
解碼部分電路處理過程由圖5所示。通過圖5可以看到，由時(shí)鐘恢復(fù)芯片恢復(fù)出來的串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)輸入到解碼芯片，通過串/并轉(zhuǎn)換后輸出10位并行數(shù)據(jù)和27M的并行時(shí)鐘，以備下面FIFO電路的時(shí)鐘調(diào)整使用。具體各個(gè)工作模式下信號(hào)的時(shí)序圖見圖6。
圖5 解碼部分電路處理過程
圖6 各模式信號(hào)時(shí)序圖
FIFO部分電路處理過程如圖7所示。其中讀時(shí)鐘使用編碼電路恢復(fù)出來的27M并行時(shí)鐘，寫時(shí)鐘使用本地的27M時(shí)鐘，通過調(diào)整實(shí)現(xiàn)經(jīng)過FIFO的10位并行信號(hào)與本地時(shí)鐘同步，為接下來輸入到CPLD進(jìn)行電復(fù)接做好準(zhǔn)備。CPLD的電復(fù)接部分程序如下，其中2BP-S為復(fù)接程序，2BS-P為解復(fù)接程序。
圖7 FIFO部分電路處理過程
architecture SCHEMATIC of 2BP-S is
SIGNAL gnd : std_logic := '0';
SIGNAL vcc : std_logic := '1';
signal N_25 : std_logic;
signal N_12 : std_logic;
signal N_13 : std_logic;
signal N_15 : std_logic;
signal N_16 : std_logic;
signal N_17 : std_logic;
signal N_21 : std_logic;
signal N_22 : std_logic;
signal N_23 : std_logic;
signal N_24 : std_logic;
begin
I30 : G_D Port Map ( CLK=>N_25, D=>N_13, Q=>N_22 );
I29 : G_D Port Map ( CLK=>N_25, D=>N_16, Q=>N_23 );
I34 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_22, O=>Q0 );
I33 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_23, O=>Q1 );
I2 : G_INPUT Port Map ( I=>CLK, O=>N_25 );
I7 : G_INPUT Port Map ( I=>A, O=>N_12 );
I8 : G_INPUT Port Map ( I=>LD, O=>N_21 );
I6 : G_INPUT Port Map ( I=>B, O=>N_15 );
I12 : G_2OR Port Map ( A=>N_17, B=>N_24, Y=>N_16 );
I16 : G_2AND1 Port Map ( AN=>N_21, B=>N_22, Y=>N_24 );
I21 : G_2AND Port Map ( A=>N_21, B=>N_12, Y=>N_13 );
I20 : G_2AND Port Map ( A=>N_21, B=>N_15, Y=>N_17 );
end SCHEMATIC;
architecture SCHEMATIC of 2BS-P is
SIGNAL gnd : std_logic := '0';
SIGNAL vcc : std_logic := '1';
signal N_5 : std_logic;
signal N_1 : std_logic;
signal N_3 : std_logic;
signal N_4 : std_logic;
begin
I8 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_4, O=>Q0 );
I1 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_5, O=>Q1 );
I2 : G_INPUT Port Map ( I=>CLK, O=>N_3 );
I3 : G_INPUT Port Map ( I=>SIN, O=>N_1 );
I7 : G_D Port Map ( CLK=>N_3, D=>N_4, Q=>N_5 );
I4 : G_D Port Map ( CLK=>N_3, D=>N_1, Q=>N_4 );
end SCHEMATIC;
編碼部分電路處理過程如圖8所示。收端光模塊收到數(shù)據(jù)后，通過CPLD的解復(fù)接程序恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘，再通過編碼芯片電路恢復(fù)出原始的高速串行信號(hào)，經(jīng)過電纜驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)后最終由傳輸設(shè)備輸出，完成整個(gè)傳輸過程。其中，編碼電路部分的信號(hào)時(shí)序如圖9所示。
圖8 編碼部分電路處理過程
圖9 編碼電路信號(hào)時(shí)序圖
結(jié)束語
基于CPLD的異步ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接光傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)使用了最新的ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接/分接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的時(shí)分復(fù)用傳輸，替代了以往以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的多路異步信號(hào)傳輸模式，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步提高。
近年來，隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電視技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)高質(zhì)量電視圖像的需求不斷提高，我國廣播電視事業(yè)日新月異、迅猛發(fā)展。四年前開通的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播，目前已形成相當(dāng)規(guī)模。數(shù)字?jǐn)z錄、數(shù)字特技、非線性編輯系統(tǒng)、虛擬演播室、數(shù)字轉(zhuǎn)播車、網(wǎng)絡(luò)硬盤陣列以及機(jī)械手?jǐn)?shù)字播放系統(tǒng)等設(shè)備，已陸續(xù)進(jìn)入中央電視臺(tái)和各省市級(jí)電視臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)高清晰度數(shù)字電視SDTV/HDTV已列為國家重大科研產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目，試驗(yàn)播出已在中央廣播電視塔上進(jìn)行。目前，我國數(shù)字電視節(jié)目制作和數(shù)字電視地面廣播已在緊鑼密鼓地推進(jìn)，而“十一五”將是我國數(shù)字電視整體平移的準(zhǔn)備期，是廣播電視系統(tǒng)從模擬向數(shù)字化過渡的重要階段。
本設(shè)計(jì)正是為應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，并為滿足市場(chǎng)對(duì)于多路ASI/SDI數(shù)字視頻信號(hào)光傳輸設(shè)備的巨大需求而設(shè)計(jì)的。它是通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)在一根光纖中同時(shí)傳輸兩路ASI/SDI數(shù)字視頻信號(hào)的光傳輸設(shè)備，該項(xiàng)設(shè)計(jì)可為今后開發(fā)更多路更高速的異步數(shù)字信號(hào)光傳輸設(shè)備打好基礎(chǔ)。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
該ASI/SDI信號(hào)光傳輸設(shè)備的工作原理見圖1。
圖1 系統(tǒng)原理圖
由圖1可知，ASI/SDI串行信號(hào)通過均衡電路后得到整形，轉(zhuǎn)變成為一組差分信號(hào)；再經(jīng)過時(shí)鐘恢復(fù)電路將信號(hào)中的時(shí)鐘提取出來，以便在接下來的解碼和同步信號(hào)時(shí)使用；再通過解碼電路后，串行的高速信號(hào)轉(zhuǎn)變成并行的低速信號(hào)，為接下來的電復(fù)接過程做好準(zhǔn)備；最后通過FIFO電路的調(diào)整實(shí)現(xiàn)異步信號(hào)跟本地的電復(fù)接時(shí)鐘同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本地的電復(fù)接；再通過光模塊電/光轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)绞斩耍斩耸盏叫盘?hào)后經(jīng)過一系列逆向變換電路后，恢復(fù)出原始的ASI/SDI串行信號(hào)，完成整個(gè)傳輸過程。
本設(shè)計(jì)中ASI/SDI信號(hào)的電復(fù)接技術(shù)是整個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。由于項(xiàng)目中需電復(fù)接的ASI/SDI信號(hào)速率很高，標(biāo)準(zhǔn)速率達(dá)到270Mbit/s，并且不是同源的信號(hào)復(fù)接，所以直接對(duì)該信號(hào)電復(fù)接很困難且不經(jīng)濟(jì)，需要先恢復(fù)出各個(gè)信號(hào)的時(shí)鐘，把高速串行信號(hào)變換成低速并行信號(hào)，然后再通過FIFO芯片電路來調(diào)整各個(gè)信號(hào)的時(shí)鐘步伐，實(shí)現(xiàn)跟本地的時(shí)鐘同步，然后再通過可編程芯片進(jìn)行兩路電信號(hào)復(fù)接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用傳輸。只有經(jīng)過這一系列的信號(hào)處理過程后，在接收端才可以實(shí)現(xiàn)順利的解復(fù)接過程，這也是該設(shè)計(jì)的主要技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)。
另外，電復(fù)接的鎖定也是一個(gè)問題。信號(hào)路數(shù)越多，速率越高，越難鎖定，對(duì)PCB板的排版技術(shù)要求較高。通過對(duì)各個(gè)元器件的合理放置和科學(xué)的濾除雜波等各項(xiàng)處理，這個(gè)問題可以得到很好的解決。
硬件電路
在該設(shè)計(jì)中，主要使用的是美國國家半導(dǎo)體公司最新推出的功能強(qiáng)大且性能穩(wěn)定的數(shù)字視頻芯片組。其中解碼及串/并轉(zhuǎn)換芯片選用CLC011；編碼及并/串轉(zhuǎn)換芯片選用CLC020；時(shí)鐘恢復(fù)芯片選用LMH0046；自適應(yīng)電纜均衡芯片選用CLC014；CPLD芯片采用LATTICE公司的LC4256V；FIFO芯片采用IDT公司的IDT72V2105。
均衡部分電路處理過程如圖2所示。由圖2可知單端輸入的ASI/SDI串行信號(hào)通過均衡電路后得到整形，轉(zhuǎn)變成一組差分信號(hào)，為接下來的時(shí)鐘恢復(fù)過程作好了準(zhǔn)備。通過均衡電路以后，信號(hào)質(zhì)量大大提高，輸入輸出信號(hào)波形比較如圖3。
圖2 均衡部分電路處理過程
圖3 均衡電路波形比較
時(shí)鐘恢復(fù)部分電路處理過程由圖4所示。通過圖4可以看到，正確地設(shè)置好芯片的工作模式，由本地提供一個(gè)27M的時(shí)鐘供時(shí)鐘恢復(fù)芯片使用，將均衡后的高速差分信號(hào)輸入到芯片中，通過芯片處理后恢復(fù)出串行信號(hào)之中的時(shí)鐘信號(hào)，以便下面解碼部分電路使用。同時(shí)，該芯片也可支持高清信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)功能。
圖4 時(shí)鐘恢復(fù)部分電路處理過程
解碼部分電路處理過程由圖5所示。通過圖5可以看到，由時(shí)鐘恢復(fù)芯片恢復(fù)出來的串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)輸入到解碼芯片，通過串/并轉(zhuǎn)換后輸出10位并行數(shù)據(jù)和27M的并行時(shí)鐘，以備下面FIFO電路的時(shí)鐘調(diào)整使用。具體各個(gè)工作模式下信號(hào)的時(shí)序圖見圖6。
圖5 解碼部分電路處理過程
圖6 各模式信號(hào)時(shí)序圖
FIFO部分電路處理過程如圖7所示。其中讀時(shí)鐘使用編碼電路恢復(fù)出來的27M并行時(shí)鐘，寫時(shí)鐘使用本地的27M時(shí)鐘，通過調(diào)整實(shí)現(xiàn)經(jīng)過FIFO的10位并行信號(hào)與本地時(shí)鐘同步，為接下來輸入到CPLD進(jìn)行電復(fù)接做好準(zhǔn)備。CPLD的電復(fù)接部分程序如下，其中2BP-S為復(fù)接程序，2BS-P為解復(fù)接程序。
圖7 FIFO部分電路處理過程
architecture SCHEMATIC of 2BP-S is
SIGNAL gnd : std_logic := '0';
SIGNAL vcc : std_logic := '1';
signal N_25 : std_logic;
signal N_12 : std_logic;
signal N_13 : std_logic;
signal N_15 : std_logic;
signal N_16 : std_logic;
signal N_17 : std_logic;
signal N_21 : std_logic;
signal N_22 : std_logic;
signal N_23 : std_logic;
signal N_24 : std_logic;
begin
I30 : G_D Port Map ( CLK=>N_25, D=>N_13, Q=>N_22 );
I29 : G_D Port Map ( CLK=>N_25, D=>N_16, Q=>N_23 );
I34 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_22, O=>Q0 );
I33 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_23, O=>Q1 );
I2 : G_INPUT Port Map ( I=>CLK, O=>N_25 );
I7 : G_INPUT Port Map ( I=>A, O=>N_12 );
I8 : G_INPUT Port Map ( I=>LD, O=>N_21 );
I6 : G_INPUT Port Map ( I=>B, O=>N_15 );
I12 : G_2OR Port Map ( A=>N_17, B=>N_24, Y=>N_16 );
I16 : G_2AND1 Port Map ( AN=>N_21, B=>N_22, Y=>N_24 );
I21 : G_2AND Port Map ( A=>N_21, B=>N_12, Y=>N_13 );
I20 : G_2AND Port Map ( A=>N_21, B=>N_15, Y=>N_17 );
end SCHEMATIC;
architecture SCHEMATIC of 2BS-P is
SIGNAL gnd : std_logic := '0';
SIGNAL vcc : std_logic := '1';
signal N_5 : std_logic;
signal N_1 : std_logic;
signal N_3 : std_logic;
signal N_4 : std_logic;
begin
I8 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_4, O=>Q0 );
I1 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_5, O=>Q1 );
I2 : G_INPUT Port Map ( I=>CLK, O=>N_3 );
I3 : G_INPUT Port Map ( I=>SIN, O=>N_1 );
I7 : G_D Port Map ( CLK=>N_3, D=>N_4, Q=>N_5 );
I4 : G_D Port Map ( CLK=>N_3, D=>N_1, Q=>N_4 );
end SCHEMATIC;
編碼部分電路處理過程如圖8所示。收端光模塊收到數(shù)據(jù)后，通過CPLD的解復(fù)接程序恢復(fù)出并行數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘，再通過編碼芯片電路恢復(fù)出原始的高速串行信號(hào)，經(jīng)過電纜驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)后最終由傳輸設(shè)備輸出，完成整個(gè)傳輸過程。其中，編碼電路部分的信號(hào)時(shí)序如圖9所示。
圖8 編碼部分電路處理過程
圖9 編碼電路信號(hào)時(shí)序圖
結(jié)束語
基于CPLD的異步ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接光傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)使用了最新的ASI/SDI信號(hào)電復(fù)接/分接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的時(shí)分復(fù)用傳輸，替代了以往以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)的多路異步信號(hào)傳輸模式，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步提高。
下載文檔
