視頻信號(hào)數(shù)字化光纖傳輸實(shí)驗(yàn)裝置的研制

摘要：介紹了以FPGA為主控芯片，以光殲為通訊媒介的視頻信號(hào)數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，并對(duì)電路各個(gè)模塊的功能及實(shí)現(xiàn)加以說明。電路在altium designer中設(shè)計(jì)完成，采用分模塊式的設(shè)計(jì)，思路靈活，結(jié)構(gòu)清晰，易于實(shí)現(xiàn)。在QuartusⅡ環(huán)境下用VerilogHDL語言進(jìn)行編程并對(duì)程序進(jìn)行仿真。該裝置已做成了實(shí)物樣本，實(shí)驗(yàn)使用表明：可以實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的傳輸，達(dá)到設(shè)計(jì)提出的教學(xué)要求和實(shí)際效果。
關(guān)鍵詞：FPGA；視頻信號(hào)；光殲通信；VerilogHDL

    光纖以其頻帶寬、容量大、衰減小等優(yōu)點(diǎn)給通信領(lǐng)域帶來的改革和創(chuàng)新，形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。數(shù)字通信對(duì)比傳統(tǒng)的模擬通信有抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣、保密性能強(qiáng)、易于集成、功能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字光纖通信兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，必將成為通信領(lǐng)域的發(fā)展方向。
    視頻信號(hào)的光纖傳輸有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、清晰的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，可以快速準(zhǔn)確地傳遞實(shí)驗(yàn)圖像，給實(shí)驗(yàn)者更可靠的信息。在監(jiān)控方面，可以實(shí)時(shí)傳遞監(jiān)控圖像，即節(jié)約成本，又有高的傳輸質(zhì)量。因此，視頻信號(hào)的光纖傳輸的研究與實(shí)現(xiàn)，將方便人們的學(xué)習(xí)、工作和生活。
    本文是針對(duì)普通工科類高校中，非通信與信息工程專業(yè)等學(xué)科，具有普及性實(shí)驗(yàn)教學(xué)科目所研制的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器。該實(shí)驗(yàn)儀器的推出，有利于幫助高等學(xué)?；A(chǔ)性學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程的提升，豐富與完善實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，使學(xué)生了解現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)知識(shí)的掌握。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    整套裝置由兩大部分組成：光接收器和光發(fā)射器。兩者之間以光纖連接。光發(fā)射器與光接收囂的工作原理相互關(guān)聯(lián)，一個(gè)是另一個(gè)的逆過程；光發(fā)射器是將視頻的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，光接收器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成視頻的電信號(hào)。
    光發(fā)射器由濾波放大、A／D轉(zhuǎn)換、控制部分、并／串轉(zhuǎn)換、電／光模塊部分組成。
    光接收器由光／電轉(zhuǎn)換部分、串／并轉(zhuǎn)換、控制部分、D／A轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)放大部分組成。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 電源
    整套裝置僅以7．5 V直流電源供電，內(nèi)部集成電路需用到5V、1.5V、3．3V的電源。5V電源由L7805三態(tài)穩(wěn)壓電源提供，3.3V和1.5V分別由ASM117-3.3和ASM117-1.5提供。
2. 2 FPGA主控部分
    電路采用型號(hào)為EPIC3144C8的FPGA為主控芯片，由32 MHz的晶振提供工作時(shí)鐘。芯片共有4個(gè)時(shí)鐘輸入端，選其一輸入晶振時(shí)鐘。由于FPGA各個(gè)模塊都用到，所以各個(gè)模塊都需要供電和接地。
    FPGA內(nèi)部有兩個(gè)鎖相環(huán)，可以進(jìn)行分頻和倍頻，以得到不同的頻率。發(fā)射器中FPGA提供模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和并／串轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)鐘并將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的八位數(shù)據(jù)編碼成十位數(shù)據(jù)傳送給并串轉(zhuǎn)換芯片，即完成8B10B編碼和數(shù)據(jù)傳輸。接收器中FPGA提供數(shù)模轉(zhuǎn)換器工作時(shí)鐘和串并轉(zhuǎn)換器的參考時(shí)鐘，并將串并轉(zhuǎn)換器輸出的十位數(shù)據(jù)解碼，還原為八位數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。FPGA的功能由Verilog編程實(shí)現(xiàn)，程序采用AS(主動(dòng))配置方式下載到FPGA。
2．3 視頻信號(hào)的處理及采集
    視頻信號(hào)經(jīng)濾波、放大、同步分離，由模數(shù)轉(zhuǎn)換集成芯片采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
2．3．1 濾波放大部分
    在對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，當(dāng)信號(hào)中含有大于二分之一的采樣頻率，如果采樣頻率不夠高，就會(huì)產(chǎn)生混疊信號(hào)。混疊信號(hào)不能用數(shù)字濾波方法除去，需要用硬件濾波。A／D轉(zhuǎn)換的采樣頻率需要高于視頻信號(hào)最高頻率的2～10倍，為了在模數(shù)轉(zhuǎn)換階段不出現(xiàn)更高頻率，即不出現(xiàn)混疊干擾信號(hào)，濾波需在A／D轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行。根據(jù)所需視頻信號(hào)的帶寬以及抗混疊濾波所需要的特性，設(shè)計(jì)一個(gè)7級(jí)的低通濾波器，截止頻率為6 MHz，電路如圖1所示。

    放大電路采用美國模擬器件公司出品的集成AD8042來實(shí)現(xiàn)。AD8042是一款功耗低、電壓反饋型的高速放大器。它具有單電源供電能力，其0．1BD增益平坦度為14 MHz，采用5 V電源時(shí)的差分增益和相位誤差分別為0．04％和0．06％。工作于5 V電源時(shí)，它具有160 MHz的帶寬。低失真和快速建立特性使得它可以用于緩沖單電源和高速數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，電路如圖2所示。

    圖中AD8042采用5 V電源供電，采用一級(jí)放大。
2．3．2 同步分離部分
    全電視信號(hào)中除了圖像信號(hào)外，還包含復(fù)合同步信號(hào)：由行、場和色副載波等組成；這些同步信號(hào)與圖象、聲音信號(hào)按照一定規(guī)格的國際制式編制標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，使得整個(gè)視頻信號(hào)完整協(xié)調(diào)統(tǒng)一。所以在進(jìn)行傳輸處理視頻信號(hào)時(shí)，要對(duì)其中的同步信號(hào)實(shí)施技術(shù)分離，以便相應(yīng)控制處理，具體電路采用LM1881集成芯片實(shí)現(xiàn)。該芯片可從全電視信號(hào)中提取與分離出：行和場、后延同步、奇偶場的圖像信息。圖像的復(fù)合視頻信號(hào)直接由系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備提供，芯片的BACK PORCH管腳在視頻信號(hào)消隱期間產(chǎn)生后延脈沖，該腳接到A／D轉(zhuǎn)換器AD9280的CLAMP端口即19腳，使A／D轉(zhuǎn)換器在信號(hào)的消隱期間處于鉗位工作模式，可將消隱電平鉗位在0電平的位置，從而使得采集處理信號(hào)時(shí)能夠正確得把握各個(gè)信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系，完成同步信號(hào)分離的功能。

    分離電路采用美國國家半導(dǎo)體器件公司出品的集成LM1881來實(shí)現(xiàn)，電路如圖3所示。
2．3．3 A／D轉(zhuǎn)換部分
    模數(shù)轉(zhuǎn)換電路同樣采用美國模擬器件公司出品的集成AD9280來實(shí)現(xiàn)，其工作時(shí)鐘頻率設(shè)定為32MHZ，由FPGA提供。信號(hào)由AIN管腳輸入，D0～D7輸出轉(zhuǎn)換后的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。STBY和THREE-STATE腳接地，以保證芯片正常工作。CLAPMIN接地，把消隱電平鉗位為0電平，其電路如圖4所示。

2．4 信號(hào)發(fā)送部分
    由FPGA處理后的數(shù)據(jù)要通過光纖發(fā)送，不需先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。

2．4．1 并／串轉(zhuǎn)換
    電路采用串化器DS92LV1023集成芯片實(shí)現(xiàn)，電路如圖5所示，其對(duì)應(yīng)接收端由解串器DS92LV1224集成芯片完成。DS92LV1023可以將10位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行差分?jǐn)?shù)據(jù)流，該差分?jǐn)?shù)據(jù)流可以由DS92LV1224還原為10位的并行數(shù)據(jù)。這一組芯片內(nèi)部有鎖相環(huán)，可以為數(shù)據(jù)輸出自己匹配時(shí)鐘。串化器LV1023參考時(shí)鐘選為32MHz，數(shù)據(jù)在該時(shí)鐘頻率下輸入，其芯片內(nèi)部匹配產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘，每一個(gè)10位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為12位串行數(shù)據(jù)，其中多出一個(gè)起始位和一個(gè)終止位，所以有效頻率為320 M。解串器的參考時(shí)鐘定為16MHz，以滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

    由于視頻信號(hào)是實(shí)時(shí)不斷的，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流連續(xù)進(jìn)行，所以電路不能設(shè)置進(jìn)入高阻態(tài)或省電模式，因此LV1023的DEN和PWRDN都置高電位。
    串行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸需妥串化器和解串器同步，該組芯片有2種同步方式：
    1)快速同步  串化器LV1023發(fā)送一組同步信號(hào)，由連續(xù)是6個(gè)“1”和6個(gè)“0”組成，發(fā)送同步信號(hào)是由SYNC1和SYNC2控制的，當(dāng)SYNC1或SYNC2置高電平持續(xù)時(shí)間超過6個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，則開始連續(xù)發(fā)送同步信號(hào)，當(dāng)解串器LV1224接收到同步信號(hào)后便開始試圖鎖定時(shí)鐘信號(hào)，鎖定完成之前LOCK保持高電平，鎖定完成后LOCK跳變?yōu)榈碗娖健?br />     2)隨機(jī)同步方式  該組芯片在沒有同步信號(hào)傳輸?shù)那闆r下仍然可以完成鎖定，這使該組芯片在開放場合得到應(yīng)用。隨機(jī)同步時(shí)，串化器不發(fā)送同步信號(hào)，解串器直接對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行鎖定，該鎖定方式會(huì)受到初始時(shí)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的相位影響，也會(huì)受到數(shù)據(jù)本身的影響，當(dāng)一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)圖樣反復(fù)出現(xiàn)時(shí)，解串器可能出現(xiàn)鎖定錯(cuò)誤，稱為RMT。但當(dāng)同步丟失后，解串器會(huì)重新鎖定時(shí)鐘，恢復(fù)同步。
    由于該電路采用隨機(jī)同步方式。串化器的SYNC1和SYNC2懸空。
2. 4. 2 電／光模塊
    采用型號(hào)為HNMS-XEMC41XSC20，工作波長在T1310nm／R1550nm的單纖雙向一體化收發(fā)模塊，將電信號(hào)差分?jǐn)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)成光數(shù)據(jù)信號(hào)流，電路如圖6所示。

2．5 信號(hào)的接收及處理
2．5．1 光／電轉(zhuǎn)換模塊
    裝置以單纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，光信號(hào)傳輸?shù)浇邮昭b置后，需要還原為電信號(hào)，即差分電壓數(shù)據(jù)流。采用型號(hào)為HNMS-XEMC41XSC20，工作波長在T1310 nm／R1550 nm的單纖雙向一體化收發(fā)模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的差分信號(hào)由RD+和RD-輸出。電路如圖7所示。

2. 5. 2 串并轉(zhuǎn)換
    裝置采用與發(fā)送器中的串化器DS92LV1023相匹配的解串器DS92LV1224。發(fā)送器中的串化器將10位的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的差分?jǐn)?shù)據(jù)流，因此在接收器中需用相應(yīng)的解串器將串行差分?jǐn)?shù)據(jù)流還原為并行數(shù)據(jù)。
    DS92LV1224內(nèi)部有鎖相環(huán)，在接收數(shù)據(jù)流時(shí)可以根據(jù)數(shù)據(jù)的頻率自行匹配接收時(shí)鐘，外界只需為其提供參考時(shí)鐘。此處參考時(shí)鐘選為16MHz，由FPGA控制部分提供。芯片還匹配了與解串后的數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘，以助于轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)輸出。參考時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘分別為REFCLK和RCLK引腳。為了保證視頻信號(hào)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，需避免芯片處于省電模式或高阻模式。因此PWRDN和REN需接高電平。RCLK-R／F接高電平，即選擇時(shí)鐘上升沿輸出數(shù)據(jù)。
    該組芯片有2種同步方式：快速同步和隨機(jī)同步。快速同步是由串化器發(fā)送一組由連續(xù)的6個(gè)“1”和“0”組成的同步信號(hào)，解串器收到信號(hào)后鎖定數(shù)據(jù)時(shí)鐘，鎖定完成之前LOCK保持高電平，同步完成后跳變?yōu)榈碗娖健Ｍ叫盘?hào)的發(fā)送是由串化器的SYNC1和SYNC2控制的，只要兩者之一置高電平持續(xù)時(shí)間超過6個(gè)時(shí)鐘周期，串化器就開始連續(xù)發(fā)送同步信號(hào)。快速同步具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但在長距離的信號(hào)傳輸中，光纖只傳遞數(shù)據(jù)，無法很好的傳遞串化器和解串器的SYNC和LOCK信號(hào)。因此采用隨機(jī)同步方式。隨機(jī)同步方式串化器不需發(fā)送同步信號(hào)，解串器直接對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行鎖定，實(shí)現(xiàn)同步，鎖定丟失后，解串器會(huì)重新鎖定時(shí)鐘。將LOCK接到FPGA以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。串／并轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

2．6 D／A轉(zhuǎn)換及視頻信號(hào)輸出
2．6．1 D／A轉(zhuǎn)換部分
    采用美國模擬器件公司出品的AD9708，它屬于高性能、低功耗CMOS數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能提供出色的交流和直流性能，支持最高125 Mz／s的更新速率。工作時(shí)鐘設(shè)為16 MHz，由FPGA提供。

    AD9708的外圍電路如圖9所示。其中REFLO是轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)的參考地，此腳接地禁用內(nèi)部參考電壓。COMP1是噪聲衰減模式設(shè)置端，此處串接0．1 μF的電容能達(dá)到較好的轉(zhuǎn)換效果。R9是終端匹配電阻以消除高頻振蕩。C9和C10用以濾除數(shù)字電源紋波，C6、C7用以濾除模擬電源紋波。并行數(shù)據(jù)由DB0～DB7輸入，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由IOUTA輸出。此處輸出的信號(hào)須經(jīng)運(yùn)放放大后，才能滿足通用性視頻顯示器的技術(shù)要求。
2．6．2 模擬放大及視頻信號(hào)輸出
    采用AD8042實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，如圖10所示。ULA將AD9708輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其中C1主要作用是去除高頻干擾。ULB作為電壓跟隨器，用于阻抗匹配。要求的輸出阻抗是75 Ω，電壓跟隨器使輸出阻抗為0，再串聯(lián)一個(gè)75 Ω(在ULB的7腳之后，圖中未標(biāo)出)，來滿足匹配要求。

3 程序設(shè)計(jì)及仿真
    系統(tǒng)采用VerilogHDL語言進(jìn)行程序編寫，在QuartusⅡ環(huán)境下編輯仿真。FPGA內(nèi)部時(shí)鐘由32 MHz晶振提供。FPGA的工作是：1)提供D／A轉(zhuǎn)換芯片AD9708、A／D轉(zhuǎn)換芯片AD9280、并串轉(zhuǎn)換芯片LV1023的工作時(shí)鐘和串并轉(zhuǎn)換芯片LV1224的參考時(shí)鐘，都是16 MHz；2)發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行8B10B編碼，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送給串化器；接收端獲取串并轉(zhuǎn)換后的十位數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼，還原為編碼前的八位數(shù)據(jù)，并將解碼后的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
3．1 8B10B編解碼
    8B10B編碼是目前高速串行通訊普遍采用的編碼方式，8B10B編碼的目的是將八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)據(jù)，并使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)流中“0”和“1”的數(shù)量平衡，避免發(fā)送過程中因過多重復(fù)的出現(xiàn)“0”或“1”而發(fā)生的錯(cuò)誤，提高線路傳輸?shù)男阅?，有利于接收器更?zhǔn)確的捕捉同步時(shí)鐘，而且采用特定的碼元可以使接受端更準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)碼元。
    8B10B編碼可以看成是5B6B和3B4B編碼的組合，組合過后有些編碼可能有兩個(gè)值，“1”和“0”的差值稱為平衡度，用RD-表示平衡度為+2或0，RD+表示平衡度-2或0。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)接平衡度分為RD-和RD+兩列。設(shè)變量DISPIN表示正在轉(zhuǎn)換的數(shù)的平衡度，DISPOUT表示下一個(gè)轉(zhuǎn)換的數(shù)的平衡度。初始時(shí)設(shè)DISPIN與DISPOUT相等，先從RD-中開始轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換后的數(shù)“0”和“1”的數(shù)量相等，繼續(xù)在RD-列中轉(zhuǎn)換下一個(gè)數(shù)，如果“0”和“1”的數(shù)不等，則轉(zhuǎn)到RD+列中轉(zhuǎn)換。同理在RD+列中，如果“0”、“1”個(gè)數(shù)相等則繼續(xù)在RD+中，否則換到RD-中。

    解碼部分將10位數(shù)據(jù)的前六位和后四位分別按照5B6B和3B4B的列表解碼即可。
3．2 仿真
    設(shè)計(jì)程序經(jīng)QuartusⅡ綜合器編譯綜合成功后，可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)、中間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。裝置采用的8B10B編碼方式，分為3B4B和5B6B進(jìn)行編碼。解碼部分依照編碼時(shí)相同的分發(fā)將十位數(shù)據(jù)分為4B和6B分別解碼。解碼后再按順序組合成8位數(shù)據(jù)。程序以4B3B、6B5B分別查表的方式實(shí)現(xiàn)。

    程序仿真圖如圖12所示，adin是編碼之前的八位數(shù)據(jù)，設(shè)為逐次加一的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，為了方便比較，圖中用十進(jìn)制表示。編碼后的十位數(shù)據(jù)為data10b，adout是解碼后的數(shù)據(jù)?？梢钥吹诫m有延遲，解碼后數(shù)據(jù)仍為計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。因此程序可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)解碼功能。

4 結(jié)束語
    全電視信號(hào)中除了視頻信號(hào)外，還包括音頻信號(hào)，其聲音信息的傳輸與轉(zhuǎn)換處理，是應(yīng)用領(lǐng)域中不可缺少的內(nèi)容與完備。除了單向通信外，收發(fā)設(shè)備之間相互進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)雙向通信、完成反向控制功能，在光纖通信應(yīng)用領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用和普及。這些課題的技術(shù)性拓展與轉(zhuǎn)換，移植到相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用中，一定有其積極的作用和意義。