基于FPGA的高標清數(shù)字光端機的研究

楊紅軍，洪三其

YANG Hong-jun, HONG San-qi

（武漢輕工大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢 430023）

0 引言

隨著社會的進步及科技的發(fā)展，人們對于安防監(jiān)控的需求越來越高，傳統(tǒng)的模擬標清視頻技術(shù)由于圖像質(zhì)量差、分辨率低等缺陷已不能滿足社會的需求，但由于該類設(shè)備還占有大量市場，因此，對原有設(shè)備進行改造，使同軸電纜中同時可傳輸模擬標清和高清視頻信號成為當前研究的重點。本文從低成本的觀念出發(fā)，設(shè)計了一種基于FPGA的數(shù)字光端機，可以將多路低速并行數(shù)字信號復(fù)用到一路高速串行數(shù)字信號中，并通過光纖實現(xiàn)千兆速率高速傳輸，在交通、治安管理，家庭、小區(qū)、學(xué)校安全防范，遠程視頻會議、遠程教育等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 光端機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)視頻信號的采集到最后視頻信號的還原輸出數(shù)據(jù)流的傳輸過程，光端機的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

視頻信號先通過模擬緩沖模塊對信號進行補償、濾波，增強信號的驅(qū)動能力，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到FPGA構(gòu)成的光端機信號發(fā)送模塊，經(jīng)過處理后，然后由通過光模塊傳輸?shù)焦舛藱C的接收端，其接收端同樣由FGPA芯片構(gòu)成，通過處理后的信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)驅(qū)動輸出給終端顯示裝置，還原成高清或標清視頻。

2 硬件電路的設(shè)計及元件選型

圖1 光端機的組成結(jié)構(gòu)

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）及數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）模塊

本系統(tǒng)設(shè)計了的數(shù)字光端機可以同時采集及傳輸多路視頻信號，這里以四路信號為例。通常安防領(lǐng)域的同軸技術(shù)類型標清視頻信號及高清視頻信號峰峰值最大為1Vp-p，模擬調(diào)制帶寬標清最高20MHz，高清最高40MHz，本系統(tǒng)可同時處理高標清信號，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置ADC的輸入模擬調(diào)制帶寬應(yīng)至少在40MHz以上，依據(jù)采樣定理可知ADC的采樣頻率至少為80MHz及以上，為便于計算，設(shè)計ADC采樣頻率選擇90MHz，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置采樣精度8bit。那么每信道數(shù)據(jù)為720Mbps，四個信道數(shù)據(jù)為2880Mbps。通過主控芯片F(xiàn)PGA的串行化數(shù)據(jù)組裝，則傳輸數(shù)據(jù)為2880Mbps，設(shè)置FPGA信道帶寬為3G（因為其中包含幀頭數(shù)據(jù)及串口通訊等數(shù)據(jù)）。在光端機接收端，信號分離后，每信道720Mbps數(shù)據(jù)不變，DAC轉(zhuǎn)換速率為90MHz，精度8bit。

據(jù)此，ADC 選用ADI公司的AD9057BRS-60型號ADC，其采樣率最高兼容60MSPS，內(nèi)置2.5V電壓參考，設(shè)有跟蹤和保持電路，兼容TTL/CMOS輸入，單一5V供電，精度為8bit[1]。每個信道采用兩片ADC進行采樣。設(shè)定每個ADC采樣時鐘45MHz，并以間隔180°的時鐘相位差進行采樣，以降低成本。DAC選用AD公司的AD9114數(shù)模轉(zhuǎn)換器，分辨率8bit，輸出形式為4mA～20mA的差分電流，因此需要在輸出引腳之間接50Ω 的電阻，轉(zhuǎn)為以電壓信號輸出。

2.2 FPGA模塊硬件電路設(shè)計

本設(shè)計選擇ALTERA公司的FPGA Cyclone IV系列EP4CGX30CF23I7NGX作為主處理器，完成整個系統(tǒng)的調(diào)度以及信號處理等。EP4CGX30提供高達八個3.125Gbps高速收發(fā)器，具有6K到150K的邏輯單元，6.3Mb的嵌入式存儲器，小于1.5W的總功耗，工作溫度為-40°C～100°C，484-BGA封裝，具有Serdes模塊及CDR單元，電源電壓為1.16V～1.24V[2]。

2.2.1 發(fā)送端FPGA模塊設(shè)計

選擇FPGA的BANK7 I/O口作為輸入口數(shù)據(jù)通道，接收ADC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其模塊接口設(shè)計如圖2所示。

圖2 FPGA ADC模塊接口設(shè)計

發(fā)送端FPGA發(fā)射光信號接口設(shè)計如圖3所示。

Serdes模塊支持信號傳輸速率達3.15Gbps，輸出信號電平為PCML電平。在輸出端設(shè)計交流電容，使FPGA的差分PCML信號與光模塊進行AC耦合。并在靠近發(fā)送方在兩條差分傳輸線上并聯(lián)電阻，實現(xiàn)信號鏈路的阻抗匹配，防止信號反射。

光端機接收端FPGA的DAC接口及光鏈路接口與發(fā)送端FPGA接口設(shè)計方法類似，這里不再描述。

2.2.2 FPGA的485控制數(shù)據(jù)模塊

圖3 發(fā)送端光模塊信號輸出接口

在FPGA的反向低速傳輸過程中，RS485控制數(shù)據(jù)量相對較少，設(shè)計傳輸速率為150Mbps。由于FPGA中的Serdes模塊支持的最低信號輸出速率為600Mbps。這里需通過對FPGA一個BANK進行編寫，在信號接收處理后的輸出轉(zhuǎn)化為LVDS差分輸出，并配置I/O電平為2.5V，如圖4所示。

圖4 FPGA 485信號傳輸接口設(shè)計

如圖4所示，其中R1和R2為LVDS的輸出匹配電阻，C1和C2為交流耦合電容，同時2.5V的電源及分壓電阻給LVDS提供輸出的電壓偏置。

2.2.3 FPGA時鐘域及同源時鐘設(shè)計

FPGA對數(shù)據(jù)的處理過程如圖5所示。

從圖中可以看出，F(xiàn)PGA系統(tǒng)邏輯工作的時鐘信號采用常用頻點24.75MHz，由外部晶振直接提供。Serdes時鐘信號為150MHz。ADC時鐘信號為45MHz，這里的45MHz的時鐘信號，一個是PLL2電路倍頻的45MHz時鐘信號提供給ADC1/2/3/4，另外一個相位差180°的時鐘信號是通過PLL2內(nèi)部電路進行設(shè)置后將反向的45MHz的時鐘信號提供給ADC5/6/7/8。

圖5 FPGA的工作過程

在光接收機接收數(shù)據(jù)時，利用FPGA器件Serdes模塊中CDR單元，通過接收的數(shù)據(jù)流恢復(fù)數(shù)據(jù)的時鐘信號，并通過鎖相環(huán)電路后，發(fā)送給接收數(shù)據(jù)，解幀、解串。這就實現(xiàn)了整條數(shù)據(jù)鏈路上的同一時鐘配置,解決數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)的延遲、堵塞或者放空[3]。

2.3 其他硬件模塊

2.3.1 光模塊硬件設(shè)計

在本文的光端機視頻信號傳輸中，正向視頻信號數(shù)據(jù)傳輸3Gbps，反向控制數(shù)據(jù)傳輸為150Mbps，因此光模塊選用奧雷光電公司的上下非對稱速率光收發(fā)一體模塊ATR-B41XX，發(fā)送速率可達3Gbps，接收速率為350Mbps，節(jié)省資源。ATR-B41XX采用單一3.3V電壓供電，LVDS差分檢測輸出[6]。這里發(fā)送端選用傳輸距離為20km，工作溫度-20℃～70℃的ATR-B4127，接收端光模塊為配對使用的ATR-B4127[4]。

2.3.2 運放模塊

選用Burr-Brown公司的OPA2345，OPA2345是一個具有雙通道軌到軌輸入與輸出的CMOS型運算放大器，增益帶寬5G，工作電壓3.3V，工作溫度-40℃～+85℃，單一2.5V～5.5V的輸入共模電壓300mV的范圍，最大靜態(tài)電流僅為250mA[5]。

3 FPGA的數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

從圖5所示 FPGA的工作過程可以看出，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)流信號的處理，在橫向上要完成幀結(jié)構(gòu)、幀頭以及數(shù)據(jù)復(fù)用及解復(fù)用的處理。在縱向上要完成發(fā)送端與接收端的數(shù)據(jù)通道時鐘設(shè)計。有關(guān)時針同源的設(shè)計已在硬件電路的設(shè)計中描述過了，在此還需要對幀頭的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)傳輸。在過程工業(yè)的控制中存在著大量的通信協(xié)議，這些協(xié)議基本都是建立在數(shù)據(jù)幀的基礎(chǔ)之上，其差別在于數(shù)據(jù)幀的格式[6]。通過特殊的幀頭設(shè)計，在接收端只要檢測出數(shù)據(jù)幀頭就可以立即將要傳輸?shù)囊曨l信號等數(shù)據(jù)發(fā)送出去。幀頭數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)幀的起始位置，幀頭后依次是信道的數(shù)據(jù)、串口通訊數(shù)據(jù)。采用硬件電路嵌位以及軟件編程數(shù)據(jù)嵌位的方法使數(shù)據(jù)幀頭具有唯一特性。

由ADC9057輸入信號范圍通過運放的硬件電路嵌位為2.205V～2.925V。又ADC精度8bit，2～3V的輸入，則輸入2.925V對應(yīng)的二進制為11101011，2.205V對應(yīng)為00111100。為應(yīng)對有效數(shù)據(jù)突變，在FPGA內(nèi)部對輸入信號進行軟件編程嵌位，使ADC轉(zhuǎn)換后的值最大嵌位在11101011，最小嵌位為00111100。最小值嵌位是防止長0出現(xiàn)，影響數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)排列組合，只要將幀頭設(shè)置超過10個連續(xù)以上的1就保證了幀頭唯一性。為方便計算及傳輸，幀頭設(shè)置為0001111111111000，為16bit。

前面已經(jīng)設(shè)計一周期數(shù)據(jù)為3 G，有效數(shù)據(jù)為2880M，規(guī)定0.5s為一幀，那么一幀數(shù)據(jù)就為1500Mbit，視頻有效數(shù)據(jù)1440Mbit，RS485定義40Mbit，其他為預(yù)留空間。則幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 幀結(jié)構(gòu)表

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是檢測系統(tǒng)傳輸過程中信號的時鐘抖動、眼圖優(yōu)劣、設(shè)備的靈敏度、設(shè)備的動態(tài)范圍以及系統(tǒng)的功耗等。

光端機信號測試眼圖，如圖6所示，可以看到眼圖的輪廓明顯，眼睛掙得很開，交叉點平衡，信號變換間沒有大的抖動，完全沒有壓到眼圖的模板，沒有碼間串擾現(xiàn)象，因此可以知道系統(tǒng)信號傳輸穩(wěn)定，信號質(zhì)量很高。

圖6 信號測試眼圖

將光端機視頻信號的接收端分別接入標清及高清的不同格式視頻信號，經(jīng)測試表明當傳輸960H、720p每秒25幀、1080p每秒25幀等高清視頻圖像時，圖像顯示穩(wěn)定，無噪點、畫面平滑、連續(xù)、不卡幀，因此光端機具有自適應(yīng)高標清視頻信號傳輸?shù)哪芰Α?/p>

5 結(jié)束語

本文研究的四路高標清視頻自適應(yīng)傳輸數(shù)字光端機系統(tǒng)，設(shè)計基于FPGA平臺，通過調(diào)試及測試，驗證了高清標清視頻自適應(yīng)傳輸功能，實踐檢驗光端機具有標清、高清信號傳輸能力，達到了設(shè)計技術(shù)指標。光端機在數(shù)據(jù)幀的設(shè)計中，有多的數(shù)據(jù)量傳輸富余，可以用于實現(xiàn)更多的其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求。

[1]AD9057 [DB/OL].http：//pdf1.alldatasheet.com/ datasheet-pdf/view/48514/AD/AD9057.html

[2]CycloneIVFPGA[DB/OL].https：//www.altera.com/content/dam/ altera-www/global/en_US/pdfs/ literature/hb/cyclone-iv/cyclone4-handbook.pdf.

[3]潘波,朱偉.基于Serdes的千兆以太網(wǎng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微處理機.2014,(01),33-35.

[4]ART-B41XX [DB/OL].http：//www.allrayinc.com/main/ProductParameter_om.asp?PParentID=72&ParentID=90&SortID=99&id=654.

[5]OPA2345 [DB/OL].http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/56774/BURR-BROWN/OPA2345.html.

[6]董立,尤楓,趙恒永.基于用戶定制的數(shù)據(jù)幀處理技術(shù)[J].計算機工程與設(shè)計,2010,(12),3003-3005.