無線光高清視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 博，曹明華＊，馬玉昆，張家瑋，李文文

（蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

近年來，隨著手機(jī)游戲、短視頻等多媒體應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，用戶對視頻的清晰度和信息的傳輸速率有了更高的要求。因此促進(jìn)了對視頻高速傳輸技術(shù)的研究。無線光通信具有保密性好、傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，作為短距離高清視頻的傳輸載體具有天然的優(yōu)越性，因此受到研究者的高度關(guān)注。現(xiàn)場可編程邏輯陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA）具有并行處理架構(gòu)，其高速數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)于中央處理器（Central Processing Unit， CPU），為快速數(shù)據(jù)處理提供了新的選擇[2]。FPGA并行數(shù)據(jù)處理和無線光通信高速率、高帶寬的結(jié)合，使短距離高清視頻傳輸成為可能。

1 總系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

短距離無線光高清視頻傳輸系統(tǒng)的總體方案如圖1所示[3][4]。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)主要由視頻采集封裝子系統(tǒng)、發(fā)射端子系統(tǒng)、天線子系統(tǒng)、接收端子系統(tǒng)、視頻顯示子系統(tǒng)等幾部分組成。其中，天線子系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號光的準(zhǔn)直、能量會聚和接收，在提高系統(tǒng)傳輸距離和信噪比方面發(fā)揮著重要作用；視頻采集封裝子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)把攝像頭采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號通過同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory， SDRAM）封裝在先進(jìn)先出隊(duì)列（First In First Out， FIFO）里面；發(fā)射子系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生光載波，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的編碼和電光調(diào)制，將用戶數(shù)據(jù)加載到激光上；接收子系統(tǒng)通過前端的光敏二極管完成光電轉(zhuǎn)換，再對信號進(jìn)行放大和解調(diào)；視頻顯示子系統(tǒng)通過上位機(jī)負(fù)責(zé)視頻解析及顯示。

1.1 視頻采集

系統(tǒng)采用OV5640圖像傳感器，其感光陣列達(dá)到2592×1944，即500W像素，能實(shí)現(xiàn)最快90fpsVGA（Video Graphics Array）分辨率的圖像采集[5]。其圖像數(shù)據(jù)輸出時(shí)序如圖2所示。

圖2 OV5640行時(shí)序圖

如上圖所示，傳感器在HREF信號為高電平的時(shí)候輸出圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)HREF變成高電平后，每一個(gè)PCLK時(shí)鐘，都會輸出一個(gè)8位或者10位像素?cái)?shù)據(jù)。

圖3所示為OV5640的幀時(shí)序，其中VSYNC信號的上升沿作為一幀的開始，緊接著HREF信號開始變成高電平，此時(shí)輸出有效數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一行圖像數(shù)據(jù)輸出完成之后，標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

圖3 OV5640 QSXGA幀時(shí)序

圖4所示為攝像頭采集模塊在FPGA中生成的RTL（Resistor Transistor Logic）電路，攝像頭采集模塊在像素時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下將圖像傳感器輸出的行同步信號、場同步信號以及8位有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory， SDRAM）讀寫控制模塊的寫使能信號和16位寫數(shù)據(jù)信號，完成對OV5640傳感器圖像的采集。采集到的圖像信息由SDRAM讀寫緩存模塊進(jìn)行存儲。SDRAM是一種可以指定任意地址進(jìn)行讀寫的存儲器，它具有存儲容量大，讀寫速度快的特點(diǎn)[6]。其功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 攝像頭采集模塊RTL電路圖

圖5 SDRAM的功能結(jié)構(gòu)

由文獻(xiàn)[6]可知SDRAM接收外部輸入的控制命令，并在邏輯控制單元的控制下進(jìn)行尋址、讀寫、刷新、預(yù)充電等操作。內(nèi)部分為4個(gè)L-Bank，行地址為13位，列地址為9位，數(shù)據(jù)總線位寬為16bit。FIFO模塊作為SDRAM控制器與外界的交互接口，讀FIFO中的數(shù)據(jù)量小于突發(fā)長度時(shí)將SDRAM中的數(shù)據(jù)讀出。

UDP模塊主要包括接收模塊、發(fā)送模塊和CRC校驗(yàn)，把三個(gè)模塊封裝成一個(gè)，提高了以太網(wǎng)程序的開發(fā)效率[7]。在本實(shí)驗(yàn)中以太網(wǎng)接收模塊沒有使用，F(xiàn)IFO模塊直接讀出SDRAM存儲的數(shù)據(jù)并封裝成以太網(wǎng)包的格式通過MII（Medium Independent Interface）接口傳輸數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送時(shí)鐘為異步時(shí)鐘，使用異步FIFO來同步數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)框圖

1.2 信號發(fā)送模塊

激光發(fā)射電路主要由激光器、驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖7所示。該系統(tǒng)采用波長為650nm的紅光激光二極管（Laser Diode， LD）作為信號發(fā)射源，并且選用美信公司型號為LTN330-A作為準(zhǔn)直裝置[8]。

圖7 激光驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)選取OPA690作為激光驅(qū)動(dòng)器。由文獻(xiàn)[9]可知OPA690對單位增益穩(wěn)定有很大作用，電壓反饋運(yùn)放。用單電源+5V供電，OPA690能驅(qū)動(dòng)一個(gè)1V到4V輸出擺動(dòng)，以及150mA驅(qū)動(dòng)電流，150MHz帶寬。系統(tǒng)的激光發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路分為穩(wěn)壓電路、激光調(diào)制模塊和外部接口電路三部分組成。放大電路OPA690增益為6dB，擺率為1800V/μs。單位增益帶寬積為500MHz，完全能夠?qū)⑶凹壏糯箅娐沸盘柗糯?倍，3dB時(shí)的帶寬為220MHz。

采用的是鈮酸鋰（LiNbO3）強(qiáng)度調(diào)制器對激光進(jìn)行外部調(diào)制，在光通信中數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)20Gb/s。

1.3 信號的接收模塊

接收模塊主要包括光電探測電路、放大電路、電源模塊和接口電路，如圖8所示。

圖8 接收端電路

雪崩二極管的工作電壓一般在90～180V之間，由于常見的便攜式電源設(shè)備輸出電壓主要為5V，為了滿足APD探測器需求，需要對電壓進(jìn)行升壓處理。因此，采用TPS55340芯片設(shè)計(jì)了相應(yīng)的升壓電路。由文獻(xiàn)[10]可知TPS55340是DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，最高輸出電流能達(dá)到3A，最佳轉(zhuǎn)化效率95%。之后，采用OPA657芯片作為放大器，它具有低噪聲、快速響應(yīng)和高靈敏度的特點(diǎn)[11]。OPA657內(nèi)部由結(jié)型場效應(yīng)管輸入級、高增益電壓反饋放大級和輸出級等組成，使其輸入阻抗非常高并且?guī)ж?fù)載能力很強(qiáng)。而且結(jié)型場效應(yīng)管輸入幾乎不產(chǎn)生電流噪聲，具有很好的放大性能。最后，通過解調(diào)器完成對放大后的信號的解調(diào)。

本系統(tǒng)采用差分移相鍵控（Differential Phase Shift Keying， DPSK）解調(diào)器對接收放大的信號進(jìn)行解調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)誤碼率優(yōu)化，能夠輸出完美平衡，多個(gè)速率可用，大范圍的反饋移位寄存器（Feedback Shift Register， FSR），可用范圍廣。

2 視頻解析結(jié)果

圖像數(shù)據(jù)采集過程中SignalTap抓取的波形如圖9所示。當(dāng)img_req拉高之后開始讀取SDRAM控制模塊中的圖像數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)返回之后如果是返回第一行的數(shù)據(jù)，則先把圖像幀頭寫入FIFO。FIFO非空之后空信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)輸出一個(gè)開始發(fā)送脈沖信號，并且輸出的有效字節(jié)數(shù)由1280變成1284。

圖9 SignalTap抓取的波形圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對程序進(jìn)行板級驗(yàn)證，選用千兆以太網(wǎng)線將上位機(jī)和FPGA開發(fā)板與光通信系統(tǒng)之間連接，然后將OV5640 CSOM攝像頭與開發(fā)板連接，并且調(diào)試好整個(gè)光通信系統(tǒng)，完成對完整程序的全部編譯，由左側(cè)編譯流程窗口全部顯示打鉤可以看出工程編譯已經(jīng)全部通過，右側(cè)Flow Summary用來觀察在整個(gè)設(shè)計(jì)中使用FPGA資源的情況。如圖10所示。最后再把完整的程序用軟件Quartus II 15.0燒錄到FPGA開發(fā)板中。

圖10 編譯通過（左）FPGA資源利用（右）

打開wireshark網(wǎng)絡(luò)分析器，抓取以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，其中抓取的數(shù)據(jù)包為開發(fā)板發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，單包發(fā)送一行數(shù)據(jù)為1280個(gè)字節(jié)，第一行圖像數(shù)據(jù)加幀頭為1284個(gè)字節(jié)。雙擊任何一包數(shù)據(jù)可以查看數(shù)據(jù)包的詳細(xì)數(shù)據(jù)。如圖11所示為第一個(gè)字節(jié)數(shù)為1284的某數(shù)據(jù)包，可以看到網(wǎng)絡(luò)分析器檢測到了程序中指定的幀頭。

圖11 wireshark抓取以太網(wǎng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)

圖12所示為上位機(jī)實(shí)時(shí)接收到攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)，顯示質(zhì)量高且沒有明顯拖影現(xiàn)象，說明本系統(tǒng)可以成功傳輸視頻信息。

圖12 視頻實(shí)時(shí)顯示畫面

3 結(jié)束語

通過模塊化設(shè)計(jì)完成了一種無線激光高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。由于傳輸過程中采用了激光而不需要布設(shè)傳輸線路。因此，該系統(tǒng)采用的無線光通信技術(shù)可以在很大程度上提高視頻傳輸?shù)乃俣群挽`活性，滿足用戶對無線高清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。該技術(shù)在高速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、應(yīng)急通信、多媒體游戲等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。