本文介紹了一種基于FPGA的視頻,、音頻,、反向數(shù)據(jù)的遠程傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計,該系統(tǒng)在實際中得到了應(yīng)用,，具有良好的穩(wěn)定性,、實用性和可靠性,。
引言
目前在高速公路、交通,、電子警察,、監(jiān)控、安防,、工業(yè)自動化,、電力、海關(guān),、水利,、銀行等領(lǐng)域視頻圖像、音頻,、數(shù)據(jù),、以太網(wǎng)、電話等光端機開始普遍大量應(yīng)用,。
由于數(shù)字光端機具有傳輸信號質(zhì)量高,，沒有模擬調(diào)頻、調(diào)相,、調(diào)幅光端機多路信號同傳時交調(diào)干擾嚴重,、容易受環(huán)境干擾影響,、傳輸質(zhì)量低劣、長期工作穩(wěn)定性差的缺點,，因此許多大型重點工程已普遍采用數(shù)字光端機,。
系統(tǒng)框架與工作原理
整個系統(tǒng)由核心控制模塊FPGA、音頻采樣編解碼模塊,、視頻分離模塊,、視頻放大模塊、視頻A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊,、并串/串并轉(zhuǎn)換模塊,、光纖調(diào)制收發(fā)模塊、電源控制模塊和485數(shù)據(jù)傳輸模塊,。圖1是該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖,。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)的工作原理為：光端機系統(tǒng)分為兩部分，分別為：發(fā)射機和接收機,。在發(fā)射端,，來自監(jiān)視器或其他視頻源的視頻信號首先經(jīng)過發(fā)射板上的視頻濾波網(wǎng)絡(luò)去除噪聲干擾信號，然后對該視頻信號進行視頻分離和視頻放大,。視頻分離模塊得到視頻信號的行,、場同步信號以及奇偶場信號、視頻鉗位等重要的視頻信息,。接下來,，對放大后的視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字化的視頻信號送入系統(tǒng)主控核心FPGA中,。與此同時,，如果系統(tǒng)檢測到了有音頻信號的存在，則對其進行音頻濾波,、音頻數(shù)字化采樣以及音頻PCM編碼,。經(jīng)過PCM編碼后的音頻信號，送入系統(tǒng)主控核心FPGA中,。反向數(shù)據(jù)傳輸主要是485信號,，該信號也送入到FPGA。這樣,，系統(tǒng)主控核心FPGA對來自不同模塊的視頻,、音頻、數(shù)據(jù)等信號整合,，時分復(fù)用地將各個信號編碼成8位并行信號流送入到并串轉(zhuǎn)換模塊,。信號流經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后變成高速的LVDS信號驅(qū)動光纖收發(fā)模塊以波分復(fù)用的方式完成了電/光變化和光發(fā)射。在光端機的接收端,，經(jīng)過以上的逆過程,，完成對原始信號的恢復(fù)。
系統(tǒng)硬件組成
1 FPGA核心控制器
系統(tǒng)的核心控制部分是整個系統(tǒng)的心臟,，為了滿足對高速,、多路數(shù)據(jù)流的實時處理，要求系統(tǒng)核心控制器必須有較高的工作頻率和反應(yīng)能力,。其次,，對于系統(tǒng)時分復(fù)用部分，為了信號的同步化,，需要系統(tǒng)核心控制器內(nèi)嵌RAM和FIFO等功能塊,。此外，同時作為嵌入式系統(tǒng),，處理器必須有著低功耗的要求,。目前，F(xiàn)PGA處理器已經(jīng)遍及工業(yè)控制,、消費電子產(chǎn)品,、通信系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。按照低成本,、低功耗,、小體積、多功能及較為強大的數(shù)據(jù)處理能力,，Altera公司CycloneII系列的EP1C3144是一個非常好的選擇,。
圖2 視頻分離硬件電路
2 視頻分離模塊
視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號,、行消隱信號,、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號,、前均衡脈沖,、后均衡脈沖等，因此,若要對視頻信號進行采集,，就必須準確地把握各種信號間的邏輯關(guān)系,。LM1881就是針對視頻信號的同步分離而生產(chǎn)的，它為視頻信號的處理提供了極大的方便,。此處電路設(shè)計如圖2所示,。
LM1881可以從0.5～2V的標準負極性NTSC制、PAL制,、SECAM制視頻信號中提取復(fù)合同步場同步,、奇偶場識別等信號，這些信號都是圖像數(shù)字采集所需要的同步信號，有了它們,，便可確定采集點在哪一場,，哪一行。LM1881也能對非標準的視頻信號進行同步分離,，通過固定的時間延遲產(chǎn)生默認的輸出作為場同步輸出,。
圖3 A/D轉(zhuǎn)換硬件電路
3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊
此處的A/D轉(zhuǎn)換電路主要用來對視頻濾波，放大后的視頻信號進行數(shù)字化變換,。電視圖像信號的帶寬理論計算值為7.37MHz,，實際取5.5275MHz。由香農(nóng)定理知,，ADC的采樣頻率應(yīng)該大于2倍的圖像最高頻率,，所以ADC采用ADI公司的AD9280，工作頻率為32MHz,。該ADC具有良好的差分非線性度,、模擬輸入超出轉(zhuǎn)換量程提示、內(nèi)建自流電平回復(fù)和可調(diào)片內(nèi)電壓基準源等優(yōu)勢,。
此處A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖3所示,。
接收端A/D轉(zhuǎn)換電路主要完成對數(shù)字化后的視頻信號的模擬變換，還原出標準的視頻信號,。此處選用的DAC為ADI公司的高速AD9708,。
AD9708采用+3V或+5V單電源供電，兩路電流輸出,，轉(zhuǎn)換速率高達125MHz,，建立時間不大于35ns，轉(zhuǎn)換精度為1/4 LSB,。在+5V電源供電的情況下,，其功耗為175mW；在+3V電源供電的情況下,，其功耗為45mW,。
為了特殊的需要，AD9708還兼容8位,、10位和12位并行數(shù)據(jù)輸入,。當AD9708被設(shè)置成8位數(shù)據(jù)輸入時，只要把管腳1設(shè)為最高輸入有效數(shù)據(jù)位（MSB）,，管腳8設(shè)為最低輸入有效數(shù)據(jù)位（LSB）即可,。引腳1（DB13）：最高輸入有效數(shù)據(jù)位；引腳2～13（DB12～DB1）：數(shù)據(jù)輸入端,；引腳14（DB0）：最低輸入有效,。
4 并串/串并模塊
低壓差分信號是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定義的用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺咏涌跇藴剩↙VDS）。它具有超高速(速率可達1.4Gb/s)、超低功耗和低電磁輻射等特性,，因而是在銅介質(zhì)上實現(xiàn)千兆位速率通信的優(yōu)選方案,。而總線形低壓差分信號LVDS是LVDS技術(shù)在多點通信領(lǐng)域的擴展，它要求有更大的驅(qū)動電流(10mA)和更好的阻抗匹配設(shè)計,。
SN65LV1023和SN65LV1224是TI公司推出的10位總線型低壓差分信號的應(yīng)用芯片組,。其中SN65LV1023是可將10位并行CMOS或TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有內(nèi)嵌時鐘的高速串行差分數(shù)據(jù)流的串化器,；而SN65LV1224則是接收該差分數(shù)據(jù)流并將它們轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的解串器,，它同時又可以重建并行時鐘。采用該器件組進行數(shù)據(jù)串化時采用的是內(nèi)嵌時鐘,，這樣可有效地解決由于時鐘與數(shù)據(jù)的不嚴格同步而制約高速傳輸?shù)钠款i問題,。此處的硬件電路設(shè)計如圖4所示。
圖4 并串轉(zhuǎn)化硬件示意圖
系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件主要是對系統(tǒng)控制核心的FPGA的編程,。整個程序基于模塊化,、結(jié)構(gòu)化的軟件開發(fā)思想編寫。所用的開發(fā)工具是Altera公司出品的FPGA集成開發(fā)環(huán)境QuartusII,，開發(fā)語言采用當今比較流行的大規(guī)模集成電路Verilog開發(fā)語言,。
系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)了A/D控制模塊、語音編碼控制模塊,、并串轉(zhuǎn)換控制模塊,、串并轉(zhuǎn)換控制模塊、D/A控制模塊,、語音解碼控制模塊和反向數(shù)據(jù)的收發(fā)控制模塊,。
1 A/D控制模塊
A/D控制模塊以FPGA為主控核心，為AD9280提供采樣時鐘,；同時采集AD9280A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,。
FPGA系統(tǒng)時鐘頻率為32MHz，對于AD9280的采樣時鐘為16MHz,，對系統(tǒng)時鐘進行二分頻后提供給AD9280,。同時，在分頻后的輸出時鐘的上升沿對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行讀取,，讀取的結(jié)果存入FPGA中進行下一步應(yīng)用,。程序如下所示。
module AdControl(clk_in,reset,ad_data,clk_out,data_reg);
input clk_in,reset;
input [0:7]ad_data;
output clk_out;
output [0:7]data_reg;
reg [0:7]data_reg;
reg clk_out;
always@(posedgeclk_in)
begin
if(reset)
clk_out<=0;
else
clk_out<=~clk_out;
end
always@(posedgeclk_out)
begin
data_reg<=ad_data;
end
endmodule
其中,，clk_in為FPGA系統(tǒng)輸入時鐘,；clk_out為分頻后提供給ADC的采樣時鐘；reset為復(fù)位端,，高電平復(fù)位,；ad_data是A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量；data_reg
用來存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。
2 語音編碼控制模塊
語音編碼控制模塊主要完成對PCM編碼芯片提供數(shù)據(jù)編碼時鐘,、數(shù)據(jù)使能控制以及編碼后的數(shù)據(jù)接收,。
此處程序如下所示。
module PcmControl(clk_in,reset,tdd,tdc,tde,pcm_data);
……
always@(posedgeclk_in)
begin
if(reset)
begintdc<=0; end
elsebegin
if(cnt0==7)
begin
tdc<=~tdc;
cnt0<=0;
end
else
cnt0<=cnt0+1;
end
end
always@(posedgetdc)
begin
if(cnt1==140)
begin
tde<=~tde;
cnt1<=0;
end
else
cnt1<=cnt1+1;
end
always@(posedgetdc)
begin
pcm_data<=tdd;
end
endmodule
其中,，clk_in是FPGA系統(tǒng)時鐘,，reset為系統(tǒng)復(fù)位信號。信號tdd是PCM編碼芯片的輸出,；信號pcm_data用來存放PCM編碼數(shù)據(jù),；信號tdc是PCM編碼時鐘信號；信號tde是PCM編碼使能時鐘,。
3 并串轉(zhuǎn)換控制模塊
系統(tǒng)主控核心FPGA對數(shù)字化的視頻,、語音信號進行時分復(fù)用后，將視頻語音混合信號送給并串轉(zhuǎn)換器,。并串轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn)對并串轉(zhuǎn)換器的時序控制,，使能控制和數(shù)據(jù)輸入控制。此處的部分程序如下所示,。
moduleSnControl (clk_in,fpga_data,sn_clk,sn_data,sncontrol);
input clk_in;
input [0:9]fpga_data;
output [0:9]sn_data;
output sn_clk,sncontrol;
reg sn_clk,sncontrol;
reg [0:9]sn_data;
always@(posedgeclk_in)
begin
sn_clk<=~sn_clk;
end
always
begin
sncontrol<=1;
end
always@(posedgesn_clk)
begin
sn_data<=fpga_data;
end
endmodule
其中,，clk_in是FPGA系統(tǒng)時鐘，信號sn_clk是并串轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時鐘,；信號fpga_data是FPGA對視頻,、語音時分復(fù)用編碼后的數(shù)據(jù)；信號sn_data是并串轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù),；信號sncontrol是并串轉(zhuǎn)換器的編碼使能時鐘,。
4 D/A控制模塊
D/A控制模塊主要用來控制AD9708，對來自串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),，F(xiàn)PGA首先進行時分解復(fù)用,，然后將視頻信號部分發(fā)送給AD9708，同時配合DAC的轉(zhuǎn)換時鐘,，該時鐘信號是通過并串轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出來的發(fā)射端系統(tǒng)的發(fā)射時鐘,。
結(jié)語
此套數(shù)字式光端機系統(tǒng)，實現(xiàn)了各個監(jiān)控點和總監(jiān)控室的信號遠程傳輸,。各監(jiān)控點的攝像頭傳回視頻信號,，總監(jiān)控室通過485數(shù)據(jù)接口線對各個攝像頭進行遠程控制。遠程兩端之間還可以進行話音通信,。具有一定的使用價值和工程意義,。