基于FPGA的視頻信號數字化光纖傳輸實驗接收裝置的設計與實現

劉 佳，孫 立

（南京航空航天大學理學院，江蘇南京211100）

1 引 言

隨著光纖技術的不斷發展，光纖的應用越來越廣泛.光纖以其頻帶寬、容量大、衰減小等優點為通信領域帶來了改革和創新，形成了一個新興產業.數字通信對比傳統的模擬通信有抗干擾能力強、適用范圍廣、保密性能強、易于集成、功能穩定等優點[1].數字光纖通信兼有兩者的優點，必將成為通信領域的發展方向.

視頻信號的光纖傳輸有實時、準確、清晰的優點.在實驗領域，可以快速準確地傳遞實驗圖像，為實驗者提供更可靠的信息.在監控方面，可以實時傳遞監控圖像，既節約成本，又有高的傳輸質量.因此，視頻信號的光纖傳輸的研究與實現，將方便人們的學習、工作和生活[2].

本文針對普通高等工科類學校中，非通信與信息等專業學科的普及性實驗教學科目研制的“視頻信號的數字光纖通信實驗儀”創新實踐項目.實驗儀器的使用，有利于幫助高等學校基礎性學科實驗課程的提升，豐富與完善實驗課內容，使學生了解現代技術的發展，掌握相關知識.

2 系統的硬件結構

整套裝置由兩大部分組成：光接收器和光發射器.兩者之間以光纖連接.光發射和光接收器的工作原理相互關聯，一個是另一個的逆過程；光發射器是將視頻的電信號轉變成光信號，光接收器是將光信號轉變成視頻的電信號.

光接收器由光／電轉換部分、串并轉換部分、控制部分、D／A轉換部分、模擬信號放大部分組成.圖1是光接收器的電原理圖.

圖1 光接收器原理框圖

3 系統電路設計

3.1 電源

整套裝置僅以7.5V直流電源供電，內部集成電路需用到5V，1.5V，3.3V的電源.5V電源由L7805三端穩壓電源提供，3.3V和1.5V分別由ASM117－3.3和ASM117－1.5提供.

3.2 信號的接收及處理

3.2.1 光／電轉換模塊

裝置以單纖進行信號傳輸，光信號傳輸到接收裝置后，需要還原為電信號，即差分電壓數據流.采用型號為HNMS－XEMC41XSC20，工作波長在T1 310nm／R1 550nm的單纖雙向一體化收發模塊，將光信號轉換為電信號[3－4].轉換后的差分信號由RD＋和RD－輸出.電路如圖2所示.

圖2 光電轉換電路

3.2.2 串并轉換

裝置采用與發送器中的串化器DS92LV1023相匹配的解串器DS92LV1224.發送器中的串化器將10位的并行數據轉換為串行的差分數據流，因此在接收器中需用相應的解串器將串行差分數據流還原為并行數據.

DS92LV1224內部有鎖相環，在接收數據流時可根據數據的頻率自行匹配接收時鐘，外界只需為其提供參考時鐘.此處參考時鐘為16MHz，由FPGA控制部分提供.芯片還匹配了與解串后的數據同步的時鐘，以助于轉換后的并行數據輸出.參考時鐘和數據輸出時鐘分別為REFCLK和RCLK引腳.為了保證視頻信號的連續性和實時性，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，即選擇時鐘上升沿輸出數據.

該組芯片有2種同步方式：快速同步和隨機同步.快速同步是由串化器發送一組由連續的6個“1”和“0”組成的同步信號，解串器收到信號后鎖定數據時鐘，鎖定完成之前LOCK保持高電平，同步完成后跳變為低電平.同步信號的發送是由串化器的SYNC1和SYNC2控制的，只要兩者之一置高電平持續時間超過6個時鐘周期，串化器就開始連續發送同步信號.快速同步具有快速準確的優點，但在長距離的信號傳輸中，光纖只傳遞數據，無法很好地傳遞串化器和解串器的SYNC和LOCK信號.因此采用隨機同步方式.隨機同步方式串化器不需發送同步信號，解串器直接對數據流進行鎖定，實現同步，鎖定丟失后，解串器會重新鎖定時鐘[5－6].將LOCK接到FPGA以進行實時控制.芯片電路如圖3所示.

圖3 串并轉換電路

3.3 控制部分

電路采用型號為EPIC3144C8的FPGA為主控芯片，由32MHz的晶振提供工作時鐘.芯片共有4個時鐘輸入端，選其一輸入晶振時鐘.由于FPGA各個模塊都用到，所以各個模塊都需要供電和接地.

FPGA內部有2個鎖相環，可以進行分頻和倍頻，以得到不同的頻率.D／A轉換芯片和串并轉換芯片的時鐘由FPGA提供.由解串器傳輸過來的10位數據是在發送端由8位數據編碼得到的，因此在數模轉換之前需對數據進行解碼.解碼是在FPGA中由程序控制完成的.程序采用AS（主動）配置方式下載到FPGA.

3.4 D／A轉換及視頻信號輸出

3.4.1 D／A轉換部分

采用美國模擬器件公司出品的AD9708，它屬于高性能、低功耗CMOS數模轉換器，能提供出色的交流和直流性能，支持最高1.25×108s－1的更新速率.工作時鐘設為16MHz，由FPGA提供.

AD9708的外圍電路如圖4所示.其中REFLO是轉換基準的參考地，此腳接地禁用內部參考電壓.COMP1是噪聲衰減模式設置端，此處串接0.1μF的電容能達到較好的轉換效果.R9是終端匹配電阻以消除高頻振蕩.C9和C10用以濾除數字電源紋波，C6和C7用以濾除模擬電源紋波.并行數據由DB0～DB7輸入，轉換后的數據由IOUTA輸出.此處輸出的信號須經運放放大后，才能滿足通用性視頻顯示器的技術要求[7].

圖4 D／A轉換電路

3.4.2 模擬放大及視頻信號輸出

采用AD8042實現信號的放大，如圖5所示.U1A將AD9708輸出的電流信號轉換為電壓信號，其中C1主要作用是去除高頻干擾.U1B作為電壓跟隨器，用于阻抗匹配.要求的輸出阻抗是75Ω，電壓跟隨器使輸出阻抗為0，再串聯1個75Ω電阻（在U1B的7腳之后，圖中未標出），來滿足匹配要求.

圖5 模擬信號放大電路

4 程序設計及仿真

系統采用VerilogHDL語言進行程序編寫，在QuartusⅡ環境編輯仿真[8－9].FPGA的工作：

1）提供D／A轉換芯片AD9708的工作時鐘和串并轉換芯片LV1224的參考時鐘，AD9708工作時鐘和LV1224的參考時鐘均為16MHz，是系統晶振時鐘的二分頻.

2）獲取串并轉換后的10位數據，進行解碼，還原為編碼前的8位數據，并將解碼后的數據傳送給數模轉換芯片.

裝置采用的8B10B編碼方式，分為3B4B和5B6B進行編碼.解碼部分依照編碼時相同的分發將10位數據分為4B和6B分別解碼[10].

程序以4B3B，6B5B分別查表的方式實現.解碼后再按順序組合成8位數據.

程序仿真圖（見圖6）中，adin是編碼之前的8位數據，設為逐次加一的計數數據，為了方便比較，圖中用十進制表示.編碼后的10位數據為data10b，adout是解碼后的數據.可以看到雖有延遲，解碼后數據仍為計數數據.因此程序可以準確地實現解碼功能.

圖6 程序仿真圖

5 結束語

光纖通信技術的發展與應用方興未艾，越來越普及[11]；但高等院校的基礎性學科以及相關專業課程的配套性實驗課，卻普遍存在不足、遲后和落伍的現象；這種跟不上形勢發展需要的局面，嚴重的弱化了高等院校的功能與作用，因此研制開發新型實驗儀器，完善理論與實驗相配套，并密切緊跟當今科技發展的步伐，滿足不同層次的教學需求，提高高等教學質量，有著積極而重大的意義和作用.另外，全電視信號中除了視頻信號外，還包括音頻信號，其聲音信息的有效轉換傳輸處理，是應用領域中不可缺少的內容與完備.除了單向通信外，收發設備之間相互進行信息交換，實現雙向通信、完成反向控制功能，在光纖通信應用領域中獲得廣泛應用和普及.這些課題的技術性拓展轉換，其移植到實驗室的相關專業應用性的開發，必將有廣闊的發展前景與市場.

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