基于FPGA的多路視頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

桂 丹，喻宗杰

（1.武漢軟件工程職業(yè)學院 湖北 武漢 430205；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武漢 430074）

隨著人們安全意識的不斷提高，對現(xiàn)代化視頻監(jiān)控技術(shù)也有了進一步要求，先進的視頻、音頻、數(shù)據(jù)的綜合傳輸設(shè)備得到廣泛的應用，因此，對綜合業(yè)務(wù)傳輸性能的要求也越來越高。如何在控制成本的基礎(chǔ)上，開發(fā)性能穩(wěn)定、信號完整的綜合傳輸系統(tǒng)，是廣大傳輸設(shè)備開發(fā)工程師需要思考的問題。目前，在成本有限的情況下，市面上所見的綜合業(yè)務(wù)傳輸設(shè)備大多有性能不太穩(wěn)定、傳輸類型單一、容易亂碼、斷網(wǎng)等缺陷。比如，僅可收發(fā)視頻信號，沒有語音信號，或是數(shù)據(jù)信息有缺失、畫面抖動、時斷時續(xù)的現(xiàn)象。因此，做到視頻、數(shù)據(jù)、語音等多種信號的同步、穩(wěn)定疊加，對于整個綜合業(yè)務(wù)傳輸設(shè)備在成本控制的情況下，產(chǎn)品還有很大的提升空間。

在壓縮工程應用成本的基礎(chǔ)上，對視頻、數(shù)據(jù)、語音等信號的安全、有效傳輸將是本文的研究重點。為了實現(xiàn)對綜合業(yè)務(wù)的準確傳輸，在做了詳盡的需求分析基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計了一種基于FPGA的多路視頻收發(fā)系統(tǒng)（以下簡稱“收發(fā)系統(tǒng)”）的硬件及軟件設(shè)計方案。經(jīng)多次測試及工程實際應用表明，該系統(tǒng)能很好地完成綜合業(yè)務(wù)的有效傳輸[1-2]。

1 總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由兩端設(shè)備組成，兩端構(gòu)成基本相同。習慣上，通常把視頻信號輸入的一端稱發(fā)送端，另一端則為接收端。發(fā)送端由攝像頭采集視頻信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)處理的數(shù)字視頻信號及其他數(shù)據(jù)信號在FPGA中進行編碼操作。其中，部分控制信號由外處理器給出指令。FPGA編碼處理后的信號，由光模塊經(jīng)千兆以太網(wǎng)傳輸至接收端。在接收端，F(xiàn)PGA負責將千兆以太網(wǎng)傳輸過來的編碼數(shù)據(jù)進行解碼，部分指令仍由外處理器給出。處理好的數(shù)字視頻及其他數(shù)據(jù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為可識別的模擬信號，最終在顯示器上顯示出來。圖1給出“收發(fā)系統(tǒng)”總體框圖。

本著節(jié)約成本、降低功耗、有效與其他設(shè)備通用的原則，整個系統(tǒng)硬件采用基板和背板的形式，這也是目前電子、通信行業(yè)最為流行的一種設(shè)備安裝模式。設(shè)備核心為基板，負責完成高速數(shù)據(jù)復分接和光通道的建立，提供各種功能擴展接口，同時也提供最多4個視頻通道[3]，剩余6路視頻信號則在視頻擴展板內(nèi)完成通信。在背板的基礎(chǔ)上，插接各種功能的基板、擴展板。輔助通道擴展板通過背板與基板實現(xiàn)電源和信號連接，輔助通道擴展盤同時完成信號的中繼。將信號的傳輸分為各個單板來實現(xiàn)。此種結(jié)構(gòu)，簡潔、大方、操作便利、便于糾錯。

圖1 收發(fā)系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The overall block diagram of the transceiver system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于收發(fā)兩端的結(jié)構(gòu)基本一致，這里僅發(fā)送端為例，概述系統(tǒng)核心板的硬件設(shè)計。發(fā)送端主要由基板、視頻擴展板、輔助通道擴展板1、輔助通道擴展板2等部分組成。其中以基板為核心，發(fā)送端硬件由FPGA主芯片、CPLD芯片、光模塊及其他一些外圍電路組成。FPGA主芯片負責處理十路視頻信號復分接及片選信號的復用，網(wǎng)管送信號入FPGA后，由3-8譯碼器翻譯出5種情況，分別送至4塊CPLD芯片和本身的FPGA，通過填報不同的網(wǎng)管信息，上報各個芯片的運轉(zhuǎn)情況。最終，由千兆收發(fā)器Tlk2521串行編碼，經(jīng)1.25 G光模塊發(fā)送至接收端。

時鐘方面，晶振選用67.5 M，以67.5 M作為基本速率。Tlk2521并行處理的速率為67.5 M，正向光傳輸信號的速率為1.25 G。發(fā)射端的基本時鐘用當?shù)貢r鐘，接收端用還回時鐘。收端送來的反向數(shù)據(jù)，由時鐘提取電路提取出時鐘和數(shù)據(jù)之后，送入FPGA進行同步處理[4]。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。同步處理過程，將在FPGA的邏輯設(shè)計中進行詳細描述。

圖2 發(fā)送端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The sending end hardware structure chart

視頻信號采用8 bit量化方式，以13.5 M進行采樣。通過四路、四路、二路復接的形式送入FPGA中，再通過FPGA整合成10路16 bit的形式，由Tlk2521處理后送到光模塊中。同時，數(shù)據(jù)、音頻、網(wǎng)管等輔助業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)則由單獨的一個CPLD進行整合，通過一條線送入FPGA中，與視頻信號一起形成17 bit的數(shù)據(jù)進行傳輸，同步字由20位構(gòu)成，利用其中1 bit進行傳輸。TLK2521有18 bit并行數(shù)據(jù)線，其中每根數(shù)據(jù)線占67.5M的帶寬，具體使用分配如下：0~7、8~15 bit傳視頻數(shù)據(jù)，第16 bit傳輔助業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，第17 bit傳輸同步字。高速信號采用16 bit并行擾碼，并行擾碼跟幀同步保持同步，使用20個擾碼字。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該收發(fā)系統(tǒng)FPGA芯片模塊編寫所使用的軟件為ISE，采用VHDL語言編程。VHDL是當前FPGA芯片編程常用的描述語言，其功能強大、設(shè)計靈活、支持廣泛、易于修改，具有強大的系統(tǒng)硬件描述能力、很強的移植能力、易于共享和復用。1～4路視頻信號經(jīng)CPLD匯總接入基板，5～8路視頻信號經(jīng)CPLD匯總，與9～10路視頻信號以及輔助信號一起經(jīng)過復接，接入FPGA中，最后將所有信號經(jīng)擾碼以18 bits并行數(shù)據(jù)線給出FPGA芯片。FPGA提供67.5 M采樣始終給千兆位串行收發(fā)器TLK2521。圖3給出發(fā)送端FPGA芯片復分接框圖。

圖3 發(fā)送端FPGA主復接邏輯框圖Fig.3 The sending end FPGA main multiplexing logic diagram

在基板視頻復接中，通過FPGA送來的復接指示信號進行視頻復接，由CPLD本身產(chǎn)生的一個計數(shù)器對時鐘進行計數(shù)，5個時鐘周期為一個計數(shù)周期，為4路視頻開辟5個位置，把4路視頻依次復接，第5位置空出不填充數(shù)據(jù)，有效地錯開位置，從而實現(xiàn)非緩存的數(shù)據(jù)傳輸。在擴展板視頻復接中，復接的方式和基板視頻復接原理一樣，不同之處在于，復接的位置不一樣，擴展板的CPLD1在復接視頻時空出的第1個位置；CPLD2在復接時，由于只有2路視頻需要復接，所以第 2、3、4 位置空出[5]。

圖4以1～4路視頻信號復接為例，給出時鐘關(guān)系仿真圖。其中Vclk為67.5 M的時鐘信號；VdoJnt為視頻通道指示信號，一個時鐘周期寬度的脈沖信號，在67.5 M時鐘頻率下，每5個周期送出一個脈沖，VideoClk和VdoJnt都由FPGA送往CPLD；VdoDataOut1為4路視頻數(shù)據(jù)復接后的信號，此處按8 bits量化來定義；當復接指示VdoJnt為高電平，且在時鐘VideoClk的上升沿時，對視頻進行采樣復接，最后復接成VdoDataOut1信號送出。

圖4 1～4路視頻信號復接仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of 1 to 4 complex video signals

圖5 同步狀態(tài)流程圖Fig.5 Synchronous state flow chart

眾所周知，在FPGA邏輯設(shè)計中，最重要的是時鐘同步問題的解決。圖5給出FPGA同步狀態(tài)流程圖，其中，Cnt表示同步次數(shù)，S=1表示檢測到同步，S=0表示同步丟失，LOC對時隙計數(shù)，一共有20位同步，從0計數(shù)到19依照流程圖編寫同步判定程序，可完好地實現(xiàn)信號同步。

下面給出同步檢測模塊的部分程序，用來做同步和失步的檢測。

4 研發(fā)過程中出現(xiàn)的問題、解決辦法及效果

1）無視頻。FPGA的程序下載之后，視頻丟失，檢測AD和DA的輸入時鐘，發(fā)現(xiàn)DA時鐘輸入異常。原因是配置管腳錯誤，按著電路原理圖上說明的把DA管腳全部配置反了，后來修改過來之后視頻正常。

2）視頻位置錯亂。收端按照發(fā)端復接視頻的順序分接視頻，發(fā)現(xiàn)視頻順序錯位，1234分別成了2341，原因：傳輸延遲造成了視頻位置錯位，修改接收端CPLD程序，調(diào)整分接位置之后，視頻正常。

3）視頻出現(xiàn)花屏。分接之后的視頻有“花屏”現(xiàn)象出現(xiàn)，原因：時鐘沿采樣不準確。通過調(diào)整時鐘沿解決，把送入CPLD的時鐘取反，“花屏”現(xiàn)象消失。

4）視頻擴展板視頻指示燈異常。視頻擴展板指示燈異常，處于常亮狀態(tài)。原因：視頻指示燈短路。用萬用表查找時，發(fā)現(xiàn)在鉭電容的下方，多出了的焊錫把鉭電容下方的視頻指示燈的過孔堵住了，使得視頻線路短路，卸掉鉭電容后小心焊接，問題解決[6]。

5）插拔光纖時同步丟失，并死機。在測試網(wǎng)管的時候，進行插拔纖測試時，一旦拔掉光纖，再接上會造成同步丟失并死機，需要重新燒寫程序方能解決。調(diào)整時序約束，把晶振時鐘的時序約束調(diào)整到100 M，問題解決。

6）開關(guān)電數(shù)據(jù)誤碼。在進行開關(guān)電測試時，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤碼，且收光指示燈閃爍異常。參閱FPGA時序約束文章發(fā)現(xiàn)，時序約束不宜過高，把原來LockID的時序設(shè)置為100 M改為80 M之后，問題解決。

5 結(jié) 論

該“收發(fā)系統(tǒng)”是在充分的理論分析與市場需求基礎(chǔ)上做出的系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過詳盡的測試轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品，該產(chǎn)品有效地降低了成本、提高了系統(tǒng)集成度，在一根光纖上實現(xiàn)了多種業(yè)務(wù)的綜合傳輸，已應用于某安防系統(tǒng)，實際工程應用表明該系統(tǒng)具有收發(fā)信號準確、穩(wěn)定性高、人機界面友好、易于操作、成本合理等特點，達到了設(shè)計要求。解決了實際工程應用中，低成本產(chǎn)品性能相對較差的缺陷，工程應用反應良好。

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