基于FPGA的數字視頻光纖傳輸系統的設計與實現

華中光電技術研究所·武漢國家光電實驗室 雷聲振

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基于FPGA的數字視頻光纖傳輸系統的設計與實現

華中光電技術研究所·武漢國家光電實驗室 雷聲振

【摘要】提出了數字視頻光纖傳輸系統的設計方案，分析了SFP光收發器在光發送板與光接收板中的應用性能，實現了以光纖為媒介傳輸數字視頻信號的功能。本文設計的視頻傳輸系統方案，很好的提高了光發送板與光接收板在復雜環境下的隔離作用，并實現了數字視頻的遠距離傳輸，抗干擾力強，具有很好的實時操作性。

【關鍵詞】FPGA；SFP；串/并轉換；光纖傳輸

1 引言

近年來，隨著光纖通信行業的迅速發展，SFP光收發器被廣泛應用在各種光通信系統中。SFP光收發器具有可熱插拔、體積小、傳輸速率高等特點，并且隨著制作工藝的進步，性能也日漸完善[1]。由于光纖的低損耗、寬頻帶等特性，非常有利于數字視頻信號的傳輸。數字信號傳輸通常分為并行傳輸方式和串行傳輸方式[2]。本設計采用串行傳輸的方式，通過光發送板將并行數字視頻信號轉換成串行信號，由SFP光收發器將電信號轉換成光信號發送出去；再通過光接收板的SFP光收發器將光信號轉換成電信號，然后還原成并行信號進行后續處理。此方法所需信道數目少，傳輸速率高，很適用于遠距離傳輸。

2 整體系統設計

硬件系統由光發送板與光接收板組成，兩塊板子的信號處理系統相互獨立，不會互相干擾，通過光纖將兩塊板子的通信連接起來。器件的選用對整個系統的設計很是關鍵，其中器件的傳輸速率是一個值得重視的指標。FPGA、串行編碼器、光傳輸模塊的處理速率都關系著整個系統能否滿足視頻信號的傳輸速率要求，而不在某個單元發生數據傳輸錯誤。另外，供電系統的設計也是整個系統能否穩定工作的關鍵。傳輸系統整體框架設計如圖1所示。

圖1 傳輸系統整體框架圖

光發送板的輸入信號為LVDS并行信號，經過FPGA處理系統進行緩存后，再由DS92LV18串行編碼器進行并/串轉換。由于SFP光收發器不能接收LVDS信號，因此先將LVDS信號轉換成LVPECL信號，再通過SFP光收發器將LVPECL信號發送出去。

光發送板發送過來的信號，經過光纖的傳輸，到達光接收板的SFP光收發器，再轉換成LVDS信號，通過DS92LV18串行編碼器進行串/并轉換，再進入FPGA處理系統進行緩存后，輸出到上位機進行顯示。

3 硬件設計與實現

硬件部分主要有邏輯控制單元、串并轉換單元、光收發單元組成。

3.1 FPGA器件的選擇

FPGA主要用以緩存視頻數據，以及控制串行編碼器的工作方式。FPGA的選型主要從I/O口支持的最大傳輸速率、管腳數量、功耗大小以及價格成本等方面考慮。在選擇FPGA之前，需要了解自己的需求。本設計的LVDS輸入信號頻率為54MHz，共有17位數據。本設計選用的FPGA是EP2C8T144C8N，它是Cyclone II系列芯片中功耗較低，性價比較高的一款貼片封裝的芯片。它時鐘頻率可達75MHz，具有85個可使用的I/O口，價格也在100元以下，滿足本設計的需求。

3.2 LVDS信號穩定電路

LVDS是用于高速數據傳輸的通用接口標準，具有高速率、低功耗、電磁干擾低以及可靠性高的特點，可確保千兆位以上的數據傳輸[3]。SN74LVC3G17是一種三路施密特觸發器緩沖器，當輸入信號在閾值范圍內浮動時，輸出將不受影響，保持電平穩定。LVDS信號在進入FPGA之前，先通過SN74LVC3G17芯片，確保數據的穩定傳輸。

3.3 串/并轉換與并/串轉換電路

DS92LV18串行編碼器具有18位數據接口，能夠進行串行數據與并行數據之間的相互轉換。芯片供電電壓為3.3V。它支持15M至66M的數據傳輸速率，能夠滿足本設計的需要。

圖2 光發送板的DS92LV18電路

圖3 光發送板MAX9376信號轉換電路

圖4 光發送板供電電路

通過FPGA控制DS92LV18芯片的TCLK與RCLK信號，分別進行編碼以及解碼功能。在本設計中，LVDS信號包含14位視頻數據信號、系統時鐘信號、場同步時鐘信號以及列同步時鐘信號，進入光發送板DS92LV18芯片的DIN[0:17]輸入口，經過處理后，以串行差分數據的形式從DS92LV18芯片的DO+和DO-口輸出。同樣，光發送板發送過來的串行數據，到達光接收板，從DS92LV18芯片的RIN+與RIN-口進入，經過處理后，以并行數據的形式從ROUT[0:17]口輸出。管腳REN低電平時，使接收無效，光接收板將其拉高。管腳DEN低電平時，使發送無效，光發送板將其拉高。光發送板的DS92LV18串行編碼器的電路設計如圖2所示。

3.4 LVDS信號與LVPECL信號轉換電路

在本設計中，MAX9376用于進行LVDS信號與LVPECL信號之間的相互轉換。MAX9376能夠保證2GHz的轉換頻率，供電電壓為3.3V。光發送板的MAX9376信號轉換電路設計如圖3所示。

3.5 系統電源電路

TPS70445PWP用于提供系統所需的3.3V與1.2V電壓，它具有低噪聲，抗干擾力強的特點。由于DS92LV18芯片的功耗比較大，需要提供比較大的電流。選用的TPS70445PWP芯片能夠提供2A的電流，可以滿足設計的需要。在設計中，將數字電源與模擬電源隔離，將數字地與模擬地進行隔離，防止相互之間的干擾。光發送板的TPS70445PWP供電電路設計如圖4所示。

3.6 光收發電路

RTXM182-626是一款1.25Gb/s的雙向SFP收發器，供電電壓為3.3V，插拔式封裝，并且具有自診斷功能，使用起來非常方便。

RTXM182-626芯片的Tx_Fault引腳用于發送錯誤自診斷指示。當芯片發送數據發生錯誤時，此引腳電平被拉高。設計時，光發送板的此引腳接上一個LED燈，燈亮用于指示芯片發送錯誤。LOS管腳用于接收丟失診斷，如果接收模塊丟失數據，則此管腳電平拉高。LOS管腳用于光接收板，將其接上LED燈，燈亮指示接收錯誤。Tx_Disable引腳高電平用于屏蔽發送功能，因此發送板將此管腳接地，接收板將其拉高。RD+與RD-管腳為差分信號接收口，光接收板的SFP模塊將光信號轉換為電信號后，從此管腳發出。RD+與RD-管腳之間用100歐的電阻耦合起來。TD+與TD-管腳為差分信號輸出口，光發送板的SFP模塊將電信號轉換為光信號后，從此管腳發出。TD+與TD-管腳之間用100歐的電阻耦合起來，由于模塊內已將其耦合，因此在主板上不用再耦合。光發送板的SFP收發器電路如圖5所示。

圖5 光發送板SFP收發器電路

4 結束語

本文根據數據傳輸中光纖通訊的發展趨勢，考慮了數據的傳輸速率，以及數字視頻傳輸的穩定性，設計了一種基于FPGA的數字視頻光纖傳輸系統。系統由光發送板與光接收板組成，使用FPGA控制數據傳輸的時序，DS92LV18串行編碼器進行串行數據與并行數據之間的轉換，RTXM182-626光收發器通過光纖進行光信號的發送以及接收。本文設計的光纖傳輸系統減少了通信線路的冗余，工作性能穩定，抗干擾力強，適用于遠程傳輸。

參考文獻

[1]漆燕,王桂瓊.1.25G光纖收發器SFP設計與仿真[J].河南:電光與控制,2007,14(3):158-160.

[2]馬向玲,楊輝,王海玲,吳亞男.基于FPGA的多路數據光纖傳輸系統設計與實現[J].北京:計算機測量與控制,2011.19(2):363-366.

[3]童鵬,胡以華.DS92LV18在光纖數據傳輸設計中若干問題的研究[J].廣東:集成電路應用,2007:59-62.