（光学工程专业论文）水下机器人数字光纤传输系统的研究与设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： ， 棼 ；u d c ： j ， j 。囊 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h e d e s i g no ff i b r e o p t i cd i g i t a l 阮d e r w a t e rv e h i c l e s c a n d i d a t e ：z h uw u z e n g s u p e r v i s o r ：p r o f c a oj i a n i a n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：o p t i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， 0 ， 1 作者 文中 本论 本文 标明 攻读 工程 本人 库进 学位 学位 尔滨 解密 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着我国的国民经济的高速发展，抽水蓄能电站得到了迅速的发展，2 0 0 4 年全国已经建成投产的抽水蓄能电站1 0 座。但抽水蓄能电站的压力输水管道 的安全隐患检测一直是一个比较难于攻克的问题。本课题以遥控式水下机器 人( r o v ) 为载体，携带高分辨率水下微光摄像机、五分量声纳、激光尺度仪等 测量设备对压力输水管道壁进行检测，确定是否存在安全隐患。 针对遥控式水下机器人在水下作业时需要与岸基之间完成导航、动力控 制和探测信息收集等大量的实时数据交换，本文基于时分复用技术和波分复 用技术，采用串行传输的方式实现l 根光纤中传输所有信息的数字光纤传输 系统。系统的总体设计以一片f p g a 芯片为核心器件，用v e f i l o g 语言和p 核工具箱在a l t e r aq u a r t u s 软件中分别实现了数据的时分复用、解时分复 用、高速串行发送和高速串行接收功能，并对各功能进行了功能仿真验证和 板级仿真验证。 该数字光纤传输系统是由本文设计实现的f p g a 核心电路、视频a d 转 换电路和视频d a 转换电路构成的，并利用光收发一体模块和波分复用器实 现了1 路无压缩视频的单向传输和8 路数据的全双工传输。 本文设计的采用光纤传输技术与数字化技术结合的数字光纤传输系统在 水下机器人电子舱电磁环境非常复杂的情况下能够长时间稳定的工作，传输 的图像质量清晰，数据误码率低，为水下机器人长时间在水下作业提供了通 信保障。 关键词：高速串行收发器；f p g a ；8 b 1 0 b ；时钟数据恢复 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y , p u m p e d s t o r a g ep o w e r s t a t i o nh a v ed e v e l o p e dp r o m p t l y i n2 0 0 4t h ec o u n t r yh a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o n 。 o f10p u m p e d - s t o r a g ep o w e rs t a t i o n h o w e v e r , t h es e c u r i t yr i s kd e t e c t i o no ft h e 一 p u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o n sp r e s s u r ep i p e l i n eh a sa l w a y sb e e nar e l a t i v e l y d i f f i c u l tp r o b l e mt ob eo v e r c o m e t h et o p i c su s et h er e m o t e c o n t r o lu n d e r 、a t e r v e h i c l e ( r o v ) 嬲t h ec a r t i e r , d e t e c t i n gt h ep r e s s u r eo ft h ep i p e l i n ew a l lw i t h h i g h r e s o l u t i o nl o w - l i g h tu n d e r w a t e rc a m e r a , s o n a ro ff i v ec o m p o n e n t s 1 a s e r - s e a l e a p p a r a t u ss o 鹤t od e t e r m i n ei ft h e r ei ss e c u r i t yr i s k i no r d e rt oc o m p l e t et h en e e d so fs h o r e - b a s e dn a v i g a t i o n ，p o w e rc o n t r o la n d d e t e c t i o no fi n f o r r n a t i o ng a t h e r i n gs u c hal a r g en u m b e ro fr e a l t i m ed a t a e x c h a n g e w h e nt h er e m o t e - c o n t r o lu n d e r w a t e rv e h i c l ef o ru n d e r w a t e ro p e r a t i o n s b a s e do n t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g ya n dw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g y , t h i st o p i cu s es e r i a lt r a n s m i s s i o nm e a n st oa c h i e v ea nd i g i t a lf i b e r o p t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t ha no p t i c a lf i b e rt ot r a n s m i ta l lt h ei n f o r m a t i o n t h e o v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mb a s e do no n ep i e c eo ff p g ac h i p ，w i t ht h ev e r i l o g l a n g u a g e ，a n di pc o r et o o l b o xi na l t e r aq u a r t u si is o f t w a r e ，d e s i g n i n gt h ef u n c t i o n o ft i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，s o l u t i o no ft i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a n d h i g h - s p e e d s e r i a lt r a n s m i t - r e c e i v ea n dd ot h e f u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n d b o a r d l e v e ls i m u l m i o no f e a c hf u n c t i o n so ft h ef u n c t i o n a l s i m u l a t i o na n d b o a r d 1 e v e ls i m u l a t i o n t h ed i g i t a lo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc o m p o s e dw i t ht h ef p g a c o r ec i r c u i t ，v i d e oa dc o n v e r t e rc i r c u i ta n dv i d e od ac o n v e r t e rc i r c u i t 、析也 w h i c ho n e w a yn o n c o m p r e s s e dv i d e od a t at r a n s m i s s i o na n d8 - w a yf u l l d u p l e x t r a n s m i s s i o nw e r ea c h i e v e da sw e l l 弱u s i n go p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e sa n d w d md e v i c e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w 池t h ed e s i g no ft h i sd i g i t a lf i b e ro p t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i tc a nw o r kf o r a l o n g t i m eu n d e rt h ev e r y c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti nt h e u n d e r w a t e rr o b o t se - b a yw i t hac l e a ri m a g eq u a l i t y , l o w - d a t ae r r o r 嬲w e l la st h e c o m m u n i c a t i o n ss u p p o r to fl o n gt i m e w o r k i n gu n d e rw a t e rf o rt h eu n d e r w a t e r v e h i c l e k e yw o r d s ：h i g h - s p e e ds e r i a lt r a n s c e i v e r ；f p g a ；8 b 10 b ；c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y 哈尔滨工程大学硕士学侥论文 r - -i i 1 i i 高i i i 暑i ；宣i i i i ；宣i i i i ；i i i i i 离i i 暑葺葺宣皇墨暑宣i ；宣i 暑i 聋肯i 宣 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 第4 章 4 1 4 3 目录 绪论1 课题的研究背景和意义l 基本光纤传输系统的构成2 光纤传输系统的分类3 光纤传输技术的发展及现状5 本文的主要工作和基本结构7 系统的整体方案设计9 系统的所要达到的技术指标9 系统的基本设计思想9 系统的整体结构设计一1 1 系统的性能特点1 3 本章小结1 3 f p g a 技术概述1 4 f p g a 器件的简介1 4 f p c 认器件的选用1 4 a l t e r af p g a 软件设计方法1 6 本章小结。l8 系统发送端的设计1 9 发送端视频模块的设计1 9 4 1 1 视频调整电路的设计1 9 4 1 2 视频a d 转换电路的设计2 2 时分复用模块的设计2 5 4 2 1数据速率匹配与无缝缓冲模块的设计2 5 4 2 2 时分复用器的设计2 8 高速串行发送器模块的设计2 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 4 第5 章 5 1 5 4 第6 章 6 1 6 2 4 3 1 时钟管理器的设计2 9 4 3 2 寄存器的设计31 4 3 3 线路编码器的设计3 l 4 3 4 移位寄存器的设计3 4 4 3 5高速串行发送器的仿真验证3 5 本章小结3 5 系统接收端的设计3 6 接收端视频模块的设计3 6 5 1 1 视频d a 转换电路的设计3 6 5 1 2 视频重建滤波与缓冲增益电路的设计3 9 解时分复用模块的设计4 0 5 2 1 解时分复用器的设计4 1 5 2 2 速率匹配模块的设计4 1 高速串行接收器模块的设计。4 2 5 3 1时钟数据恢复( c d r ) 电路的设计4 3 5 3 2 线路译码器的设计4 7 5 3 3高速串行接收器的仿真验证4 7 本章小结4 8 系统的硬件实现与调试4 9 系统硬件的实现一4 9 系统的调试。5 0 6 2 1 系统硬件的调试5 0 6 2 2 系统软件的调试51 6 3 系统技术指标的实现5 3 6 4 本章小结一5 5 结j 沧5 6 参考文献5 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - 一lm i 置葺暑誓赢啊 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果6 0 致 射。6 1 附录a 各功能电路板实物图6 2 附录b 本课题主要设备实物图“ 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 水下机器人作为代替人类进行水下研究、观测和作业的动态实验平台， 为海洋的开发、水下工程建设和海疆的防卫作出不可替代的贡献【1 1 。本课题 背景为哈尔滨工程大学长城水下高技术有限公司的天荒坪抽水蓄能电站输水 道斜井检测水下机器人项目。 近十几年，由于中国的国民经济的高速发展，中国抽水蓄能电站得到了 迅速的发展，2 0 0 4 年底全国已经建成投产的抽水蓄能电站1 0 座。已建的抽 水蓄能电站在实际运行中很好地发挥了调峰、填谷、调相、调频、事故备用 和替代燃煤机组的作用，取得了良好的信誉和经济效益。抽水蓄能电站建筑 结构上一般由上水库、下水库和压力输水管道三部分组成，为了达到很好的 蓄能效果，一般上下水库之间都会有近千米的高度差，这就要求压力输水管 道至少要有几百米的长度才能连接上下水库。由于压力输水管道担负着全系 统的输水功能，安全性尤为重要，而对其安全性的检测不能依靠人类携带检 测仪器进行安全隐患检测。 天荒坪抽水蓄能电站输水道斜井检测水下机器人项目以遥控式水下机器 人为载体，携带高分辨率水下微光摄像机、五分量声纳、激光尺度仪等测量 设备，以及深度计、光纤陀螺等导航传感器，在输水道斜井水中按程控或手 控路线实施动态扫描检测，自上而下或自下而上地完成整个斜井的全覆盖检 测。目的是通过检测结果分析输水道斜井是否存在裂痕和变形，从而判断电 站是否存在安全隐患。 本文研究的是数字光纤传输系统在遥控式水下机器人的专用传输系统中 的应用。在天荒坪抽水蓄能电站输水道斜井检测水下机器人项目中，水下机 器人在进行水下作业时需不断的向岸基传输图像、导航和测量信息，同时岸 基再根据机器人传输回来的信息对水下机器人在水下的状态进行判断后来精 确地控制( 程序控制或者手动控制) 机器人的动力定位。这就要求整个机器 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 人的传输系统必须实时的传输图像、数据和控制命令，同时传输系统必须具 备很低的误码率和很强的抗干扰能力。 而数字光纤传输系统与采用电缆作为传输介质的传输系统相比因为采用 了光纤作为传输介质所以具有如下优点【2 j ： ( 1 ) 光纤传输容量大。如果与电缆通信相比，光纤的传输带宽比同轴电 缆通信大几百倍。 ( 2 ) 光纤传输损耗低，传输距离远。对现已成熟的以硅玻璃为基质材料 的光纤，在1 5 5 0 n m 的低损耗窗口衰减系数可以小于0 2 d b k m ，工作带宽可 达1 0 0 g h z 以上，无中继距离达1 0 0 k m 以上；而对同轴电缆通信，在1 0 0 m h z 工作时最佳衰减系数还高达7 5 d b k m ，无中继距离仅在5 k m 左右。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好。光纤是玻璃制成的，光缆可以在强电场环境下 工作，不受电磁场干扰。 ( 4 ) 光纤的体积小重量很轻，对于制作零浮力遥控式水下机器人光电复 合缆提供有利条件。 正因为采用光纤为传输介质的数字光纤传输系统的上述优点与本课题要 完成的数据实时传输任务非常吻合，所以采用数字光纤传输系统做为水下机 器人的专用传输系统是非常合适的。 同时由于要传输的每路数据量与光纤传输系统的带宽相比都不是很大， 所以如果每一路数据选用l 根光纤传输的话势必会造成通信线路的浪费，而 且成本也会由此增加很多。本文基于时分复用和波分复用技术同时结合本课 题的实际需要实现所有的数据在l 根光纤中双向传输，很好的解决了线路浪 费的问题，降低了系统成本。 1 2 基本光纤传输系统的构成 光纤传输系统主要由光发送机、光纤光缆和光接收机三大部分组成。如 图1 1 所示。 需要传输的电信号加到光发送机的输入端，为了提高传输质量，先将电 信号通过电调制器进行电信号的处理，然后把处理后的电信号经过光源驱动 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 光纤传输系统的基本组成 电路变成电流信号来驱动光源( 激光器( l d ) 或发光二极管( l e d ) ) 将电 信号转换成光信号从光源器件组件的尾纤发射出去，经过一定长度的光纤传 输后光信号被送达到光接收机端；在光接收机端，光电检测器件( 主要有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管( a p d ) ) 对输入的光信号进行直接检波，把光 信号转换为相应的电信号，然后再经过放大整形恢复等电处理，以补偿在传 输过程中带来的信号损伤，提高系统输出的信噪比，最后输出和原始输入一 致的电信号，从而完成了电信号的整个传输过程 2 1 。 1 3 光纤传输系统的分类 根据光纤传输系统所使用的光波长、传输光纤、传输信号形式、光电检 测方式、复用方式等不同，可分为各种光纤传输系统 3 1 。根据光纤传输所使 用的波长不同可分为短波长、长波长和超长波长光纤传输系统。根据光纤传 输系统所使用的传输光纤不同可分为多模和单模光纤传输系统；根据光纤传 输系统所使用信号形式不同可分为光纤模拟传输系统和光纤数字传输系统； 根据光纤传输系统光电检测方式不同可分为直接检测和相干检测光纤传输系 统；根据光纤传输系统所使用的复用方式不同可分为光时分复用( o t d m ) 、 光频分复用( o d f m ) 、光波分复用( w d m ) 、光空分复用( o s d m ) 和光码 分复用( o c d m ) 光纤传输系统。具体分类见表1 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 光纤传输系统的分类 分类类别特点 系统工作波长为8 0 0 n m - - 一9 0 0 n m ，中继距离 短波长光纤传输系统 短 系统工作波长为1 0 0 0 n m 1 6 0 0 h m ，中继距 按波长划分长波长光纤传输系统 离长 系统工作波长为2 0 0 0 h m 以上，中继很长， 超长波长光纤传输系统 非石英系列光纤 石英多模光纤，传输容量较小，通常在 按光纤特点 多模光纤传输系统 14 0 m b i t s 以下 划分 石英多模光纤，传输容量大，通常在 单模光纤传输系统 14 0 m b i t s 以上 按信号传输 光纤数字传输系统传输数字信号，抗干扰能力强 方式划分 光纤模拟传输系统传输模拟信号，适合短距离传输，成本低 按光电检测 直接检测光纤传输系统光作为粒子来处理，设备简单 方式划分 光作为波长来处理，光接收机灵敏度高， 相干检测光纤传输系统 中继距离长，通信容量大，设备复杂 光时分复用传输系统按照时间分割进行光信号多路复用 光频分复用传输系统按照频率分割进行光信号多路复用 按复用方式 光波分复用传输系统按照波长不同进行光信号多路复用 划分 光空分复用传输系统 按照空间波面分割进行光信号多路复用 光码分复用传输系统按照正交码序列不同进行光信号多路复用 频率和波长互为倒数关系，因此光频分复用与光波分复用原理相同，只 是习惯上将光频细分即光信道非常密的称为光频分复用，而将光频粗分称为 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光波分复用。 1 4 光纤传输技术的发展及现状 光纤传输技术的发展是从模拟走向数字的方向发展的。从上世纪7 0 年代 末光纤传输开始大踏步走入商用开始，人们不断的进行光纤传输技术的研究， 从采用的调制方式方面看，从上世纪7 0 年代末到目前，光纤传输技术主要经 历了以下几个发展阶段【2 3 ，4 ，5 ，6 】： 第一阶段：直接强度调制( d d i m ) 光纤传输技术。直接光强调制技术 主要是指基带模拟信号的直接强度调制技术，其发送光源的功率直接由模拟 信号的幅度来激励。基带模拟信号的直接光纤调制传输是模拟光纤传输最基 本的传输技术，它的研制始于上世纪7 0 年代末。这种方式可以省去复杂的调 制和解调电路，系统配置简单，成本低。该种调制技术主要应用于c a t v 系 统中，广泛的采用所谓的残余边带调幅方式( v s b a m ) ，将多个电视基带模 拟信号调制到特高频和甚高频载波上，在对光源进行直接强度调制。v s b a m 这种调制方式只切除电视频谱的一个边带，完整的保留了另一个边带，因而 边带形成滤波器容易实现，同时又保留了双边带调制良好的基带低频特性， 其带宽仅比单边带稍宽。接收机的用户就是普通的家用电视接收机，可以直 接接收高频电视信号，很方便。但其主要缺点是对光源的线性要求很高，容 易受光路的影响，光功率预算值很低，约为8 d b 1 3 d b 。 第二阶段：脉冲模拟调制光纤传输技术。脉冲模拟调制的研制始于上个 世纪8 0 年代初，是针对改进直接光强调制的受光源线性要求高的缺点而开始 研究的。脉冲模拟调制需要对模拟信号进行周期性抽样，使时间上离散化， 然后再利用信号幅度来调制一脉冲串，改变脉冲信号的不同参数来传递消息 信号，最后再对光源进行强度调制。根据对电信号的调制方式不同，可划分 为脉冲幅度调制( p a m i m ) 、脉冲宽度调制( p w m i m ) 、脉冲位置调制 ( p p m i m ) 及脉冲频率调制( p f m i m ) 。通常p a m i m 方式受光源非线性 影响较大，其效率甚至不如d d i m ，因此很少使用。p w m i m 方式靠改变脉 哈尔滨工程大学硕七学位论文 冲的时间来提供信息量，因此大部分的发送能量不包含任何信息，效率很低， 近年来也很少采用。p p m i m 和p f m i m 方式靠改变脉冲的时间来提供信息 量，与脉冲宽窄无关，因而允许很窄的脉冲来承载信息变化，可以提供较高 的信噪比。其中p f m i m 方式具有宽带f m 增益，因而信噪比优于p p m i m ： 其次，p f m i m 的终端设备也相对比较简单；最后，p f m i m 方式允许实现 频分复用传输，因而到目前为止采用p f m i m 调制方式的光纤传输系统仍然 在很多场合应用。 第三阶段t 副载波调制( s c m ) 传输技术。自8 0 年代中后期以来，由 于1 0 - 2 0 g h z 高速i n g a a s p 激光器和检测器的研究已取得了重大进展，加之 单模光纤技术的成熟，借助于现有的微波技术而发展起来的所谓微波副载波 复用光纤传输技术开始大范围的研究。副载波调制又称副载波复用，是将多 个基带信号分别调制不同频率的电载波( 这些电载波一般在微波波段) ，即进 行电的频分复用，然后把这些经过频分复用的电信号群对一个光源进行调制， 而后进入光纤。也就是说在发送端要经过两次调制，一次进行电调制，然后 再经过一次光调制。在接收端，先有光电检测器检出电频分复用电信号群， 再用电的方式把各个载波分开，经过解调，恢复原来的各个基带信号。s c m 传输技术目前被认为是光纤多路信号传输最实用的技术之一，也被视为由现 存网向宽带综合业务数字网( b i s d n ) 过渡的有力工具。 第四阶段：数字传输技术。虽然模拟传输技术在很多方面已经发展的很 完善了，但是由于要模拟调试要进行调幅、调相和调频，所以模拟信号的幅 度变化与载波信号因调制而引起的幅度、相位、频率的变化是否为一一对应 的线性关系成为模拟调试信号质量的好坏，到目前为止，很难做到真正线性 调制，非线性必然引起信号失真；同时调制好的载波信号还要调制成光信号， 光信号的线性也是非常重要的因素。所以从上世纪9 0 年代中期，数字传输技 术开始大范围的研究。数字传输是将模拟信号进行高分辨率数字化，然后把 这些数字信号经过光源调制成光脉冲信号输入到光纤线路中去。在接收端， 光检测器把光信号转变成电信号，然后放大、均衡等处理后恢复成原数字信 6 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i 宣i i 置i i 置 号输出，输出的原数字信号经过模数转换恢复成模拟信号。数字传输技术在 稳定性和信号传输质量等方面都优于模拟传输技术，未来将成为光纤传输技 术的主要应用手段。 目前在高速公路、交通、监控、安防、银行、电力、水利、工业自动化 等领域，视频图像、音频、数据、电话、以太网等专用光纤传输系统开始广 泛大量地应用。在2 0 0 0 年之前模拟传输系统得到广泛的应用。随着数字化不 断的进入人们生活的各个领域，从2 0 0 0 年之后国内外工程上开始大量应用数 字光纤传输系统。 在国外，以芬兰的t e l e s t e 公司为代表许多欧美厂家在上世纪9 0 年代中 期就投入很大的人力、物力开发数字光纤传输系统的系列产品，起步较早， 因而其产品的技术含量、容量、可靠性和稳定性都优于国内产品。 国内数字光纤传输技术是在欧美公司产品的技术基础上开发出来的，由 于受主要芯片价格的影响，像高速的模数及数模转换器，千兆位串并转换编 解码器；再加上关键编解码技术实现的难度，极大地影响了国内的研发进程， 同时考虑到市场对数字光纤传输系统产品的认可程度( 主要是价格因素) ，因 而技术水平始终停留在理论阶段。但随着国内对数字光纤传输系统的需求越 来越大，国内厂商逐渐开始自主研发数字光纤传输系统产品。2 0 0 2 年到2 0 0 4 年期间，是国内企业发展的黄金时间，数字光纤传输系统产品利润极度丰厚， 市场容量进一步扩大，目前市场上的知名品牌如江苏新创、北京兆维| 、北京+ 蛙视、上海华敏光通讯等厂商大多在这段时间成长、壮大的。 1 5 本文的主要工作和基本结构 本论文所做的研究工作是基于f p g a 的数字光纤传输系统的设计。主要 进行了以下四方面的工作： ( 1 ) 设计了一种基于f p g a 的多路数据和一路数字视频信号混合传输的 数字光纤传输系统，核心器件选择a l t e m 公司的c y c l o n ei i 系列e p 2 c 8 t 1 4 4 ， 视频采用无压缩方式传输，光纤线路码型选用的是字母型码的最典型的 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m b n b 码。 ( 2 ) 利用可编程逻辑语言v e f i l o gh d l 语言和a l t e r a 公司定制的i p 核 库实现了时分复用模块、高速串行发送器模块、高速串行接收器模块和解时 分复用模块。 ( 3 ) 搭建了系统的各模块仿真平台，对用f p g a 设计实现的时分复用模 块、高速串行发送器模块、高速串行接收器模块和解时分复用模块等模块进 行了功能仿真验证。 ( 4 ) 搭建了系统硬件平台，完成了系统硬件调试和软件板级验证，最后 将系统组合在一起联调，并对系统的技术指标进行了测试。 论文共分为六章，各章的内容如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了课题的研究背景和意义，光纤传输系统 的基本组成和分类以及光纤传输技术的发展及现状。 第二章对数字光纤传输系统的整体设计方案进行论述，并介绍系统性能 特点和所要完成的技术指标要求。 第三章对f p g a 技术做了概述性的介绍，并介绍了a l t e r af p g a 的软件 设计方法。 第四章介绍了数字光纤传输系统发送端的设计，包括模拟视频信号的数 字化电路设计，时分复用模块设计和仿真验证以及整个高速串行发送器的设 计和仿真验证。 第五章介绍了数字光纤传输系统接收端的设计，包括将数字视频转模拟 化电路，解时分复用模块设计和仿真验证以及整个高速串行接收器的设计和 仿真验证。 第六章介绍了数字光纤传输系统的硬件实现和软硬件调试，并给出了技 术指标的测试结果。 最后总结本文并做出未来工作展望。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j i r li i l 聋 第2 章系统的整体方案设计 本课题主要设计对象是多路数据的双向传输和一路视频的单向传输的数 字光纤双向传输系统，目的是针对遥控式水下机器人而设计的性价比较高的 实时传输系统。其特点是误码率低、图像质量高、抗电磁干扰能力强等。 2 1 系统的所要达到的技术指标 为了实现水下机器人与岸基之间良好的通信，要求系统达到以下性能指 标： ( 1 ) 视频传输技术要求： 通道数：1 单向 制式：p a l 信号电平：i v p p 信号阻抗：7 5 q 视频带宽：1 0 h z 6 m h z 微分增益d g ：小于5 微分相位d p ：小于5 0 ( 2 ) 数据传输技术要求： 通道数：8 路双向 传输速率：r s 2 3 2o 1 2 0 k b p s ，r s 4 8 5 r s 4 2 20 - - 2 5 0 k b p s 误码率：小于l o 9 ( 3 ) 要求整个系统达到的其他性能指标： 工作温度：n 7 0 灵敏度：高于2 5 d b m 动态范围：大于2 0 d b 无中继传输距离：5 k m 以上 2 2 系统的基本设计思想 系统的设计基于时分复用( t d m ) 技术和波分复用( w d m ) 技术采用 串行传输的方式来实现一根光纤传输1 路单向视频信号及8 路双向数据。系 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l ii i i 置i i 一一 r = 鼍葺 统的基本设计思想模型如图2 1 所示，系统采用二次复用方法，在水下数字 一水下数字光端机 水上数字光端机 图2 。l 系统的基本设计思想模型 光端机中，l 路模拟视频信号经过a d 转换为1 路数字视频信号，1 路数字 视频信号与8 路数据经过一个时分复用模块复用为多路较高速的并行数字信 号，再经过高速串行发送器进行二次复用，得到高速串行的数字信号去驱动 光收发一体模块去发光，光信号通过水密光缆传输到水上数字光端机中，水 上数字光端机的光收发一体模块将接收到光信号转换为高速的电信号后，首 先经过高速串行接收器进行一次复用得到较高速的并行数字信号，然后将多 路并行的数字信号送到解时分复用模块进行二次解复用，得到l 路数字视频 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i 信号和8 路数据，l 路数字视频信号经过d a 转换后即可输出水下机器人采 集的模拟视频信号。同时水上光端机将8 路正向数据按照上述相反的过程传 输给水下机器人，完成了岸基与水下机器人的全双工通信。 2 3 系统的整体结构设计 本课题设计了多路数据的双向传输和一路视频的单向传输的数字光纤双 向传输系统由水下数字光端机和水上数字光端机两部分部分组成，采用了基 于单片f p g a 的设计方案。在水下数字光端机中主要完成1 路视频信号与8 路数据的向水上数字光端机传输和接收水上数字光端机发送过来的8 路数 据，与此同时水上数字光端机主要完成对水下数字光端机发送的视频信号与 8 路数据的接收和发送8 路数据到水下数字光端机，为了实现数据的双向传 输，系统分别在水下数字光端机和水上数字光端机中应用了光收发一体模块 和波分复用器，这样就实现了数据在一根光纤的双向传输。 由于在本课题的系统设计过程中水下数字光端机的视频和数据的发送与 水上数字光端机的数据发送在功能上大部分是相同的，同时在水下数字光端 机的数据接收与水上数字光端机的视频数据接收在功能上也是大部分相同 的，所以本课题的系统在设计过程中，把系统的整体结构分为发送端和接收 端两大部分进行设计的。 在系统的发送端，其原理结构框图如图2 2 所示，由水下微光摄像机输 出的模拟视频信号经过视频前端处理后，由模数转换芯片转换为数字视频信 号，然后将数据和数字视频信号送入到时分复用模块进行一次复用，复用为 较高速的并行数字信号，并行数字信号进入线路编码模块后经过线路编码后 再被送到并串转换模块进行二次复用，得到的高速串行信号去驱动激光器发 光完成数据的发送。其中时分复用模块、线路编码模块和并串转换模块都在 f p g a 内部实现。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f p g a l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 2 发送端原理结构图 在系统的接收端，其原理结构框图如图2 3 所示，光接收模块将接收到 的光信号转换成高速串行信号后，首先进入并串转换模块进行一次解复用得 到了较高速的并行数字信号，然后将经过线路解码模块进行线路解码，解码 后输出的并行数字信号再被送到解时分复用模块进行二次解复用，得到了数 字视频信号和多路数据信号，数字视频信号再通过d a 转换成模拟视频信号。 其中解时分复用模块、线路解码模块和串并转换模块也都在f p g a 内部实现。 f p g a 图2 3 接收端原理结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 系统的性能特点 本课题设计的数据和视频混合传输系统结合了数字化技术与光纤传输技 术，并且采用了无压缩的视频和数据传输方案，使得本系统具有如下特点： ( 1 ) 采用光纤作为传输介质传送信号，具有很好的传输性能，传输容量 大、损耗很小、距离远，与此同时由于光纤本身材料的性质使其成为很好的 绝缘体，因此不存在任何电磁干扰和电气危害等问题。 ( 2 ) 基于无压缩的视频和数据传输技术，无需对数字视频信号和数据进 行压缩和解压缩处理，不会产生系统延时，能够达到很好的实时性，能够使 操作员或者程控电脑在第一时间获得水下机器人在作业时的运动姿态。 ( 3 ) 基于数字通信中的时分复用技术，采用二次复用方案和利用光波分 复用技术，实现在一根光纤中传输1 路单向视频信号和8 路双向数据，减少 了光缆芯数，降低系统的设计成本。 ( 4 ) 采用基于单片f p g a 的设计方案，提高了系统的集成度、灵活性， 方便系统调试和升级等。同时采用f p g a 芯片进行系统集成后，外部连线减 少，因而可靠性明显提高。 2 5 本章小结 本章首先介绍本课题要求系统达到的技术指标，接着介绍系统的基本设 计思想，然后给出系统的整体设计框图，包括数字光纤传输系统发送端和数 字光纤传输系统接收端两部分，最后介绍了系统的性能特点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j iib i i i 置i i i j 鼍 第3 章f p g a 技术概述 3 1f p g a 器件的简介 f p g a 是f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程逻辑阵列 7 1 of p g a 是在c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 即复杂的可编程 逻辑器件) 的基础上发展的新型高性能可编程逻辑器件。大部分的f p g a 采 用s r a m 工艺，也有一些军品和宇航级f p g a 采用f l a s h 工艺或者a n t i f u s e ( 反熔丝) 工艺等。f p g a 的集成度高，其器件的集成度从一般的几万门到 高级的几千万门不等，目前f p g a 内部除了基本逻辑单元外还包括有丰富的 嵌入式r a m 、p l l 和h a r di p c o r e ( 硬知识产权功能核) 等，一些高端的f p g a 产品甚至还包含d s p 或c p u 等软处理核 7 1 。 f p g a 是特殊的a s i c ( 专用集成电路) 芯片，它除了具有a s i c 的特点 之外，还具有以下几个优点【8 】： ( 1 ) 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断 提高，单芯片的集成度将越来越高。 ( 2 ) f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承 担风险，只需要在实验室里即可完成芯片的最终功能设计。 ( 3 ) 用户可以反复编程、擦除、使用，或者在外围电路不动的情况下用 不同的软件编程就能实现不同的功能。 ( 4 ) f p g a 工作方式与单片机相比，单片机的指令有固定的执行方式， 至少需要4 个时钟周期而且频率较低；而f p g a 的运算执行方式会根据实现 该运算硬件电路方式不同而不同，所以其运算速度会远高于单片机。 3 2f p g a 器件的选用 在开发选择f p g a 器件时，一般遵循“多、“快 、“好”、“省4 个原 则。“多 就是芯片功能多，“快 就是芯片速度快，“好 就是芯片的性价比 高，“省就是芯片的功耗低、省电。所以在选择产品时，一般需要考虑以下 技术因素【8 】： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 器件的逻辑资源量的选择。适当估测一下功能资源以确定使用何种 器件，对于提高系统设计的性价比是很有好处的。不同的p l d 公司在其产品 的数据手册中描述芯片逻辑资源的依据和基准不一致，所以在有很大出入。 ( 2 ) 芯片速度的选择。随着可编程逻辑器件的集成技术的不断提高， f p g a 的工作速度也不断提高，p i n t o p i n 延时已经达到i l s 级，在一般的应用 中，器件的工作频率已经完全足够了。 ( 3 ) 价格的选择。早期f p g a 价格较昂贵，但随着细微化的进步，f p g a 芯片面积缩小，价格迅速下降。例如a l t e r a 的a c e x1 k2 5 v 系列产品的集 成度达到1 0 万门，价格从3 5 美元到1 1 9 5 美元不等。 ( 4 ) 器件功耗的选择。由于在线编程的需要，f p g a 工作电压越来越低， 3 3 v 和2 5 v 甚至更低的工作电压已经使用十分普遍。推荐使用3 3 v 、2 5 v 元器件。因此，在低功耗、高集成度方面，f p g a 已具有绝对优势。 ( 5 ) i o 口数的选择。i o 口数的选择一般以满足需求数的原则为基准， 因为越多i o 的器件，引脚间距越小，要求p c b 引线越细或者p c b 层数越 多，同时这种引脚间距小的器件徒手难于焊接，这些都增加了系统的开发难 度和成本。 目前，f p g a 的主要器件供应商有x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 、a c t e l 和a t e m e l 等，其中x i l i n x 和a l t e r a 两大公司生产的f p g a 市场占有率最高。他们生产 的f p g a 都是基于并行模式的；需