（光学工程专业论文）高速数字视频光纤传输系统.pdf

中文摘要 视频光纤传输技术是远程监控和有线电视系统中常用的重要技术，具有传输 频带宽、传输信息量大、传输损耗低、传输质量高、传输距离远以及抗电磁干扰 性能好等优点。本文将数字化技术与光纤传输技术相结合，提出了一种基于时分 复用技术的多路数字视频光纤传输系统方案，采用串行数字视频信号传输方式， 实现了多路数字视频信号的光纤传输。 本论文主要包括以下几项工作： 1 首先根据高速数字视频光纤传输的原理构建了五路数字视频光纤传输系 统的总体方案。本系统采用多路数字视频信号时分复用( t d m ) 和数据串行传 输相结合的技术方案实现高速数字视频信号的光纤传输。 2 根据高速数字视频光纤传输系统的总体方案，建立了五路数字视频信号 耐分复用的实验系统。 系统中包括数字视频信号发送模块、串并转换电路、光收发模块和视频信 号接收模块。针对实验系统的构成和特点，进行了器件的选择和参数的确定。 3 根据实验系统方案，对视频传输系统的光路和电路进行设计，其中电路 部分设计包括：数字视频信号发送和接收电路的设计、串并转换电路设计、光收 发( l a s e rt r a n s c e i v e r ) 电路设计以及系统电源电路设计。 4 实验系统中，高速电路的p c b 设计、高速信号走线之间的串扰、系统信 号同步以及传输线效应等关键问题做了仿真优化，并进行了深入的理论分析。用 h y p e r l y n x 软件对高速信号线做了串扰仿真，优化了p c b 板的设计。 关键词： 视频监控、光纤通信、传输线、时分复用、h y p e r l y n x 仿真 a b s t r a c t v i d e oo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g yf r e q u e n t l y a d o p t e di nl o n gd i s t a n c ev i d e os u p e r v i s o r ys y s t e ma n dc a t vt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ， w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha saw i d et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h 、al a r g eq u a n t i t y o f i n f o r m a t i o n ，l o wt r a n s m i s s i o nl o s s ，h i g ht r a n s m i s s i o nq u a l i t y ，l o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c ea n dh i g hi n t e r f e r e n c ef r e eq u a l i t y i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h ed i g i t a l t e c h n o l o g ya n d t h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yam u l t i - c h a n n e lh i 曲- s p e e d d i g i t a lv i d e oo 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 mb a s e do nt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gi s d e s i g n e d t h es y s t e ma d o p t ss e r i a lt r a n s m i s s i o nm o d eo f t h ed i g i t a l v i d e o s i g n a lt o m a k et h em u l t i c h a n n e ld i g i t a lv i d e os i g n a l sc a nt r a n s m i ti nt h eo p t i c a lf i b e r t h em e t h o d sa n de x p e r i m e n t si nt h ep a p e ra r em a i n l ya sf o l l o w s ： 1 f i r s t l yaf i v e c h a n n e ld i g i t a lv i d e oo 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 sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h eh i g h - s p e e dd i g i t a lv i d e oo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nt h e o r y p r e s e n t e di nt h ep a p e r t h es y s t e ma d o p t sac o m b i n a t i o no f t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga n ds e r i a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u et ot r a n s m i th i g h s p e e dd i g i t a lv i d e o s i g n a l si no p t i c a lf i b e r 2 a ne x p e r i m e n ts y s t e mi sd e s i g n e dw i t hf i v e - c h a n n e ld i g i t a lv i d e os i g n a l s m u l t i p l e x e db yt i m ed i v i s i o na c c o r d i n gt ot h es y s t e mp r e s e n t e da b o v e t h es y s t e mi n c l u d e sd i g i t a lv i d e os i g n a l st r a n s m i t t i n gm o d u l e s e r i e s - p a r a l l e l c o n v e r s i o nm o d u l e ，l a s e rt r a n s c e i v e ra n dd i g i t a lv i d e os i g n a l sr e c e i v i n gm o d u l e d e v i c e sa r es e l e c t e da n dp a r a m e t e r sa r ef i x e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dt h e f e a t u r e so ft h es y s t e m 3 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h eo p t i c a ll i n ka n d c i r c u i t sa r ed e s i g n e df o r t h ed i g i t a lv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m , i nw h i c ht h ec i r c u i t sd e s i g ni n c l u d e sd i g i t a l s i g n a l st r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t sd e s i g n 、s e r i e s - p a r a l l e lc o n v e r t i n gc i r c u i t d e s i g n 、l a s e rt r a n s c e i v e rc i r c u i td e s i g na n dt h es y s t e mp o w e rc i r c u i t sd e s i g n 4 i nt h ep r o c e s so ft h es y s t e md e s i g n ，s o m ek e y p o i n t ss u c ha sp c bd e s i g nf o rt h e h i g hs p e e dc i r c u i t s 、t h ec r o s s t a l ko ft h eh i 【曲s p e e ds i g n a l st r a n s m i s s i o nl i n et h e s y n c h r o n i z a t i o no ft h es y s t e ms i g n a l sa n dt r a n s m i s s i o nl i n ee f f e c ta r es o l v e db y s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n at h e o r ya n a l y s i sa b o u tt h eh i g hs p e e ds y s t e mi s g i v e ni nd e t a i li nt h ep a p e r t h ec r o s s t a l ks i m u l a t i o nf o rt h eh i g h s p e e ds i g n a l t r a n s m i s s i o nl i n ei sc a r r i e do u tw i t ht h eh y p e r l y n xs o f t w a r ea n dt h ep c bd e s i g ni s o p t i m i z e d k e yw o r d s - v i d e o - m o n i t o r i n g ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t r a n s m i s s i o n l i n e ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，h y p e r l y n xs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：墨i 两 签字日期：枷口7 年厂月位e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：漏彳。 导师签名： 可刽 6 只i 暑e l 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展 第一章绪论 光通信的历史可以追溯到以烟火传递信息的远古时代。而近代光通信的真正 发展则是近几十年的事。其中起主导作用的是激光器和光纤的诞生。首先是1 9 6 0 年，梅曼发明了红宝石激光器，激光器产生的强相干光为现代光通信提供了可靠 的光源。1 9 6 6 年，高琨等人发表了对光纤通信发展具有历史意义的著名论文。 他指出如能将光纤中过渡金属离子减少到最低限度，并改进制造工艺，提高材料 的均匀性，就可使光纤的质量大大提高而成为实用的传输介质，而且可以使光纤 的损耗减少到每公里一分贝左右。在此理论的指导下，1 9 7 0 年美国康宁公司拉 出了第一根损耗为2 0 d b k m 的光纤，同一年贝尔实验室研制成功室温下可以连续 工作的半导体激光器，其体积小，重量轻，功耗低，效率高，是光纤通信的理想 光源。从此光纤通信开始飞速发展。 随着通信技术的飞速发展，光纤通信技术已成为通信的重要手段。光纤传输 系统具有容量大，传输距离远两大优势。光纤理论容量可达2 0 0 0 0 g h z ，无中继 传输距离可达5 0 一8 0 公里。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大进行了世界上第一个实 用光纤通信系统的现场试验，系统采用g a a l a s 机激光器作光源，多模光纤作传输 介质，速率为4 4 7 m b s ，传输距离约l o k m 。1 9 8 0 年美国标准化光纤通信系统投 入商业应用，系统采用渐变型多模光纤，速率为4 4 7 m b s 。1 9 7 6 年和1 9 7 8 年， 日本先后进行了速率为3 4 m b s ，传输距离为6 4 k m 的突变型多模光纤通信系统，以 及速率为l o o m b s 渐变型多模光纤通信系统的试验。随着光纤通信技术的成熟， 光缆线路从陆地敷向海底。美、日、英等国联合建立的太平洋光缆、横跨大西洋 的海底光缆都相继开通u 1 。 从各国光纤通信技术发展的情况来看，光纤通信的发展大致经过了以下几个 阶段时1 们： 第一代光纤通信系统2 0 世纪7 0 年代后期投入使用，工作波长为入= 8 5 0um 波长段的多模光纤系统。光线衰减为2 5 4 o d b k m ，系统的传输速率在2 0 l o o m b i t s 之间。接着在2 0 世纪8 0 年代初，工作波长为入= 1 3 1 0 um 波长段的 多模光纤系统投入使用。光线衰减为0 5 5 1 o d b k m ，系统的传输速率达 1 4 0 m b i t s ，中继距离为2 0 3 0 k m 。 第二代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代中期投入使用，工作波长为入= 1 3 1 0 | lm 第一章绪论 波长段的单模光纤系统。光线衰减为0 3 0 5 d s k m ，可传送准同步数字体系 ( p d h ) 的各次群信号，系统的传输速率可达1 7 g b i t s ，中继距离约为5 0 k i n 。 第三代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代后期投入使用，工作波长为入= 1 5 5 0l am 波长段的单模光纤系统。光线衰减为0 2 d b k m ，应用在同步数字体系( s d h ) 的 光纤传输网，系统的传输速率可达1 7 g b i t s ，中继距离约为5 0 k m 。 第四代光纤通信系统是采用光放大器来增加中继距离和采用波分复用和频 分复用技术来提高传输速率为特征。2 0 世纪9 0 年代初光纤放大器研制成功并的 投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。 第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性压缩，抵消由于光纤色散产生 的脉冲展宽的新概念产生的光孤子，来实现光脉冲的保形传输。2 0 世纪9 0 年代 后，各国的试验都取得了重大进展。例如在日本，已试验分别将l o g b i t s 和 2 0 g b i t s 的数据传输了2 5 0 0 k i n 和1 0 0 0 k m 。 纵观光纤通信的发展过程，可以看到以下几点发展趋势： 1 ) 由短波长向长波长发展； 2 ) 由多模光纤向单模光纤发展； 3 ) 由低速率向高速率发展； 4 ) 由准同步数字体系( p d h ) 向同步数字体系发展( s d h ) ； 5 ) 应用领域编辑市话、长途和接入网； 6 ) 新技术、新器件层出不穷。 总之，光纤技术将会在网络技术、单模光纤的传输技术、复用技术、器件集 成化、全光通信等方面获得进一步发展。 1 2 光纤通信系统的基本组成1 7 3 1 2 1 光纤通信系统的构成和传输原理 光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发射 机，广义信道、光接收机组成。如图卜1 所示。此外，系统还包括一些互连和光 信号处理器件，如光纤连接器、隔离器、光开关等。 在该系统中，信息源把用户信息转换成原始电信号，这种信号称为基带信号。 电发射机将该基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果经过调制，则 其输出信号称为已调信号。对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围 o 3 3 4 k h z 的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信号，并把 多路数字信号组合在一起。模数转换目前普遍采用脉冲编码调制( p c m ) 方式。 2 第一章绪论 这种方式是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码而实现的。一路话音转换成传 输速率为6 4 k b s 的数字信号，然后用数字复接器把2 4 路或3 0 路p c m 信号组合 成1 5 4 4 m b s 或2 0 4 8 m b s 的一次群甚至高次群的数字系列，最后输入光发射机。 对于模拟视频传输，则用摄像机把图像转换为6 m h z 的模拟基带信号，直接输入 光发射机。为提高传输质量，通常把这种模拟基带信号转换为频率调制信号( f m ) 、 脉冲频率调制( p f m ) 或脉冲宽度调制( p w m ) 信号，最后把这种已调信号输入到 光发射机。还可以采用频分复用的技术，用来自不同的信息源的视频模拟基带信 号( 或数字基带信号) 分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带 有信息的射频信号组合成多路宽带信号，输入光发射机，由光载波进行传输。在 这个过程中，受调制的射频电波称为副载波，这种采用频分复用的多路视频传输 技术，称为副载波复用( s c m ) 。 j 无 懂 - 反 射 机 l 信号输入7 图卜1 光纤通信系统的组成 不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通 过调制转换成为光信号。光载波经光纤线路传输到接收端，再由光接收机将光信 号转换为电信号。电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收到的电信号 转换回基带信号，最后由信息终端恢复信息。在整个通信系统中，在光发射机之 前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电通信相同。不同 的是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光路系统代替了电路传输。 1 2 2 基本光路系统 1 光发射机 光发射机的作用是把输入的电信号转换成光信号并将光信号最大限度的注 入光纤传输系统。光发射机由光源、驱动器和调制器组成，发射机的核心是光源。 对光源的要求是输出功率足够大，调制速率足够高，光谱线宽度和光束发散角小， 第一章绪论 输出光功率和光波长要稳定，器件寿命长。目前最广泛使用的光源由半导体激光 器( 或激光二极管，l d ) 和半导体发光二极管( l e d ) 。普通的激光器谱线宽度较 宽，是多纵模激光器，在高速率调制下，激光器的输出频谱较宽，从而限制了码 率和中继距离。一种谱线宽度很窄的单纵模分布反馈( d f b ) 激光器已经逐渐被 广泛应用。 光发射机把电信号转换成光信号的过程是通过电信号对光源进行调制实现 的。光调制有直接调制和间接调制( 外调制) 两种。直接调制是利用电信号注入 半导体激光器或发光二极管从而获得相应的光信号。其输出功率的大小随信号电 流的大小而变，这种方式较简单，容易实现，但调制速率受激光器特性所限制。 外调制是把激光器的产生和调制分开，是在激光形成后再加载调制信号，是用独 立的调制器对激光器输出的激光进行调制。 2 光纤线路 光纤线路是光信号的传输介质，把来自发射机的光信号以尽可能小的衰减和 脉冲展宽传送到接收机。对光纤的要求是光纤的基本传输参数色散和衰减要尽可 能小。光纤要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞合 在一起组成的光缆。整个光纤线路由光纤、光纤接头、光纤连接器组成。 目前使用的光纤为石英光纤。石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的 波长区，即波长为8 5 0 r 瑚，1 3 1 0 h m ，1 5 5 0 h m 三个低损耗区。为此光纤通信系统的 工作波长只能选择在这8 5 0 n t o 、1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m 三个波长窗口。激光器的发射波 长、光电二极管p i n 的响应波长都与其一致。这三个低损耗窗口的损耗分别小于 2 d b k m 、0 4 d b k m 、0 2 d b k m 。石英光纤在1 3 1 0 n m 波长附近有一个零色散区， 其色散值可以做到最小，其带宽可以达到几十g h z 1 m 。通过光纤的设计，可以 将零色散波长移到1 5 5 0 n m 处，做成可以在波长1 5 5 0 h m 处实现损耗合色散都最小 的色散位移光纤。为适合光纤通信系统中的波分复用技术的应用，又制成了非零 色散位移光纤。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输性能比多模光 纤好，在大容量、长距离的光纤传输系统中都采用单模光纤。 3 。光接收机 光接收机的功能是将由发送机发送的，经光纤线路传输后输出的已产生畸变 和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大、再生恢复为原来的电信号。 光接收机由光电二极管p i n 、放大器和相关电路组成。对光电二极管p i n 的 要求是响应度高、噪声低、响应速度快。目前广泛使用的光电二极管p i n 由光电 二极管( p i n ) 和雪崩二极管( a p d ) 。 光接收机把光信号转换为电信号的过程是通过光电二极管p i n 实现的。光电 4 第一章绪论 二极管p i n 检测的方式有直接检测和外差检测两种s 直接检测是由光电二极管 p i n 直接把光信号转换为电信号。外差检测是在接收机中设置一个本地振荡器和 一个混频器，使本地振荡光和光纤输出的光进行混频产生差拍而输出中频信号， 再经过光电二极管p i n 把中频信号转换成电信号。这种外差检测方式中，对本地 激光器的要求很高，要求光源是频率非常稳定，谱线宽度很窄，相位和偏振方向 可控制的单模激光器。其优点是接收灵敏度高。目前实用的光纤通信系统中普遍 采用直接调制一直接检测方式。外差检测用在相干光纤通信，虽然外差调制一外 差检测的方式技术复杂，但有着传输速度高，接收灵敏度高等优点，所以是一种 应用前途的通信方式。 衡量接收机的质量的主要指标是接收机灵敏度。它表示在一定的误码率条件 下，接收机调整到最佳状态时接收微弱信号的能力。接收机的噪声是影响接收机 灵敏度的主要因素。 1 3 视频光纤传输系统的分类 视频光纤传输系统可以根据所使用的光波长、传输光纤类型、传输信号形式 和复用方式等多个标准进行分类 1 8 - 2 5 】。 1 3 1 按传输光纤类型划分 根据电磁场理论，光纤中存在着许多不同的传输模式，按传输模式的多少， 光纤可以分为多模光纤和单模光纤，相应的光纤视频传输系统分为多模光纤视频 传输系统和单模光纤视频传输系统。但由于多模光纤的色散效应和衰耗较大，其 最大传输距离一般不能超过5 k m ，所以，除了先前已经铺好了多模光纤的地方外， 在新建的工程中一般不再使用多模光纤，而主要使用单模光纤。 1 3 2 按传输信号类型划分 视频光纤传输系统按传输信号的形式不同可分为模拟视频光纤传输系统和 数字视频光纤传输系统。而对于模拟视频光纤传输系统而言，又有多种不同的调 制方式，其中常用的有两种。 1 模拟基带直接强度调制( d i m ) 。d i m 是用基带视频信号直接对光源进行 强度调制，使光源的光强度直接随视频信号的变化而变化。它具有电路简单，成 本较低的优点，但不足之处是需要具有高度线性的发光器件，难以应用激光器做 第一章绪论 光电器件，所以只适用于短距离的视频传输。 图1 - 2 模拟基带直接光强调制系统框图 t ) 2 脉冲频率强度调制( p f m i m ) 。p f m - i m 是先把模拟基带视频信号进行脉冲 调频处理，产生脉冲频率随输入模拟基带信号幅度变化的等幅、等宽的p f i m 信号， 然后用该调频信号去驱动光源，进行光强度调制( i m ) 。由于此种调制方式驱动光 源的是脉冲调频信号，基本上不会受光源非线性的影响，因而可以采用线性特性 相对较差，输出光功率较大的普通激光器作为光源，从而增大系统的传输距离。 数字视频光纤传输系统根据是否对数字视频信号进行压缩可分为： 1 非压缩数字视频光纤传输系统。这种传输系统是将数字化的视频信号不经 压缩直接通过光纤进行传送，其数据传输速率较高，占用带宽宽，但由于未采用 压缩技术，所以视频传输质量高、实时传输效果好。 2 基于各种压缩算法的数字视频光纤传输系统。此种传输系统是用适当的压 缩技术对数字化的视频信号进行压缩，使其占用较低的信号传输带宽，以利于大 容量多路数字视频信号的传输。但由于视频压缩与解压缩处理需要一定的时间， 所以该系统会造成一定的传输延时，因而实时性较差。另外当压缩比高( 数据传 输速率低) 时，图像失真严重，容易出现“马赛克”及块效应的现象。 1 3 3 按复用方式划分 为了提高光纤利用率，降低成本，通常在一根光纤中传输多路视频信号，即 复用。光纤通信系统中的复用方式可从光复用和电复用两方面考虑。在电复用方 面可分为副载波复用( s c m ) 和时分复用( t d m ) ；在光复用方面有光空分复用( s d m ) 和光波分复用( w d m ) 之分。 l 副载波复用( s c m ) ：副载波复用方式利用电频分复用技术，将多路视频信号 分别调制在不同的电副载波( 即射频电磁波，以区分波分复用中的光载波) 上，然 后用多副载波的合成信号对光源做强度调制。它通过增加频带宽度实现多路传 6 第一章绪论 输，工作带宽随着副载波的频率和频道数目的增加而增加。 2 时分复用( t d m ) ：时分复用常用于数字视频传输系统中，它将传输时间分为 若干个时隙，在每一个时隙内传输一路视频信号。由于是数字传输技术，所以信 道间干扰小，在器件速度允许的情况下可实现高质量大容量传输。目前p c m 电话 系统即是采用的这种复用方式。 3 空分复用( s d m ) ：空分复用是采用多芯光缆的传输方式，即二根光缆中有多 根光纤，每根光纤传输一路信号。由于光纤木身很细，这种方式有其实用性， 也是最简单的复用方式，但当传输信号的路数增多时，相应的光纤的根数需增加， 从而成本提高。 4 波分复用( w d m ) ：波分复用本质土是光域上的频分复用( f d y l ) 技术，它是在 光频率上进行分割，在同一根光纤内同时用几个光源的光频作载波信号来传输多 路视频信号。它是较有发展前途的复用方式，但也有其不足之处：复用路数受光 器件和波分复用器及分离器的限制，且成本高。 1 3 4 按光波长划分 对光纤的损耗谱特性研究发现，光纤对于不同波长的光波信号呈现不同的衰 减特征，而0 8 - 一0 9 u m 波段、1 2 1 3 u m 波段及1 4 5 - - 一1 5 5 u m 波段为三个相对低 的损耗区域，也是人们用作光纤通信的三个传输窗口。因此，根据光波长划分视 频光纤传输系统可分为： 1 ) 短波长光纤通信系统：工作波长为0 8 - - 0 9 u m 2 ) 长波长光纤通信系统：工作波长为1 0 1 6 u m 3 ) 超长波长光纤通信系统：工作波长2 u m ，且采用非石英光纤 1 4 本论文的主要工作和创新点 本论文对高速数字视频光纤传输系统进行了总体设计和分析，同时进行了具 体的实验系统的方案设计，并且对实验方案进行了深入的理论分析。 论文中着重讨论了高速数字视频光纤传输系统的设计，包括电路设计，器件 的选择和参数的确定以及p c b 电路板的设计。根据高速数字设计理论，利用仿真 软件，进行p c b 电路板的设计和仿真优化，成功的解决了走线之间的串扰，阻抗 匹配，系统时钟同步等高速电路问题。 本设计方案采用了t i 公司的高速并串转换器t l k 2 5 0 1 ，串行信号的传输速 率可达到2 5g b p s ，串行数字视频信号的高传输速率能够提高视频图像的传输 7 第一章绪论 质量，合理选择f p g a 芯片及外围芯片降低了总体设计的成本，并应用仿真软件 进行高频仿真优化，深入的分析了高速电路设计的仿真理论基础及其重要性。 8 第一章高速数字视频光纤传输系统 第二章高速数字视频光纤传输系统 2 1 视频光纤传输系统概述 2 1 1 课题背景 视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综 合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年 来，随着计算机网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控制技术也有 长足的发展。它通过固定摄像机和可遥控摄像机直接观看被监视场所，可以把被 监视场所现场的图像和声音信息通过通信线路传送到监控中心，同时视频监控系 统还可以与防盗报警等其它安全防范体系联动运行，使得防范能力更加强大陋3 引。 在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两 类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛 应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以 计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统 部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数 控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的 发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视 频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。 随着通信技术和集成电路技术的飞速发展，数字化视频光端机的产生解决了 以上的问题。数字化视频光端机是一种全新的、采用数字非压缩技术的、点对点 光端机，可以将视频和音频在一根光纤上同时传输；另外数字化视频光端机还可 以传输多种数据格式的数据信号、增容网络信号。与传统的模拟光端机相比，此 类产品有更小的微分增益失真和微分相位失真、更好的信噪比、更远的传输距离， 并很好地解决了光器件性能受工作环境影响的问题。数字视频技术既可以大大提 高图像的清晰度和质量，保持信号的纯度，还可以提高交互功能。 综上所述，目前视频光纤传输和监控系统主要有模拟视频监控系统和数字视 频监控系统，模拟系统主要采用s c m ( 副载波复用) 和波分复用技术实现，数字 系统主要采用时分复用、波分复用和数字视频压缩技术实现。而数字视频监控系 统以其自身的优势将会逐步取代模拟视频监控系统。 9 第二章高速数字视频光纤传输系统 2 1 2 数字信号并行与串行传输 数字信号的传输方式通常分为并行传输方式和串行传输方式两种。并行传输 是指每一个字符所包含的多个数据位分别占用一个信道，同时从发送端传送出 去，其信道数目与传输数据位宽相同。并行传输的特点是不需要对传输代码进行 时序转换，需要信道数目多，适合短距离、简单的数字信号的传输。串行传输是 利用t d m 时分复用的思想，将一个字符所包含的多个数据位在一个信道上按时间 先后一位一位依次传送出去，其特点为所需信道数目少，信道利用率高，适合于 远距离传输。在发送端和接收端需要并串转换和串并转换，需要实施同步措施， 以确保不产生错字。 以传送l o b i t 数字视频信号为例，并行传输和串行传输的传送示意图分别如 图2 - 1 和图2 - 2 所示。 发荽嫩鲁 + 接收设备 图2 1 数字视频信号并行传输 图2 2 数字视频信号串行传输 对于视频信号，具有数据量大，数据比较复杂等特点，如果采用并行传输方 式，将使传输系统过于笨重；而且以光纤作为传输介质，采用并行传输方式对光 纤的带宽资源是一种巨大的浪费，所以数字视频光纤传输系统多采用串行传输方 第二章高速数字视频光纤传输系统 式来实现。 2 1 3 视频光纤传输系统设计方案 1 基于时分复用的数字视频传输系统方案 非压缩多路数字视频光纤传输系统的设计基于时分复用t d m ( t i m e - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术，采用串行视频传输方式来实现在一根光纤中传输多路视频 信号。由于串行传输方式需要并串和串并转换，并需采取同步措施确保数据传 输的正确性，所以非压缩多路数字视频光纤传输系统的基本传输模型如图2 - 3 所 示。 图2 - 3 基于时分复用的数字视频传输系统框图 整个系统主要由视频信号发送模块，其功能主要为视频信号采集，a i d 转化、 时分复用电路( 由f p g a 实现) 、并串转换和串并转换电路、光收发模块、视频信 号接收模块组成。 。 2 基于时分复用和波分复用的数字视频传输系统方案 二次复用方案的思想类似于p e m ( p u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n ，脉冲编码调制) 多路数字电话系统的多次复用思想，这里采用二次复用。在发送端，多路模拟 视频信号经a d 转换为多路数字视频信号，为了减轻复接单元的压力，首先将多 路数字视频信号分别通过合路器进行一次复用，复用为多路较高速并行数字信 号，然后再将其送到复接单元进行二次复用，得到高速串行数字信号去驱动光源 发光；在接收端，接收到的光信号转换为高速串行电信号后，首先经过分接单元 进行一次解复用得到较高速多路并行数字信号，然后分别经分路器进行二次解复 模拟视频输入 模拟视频输出 第二章高速数字视频光纤传输系统 用得到多路数字视频信号，再通过d a 转换为多路模拟视频信号。其原理框图如 图2 4 所示。 图2 - 4 基于时分复用和波分复用的数字视频光纤传输系统 第一种方案是利用了一次复用，用f p g a 芯片对视频数据实现时分复用，针对 五路视频信号输入，单根光纤可实现五路数字视频信号的传输；第二种方案是利 用了两次复用，包括f p g a 芯片对视频数据的时分复用和光波分复用，这样单纤实 现了十路数字视频信号的同时传输。第二种方案是在第一种方案基础上的发展， 较第一种方案实现了更多路数据的同时传输，视频监控的范围更大，采集到的数 据更多。由于第一种方案是基础，本文对第一种方案做了详细的设计研究。 2 1 4 系统性能特点 本文中设计的数字视频光纤传输系统将数字化技术与光纤传输技术相结合， 1 2 第二章高速数字视频光纤传输系统 高速数字视频信号串行传输，并且采用非压缩的视频传输方案，其具有的系统性 能特点如下： 1 ) 以光纤作为传输介质传输信号， 干扰，损耗小，传输距离远。 2 ) 由于光纤本身是很好的绝缘体， 接地、屏蔽等问题。 具有极好的传输特性，传输频带宽，抗 所以不存在任何电气危害、电磁干扰、 3 ) 基于数字时分复用传输技术，如果采用二次复用方案可实现在单纤上同 时传输十路数字视频信号，充分利用光纤资源，降低系统造价。 4 ) 数字视频信号没有经过压缩即进行复用，系统传输速率高，高的传输速 率保证了视频信号的传输质量。 5 ) 采用非压缩的传输方案，无需对数字视频信号进行压缩和解压缩处理， 不会产生系统延时，系统实时性好。 系统在硬件实现上，采用了f p g a + a s i c 的实现方法并采用六层板的p c b $ i j 板 结构使其具有系统稳定、信号传输性好、集成度高、灵活性强、调试方便、抗干 扰能力强等特点。 2 2 视频光纤传输系统工作原理和实现 2 2 1 系统的工作原理 本系统整体上由数字视频信号发送模块、串并、并串转换电路、光收发模 块和数字视频信号接收模块组成。视频信号传输媒介为光纤传输。 首先将采集到的五路模拟视频信号送入数字视频信号发送模块，由模拟数字 转换电路将模拟信号转换为数字信号，然后将数字视频信号送入f p g a 芯片，由 f p g a 完成五路数字信号的时分复用，采用同步时分多路复用技术，用固定的时 间片分配方法，将公共信道的传输时间按特定长度连续的划分为“帧”，再将“帧” 划分为几个固定长度的时间片，然后把时间片以固定的方式分配给各个数据终端 ( 每一路信号具有相同大小的时间片) ，通过时间片交织形成多路复用信号，从 而把各低速数据终端信号复用成较高速率的数据信号。 经过复用的数字视频信号以并行传输的方式送入并串转换电路，由t l k 2 5 0 1 完成对数字视频信号的并串转换，经过转换后的高速串行数字视频信号由 t l k 2 5 0 1 送入光收发模块，由光收发电路完成对串行数字视频信号的电光转换， 将电信号转换为光信号然后送入光纤传输。 在接收端，由光纤传输的串行数字视频信号首先进入光收发电路经过光电转 第二章高速数字视频光纤传输系统 换后，由光信号转换为高速串行电信号，由光收发电路送入t l k 2 5 0 1 进行数据的 串并转换，经过转换t l k 2 5 0 1 输出并行数字视频信号。 并行数字视频信号送入数字视频信号接收模块，首先由f p g a 芯片完成对视 频信号的解复用处理，然后分别送入数字模拟转换电路，将数字信号转为为模拟 信号，再经过视频缓冲放大电路，最大程度上恢复为原始模拟信号输出给监控设 备进行监控。 2 2 2 系统方案的具体实现 整个方案是由上面所说的四部分电路组成，本文中完成了串并、并串转换 电路的原理图及p c b 设计、光收发电路的原理图及p c b 设计、视频信号接收模块 的原理图及p c b 设计以及视频信号发送模块的原理图设计。由于时间和条件的限 制，本方案没有进入实验阶段。p c b 板均为高速电路设计，设计过程中应用 h y p e r l y n x 软件做了高速信号线串扰仿真研究，优化了p c b 板的设计，提高了p c b 板的可行性，为后续工作打下了基础。 1 4 第三章视频光纤传输系统硬件电路设计 第三章视频光纤传输系统硬件电路设计 3 1 视频光纤传输系统电路设计 近十年来，随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，电子系统的 设计方法发生了很大的变化。过去，电子系统设计的基本思路一直是先选用标准 通用集成电路，然后通过设计电路板来实现所需功能，即“固定功能集成块+ 连 线”的设计方法。随着e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ，电子设计自动化) 和 可编程逻辑技术的出现，基于芯片的设计方法逐渐成为电子系统设计的主流。基 于芯片的设计方法即：设计者利用e d a 工具，采用c p l d 或f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 等可编程逻辑器件，根据系统需 要自己定义器件内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯 片的设计中进行。基于芯片的设计方法具有增强系统灵活性，提高系统性能，缩 短设计周期，缩小系统体积等优点。 非压缩多路数字视频光纤传输系统的设计将传统设计方法和基于芯片的设 计方法相结合，采用通用集成电路、专用集成电路及复杂可编程逻辑器件( f p g a ) 共同实现系统功能，使系统具有集成度高、可靠性好、灵活性强、设计调试方便 等特点。 3 1 1 视频a d 转换电路设计 视频a d 转换电路即数字视频信号的发送端，其主要实现的功能是，将采集 的视频模拟信号转换为数字信号，并通过f p g a 对多路数字视频信号进行时分复用 处理。 1 视频a d 转换芯片a d v 7 1 8 3 a d v 7 1 8 3 是美国a d i 公司的产品，它是c m o s 、采样频率5 4 m h z1 0 位过采样 模拟数字转换器( a d c ) ，过采样( o v e r s a m p l i n g ) 即如果在直流输入信号上叠加 一个交流( 抖动) 信号，并用比该交流信号频率高的多的采样频率进行采样，此 时得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示模数转换器的转 换结果便能得到比用同样模数转换高得多的采样分辨率。它可以对各种制式的基 带模拟信号进行转换，包括n t s c 、p a l 、s e c a m 、并可对这些制式的模拟信号自 动进行检测并转换。高级灵活的数字输出端口使其能够在行锁时钟系统中完成对 第三章视频光纤传输系统硬件电路设计 视频信号的解码和转换。这一特点使得器件非常理想的适用于更大范围的应用， 包括盘带信息源、广播信息源、安放监控摄像机以及其它的一些专业系统。 器件的差分增益和差分相位的典型值分别为0 5 和0 5 。，静态下其积分 非线性和差分非线性的典型值分别为0 6 l s b 和0 5 l s b 。用差分增益和差分相位 可以规定其动态特性范围。a d v 7 1 8 3 有两个工作温度范围，分别为0 c 7 0 和 一4 0 - 8 5 。其功能方框图如图3 - 1 所示。 lc l a m p 阱 酗强 射翻瞻静豫聃街_ 豫e 鞠豫 摊掌期皤黼 + u 雕置l h l 揣h 。蹴h 搬h 撼 帆乙 r 崦l 洲 每k 弘援伪脯t i 濑 _ 姒誓pl t 姒静胁p 饿_ w 轴耩p l l 躺 托豫s i ll l 埔_ i ll i 翻棚瓢 i 埔匹l v 循 墨 甜i 虻辫时芘涨娜骑辩 h 幽硎卜 艇默i 争旺 懈k 证鞭演 t i d h m 口 l i 锄c 叫 盯瓢 m溅。冉 矗暇l 啪 i 舶孵1 s 鸸 甲 i ， l1 1 盛i li i 1 傺h 嚣hh c 。l v j c i , i i i i ptl 默叫 船越般 l 糟蝴一ll 一一li 跚勰l 嗽一湍龋 麓叫 i m 德鼬俘嘲 fi 翮i 嗍 lo 氍淼馕 i 馕僵c i i 棚lla u