（通信与信息系统专业论文）四路数字视频光纤传输系统.pdf

； 尘i ：鎏三；堡垒耋竺i 兰耋! 丝兰； 摘要 本课题来源于哈尔滨锐科光电技术有限公司的项目一工业和交通视频监 控光端机。这是为实现多路视频的单光纤传输而研制的项目，该项目要求用 单纤传输四路数字视频信号，同时要保证图像质量达到五级质量制评价标准 的3 5 分以卜。 视频监控山于其广阔的应用范围，多年来一直受到业界的关注。视频监 控具有直观、方便、信息内容丰富等特点。随着电子和光纤通信技术的不断 发展，以及监控系统需要传输的信息量越来越大，视频监控光端机的传输容 量也由最初的单路传输向多路传输发展，视频监控技术由模拟向数字转变。 四路视频的单光纤传输大大节约了光纤线路资源，有效地降低了单路视频的 成本。目前，传输四路数字视频的光端机已经有多家商用系统存在，所以如 何用系统简单、成本低廉的方式完成四路数字视频的传输就成为本课题研究 的重点。 本文利用电日、j 分复用和光波分复用的方式实现了四路数字视频信号的单 光纤传输，并设计出了两路实验系统电路。最后对视频信号的各项性能指标 进行了严格的测试。通过实验，证明了方案的正确性和可行性。 关键词：光纤通信；时分复用；波分复用；8 b i o b ；自动功率控制 a b s t r a c t t h i st a s kc o m e sf r o mt h ep l a no fh a r b i nr o c ko p t o - e l e c t r o n i ct e c h n i q u e c o l t d 一- - t h ed i g i t a lv i d e ot r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ru s e di ni n d u s t r ya n dt r a f f i c s u r v e i l l a n c e ，w h i c hh a sb e e ns t u d i e dt ot r a n s m i tm u l t i - c h a n n e lv i d e ot 1 1 r o u g ha s i n g l ef i b e rl i n e t h et a s kr e q u e s taq u a d r u p l e xs y s t e ma n d t h ei m a g eq u a l i t ym u s t a b o v e3 5p o i m si nt h e5l e v e lq u a l i t ye v a l u a t i o ns y s t e m d u et oi t sw i d ea p p l y i n gr a n g e ，v i d e os u r v e i l l a n c eh a sa t t r a c t e da t t e n t i o nf o r m a n yy e a r s v i d e os u r v e i l l a n c eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f i n t u i t i o n i s t i c ，c o n v e n i e n t a n da b u n d a n ti n f o r m a t i o n g ow i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n do p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ， a n dw i t ht h e q u a n t i t y o fi n f o r m a t i o n t r a n s m i t t e db e c o m e sm o r ea n dm o r el a r g e ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma l s o e v o l u t i o nf r o ms i n g l ec h a n n e lt om u l t i c h a n n e l t h et e c h n i q u e sc h a n g e sf r o m a n a l o gt od i g i t a l q u a d r u p l e xs y s t e mh a sg r e a t l ys a v e dt h er e s o u r c eo fo p t i c a l f i b e ra n di n d u c e dt h ec o s tp e rv i d e oc h a n n e l a tp r e s e n t ，t h e r ea l r e a d yh a ss e v e r a l b r a n d so fc o m m e r c i a ls y s t e mo ff o u rc h a n n e lv i d e oo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ， s oh o wt or e a l i z ei ti nal o wc o s ta n dh i g hq u a l i t yw a yb e c o m e st h ek e y s t o n eo f t h i sp r o j e c t 1 nt h i st h e s i s ，w eu s ee l e c t r o n i c a lt d ma n do p t i c a lw d m t or e a l i z ea q u a d r u p l e xs y s t e mo fd i g i t a lv i d e of i b e rt r a n s m i s s i o n a n da c c o m p l i s h e da t w o c h a n n e le x p e r i m e n tc i r c u i t a tl a s tw et e s t e dt h ec a p a b i l i t i e so fo u rs y s t e m t h r o u g he x p e r i e n t s ，w ep r o v e d t h ee x a c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t d m ，w d m ，8 8 1 0 b ，a p c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：i 乏兰上 日期：加f 年2 月讪日 哈尔滨程人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 奉课题来源于哈尔滨锐科光电技术有限公司交通监控工程项目，以交通 监控为应用背景，对以光纤为传输介质的多路视频通信系统进行研究，并对 视频压缩技术进行了初步研究。 1 2 视频监控系统概述 视频监控系统目前己经成为安全技术防范体系中的一个重要组成部分， 它通过脚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 现场的图像和声音内容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。 视频监控作为图像通信的一个分支，其渊源可以追述到英国白英于1 8 4 3 年发明的传真原理，但实际现代应用的传真系统是美国电话电报公司的贝尔 实验室丁1 9 2 5 年发明的。同年，苏格兰的贝阿特发明了实用的电视。此后不 久，基于电视的视频监控系统就诞生了，只是当时的监控系统非常简单，仅 由一架摄像机和一台监视器，中间用馈线连接而成。1 。 视频监控系统最初主要用于国民经济的机要部门，但随着监控系统的发 展与完善，开始逐渐应用于国民经济的其它部门。一般而言，这些部门所用 的监控系统都比较庞大复杂，可以完成较多的功能。例如： 1 对机要部门的监视、控制和报警。如档案室、文件室、金库、保安等 部门； 2 对工厂、市场等的监视。如工厂的生产过程、市场秩序、营业厅、展 览厅、货场等的监视： 3 刺交通运输的监视。如公共交通、路口、高速公路收费站、铁路车站 等的监视； 4 小区安全监视。如防盗、防火、治安管理等。 依照上述用途，以及业界的不断努力，近年来市面上已经拥有了品类繁 多、功能齐全的监控系统。诸如银行综合多媒体监视系统、a t m 机远程连网 哈尔滨工程大学硕士学位论文 监视、交通路口系统、高速公路收费站监视系统、考场监视系统、粮库油库 多媒体监视系统、监狱多媒体监视系统、智能大厦多媒体监视系统、小区视 频监控系统等。它们的功能基本相同， 各自有其自身特点。 视频监控由于其广阔的应用范围， 但由于应用的具体场合不同，所以又 多年来一直受到业界的关注。视频监 控具有真观、方便、信息内容丰富等特点，其技术水平随着半导体工艺的不 断革新和通信技术的持续发展而逐步提高。 视频监控系统的发展经历了三个阶段。在上世纪九十年代初以前，主要是 以模拟发备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年代 中期，利用计算机的多媒体技术来实现监控，称为第二代数字化本地视频监 控系统。九十年代末以来，以专用网络和因特网为依托，以数字视频压缩、 传输、存储和播放为核心，以实用的智能图像分析为特色，引发了视频监控 行业的技术革命，视频监控步入了全数字化时代，称为第三代远程视频监控 系统“。 上世纪九十年代末，数字视频技术的飞速发展，数字化的概念逐渐被人 们所接受，数字视频技术的不断完善，人们逐渐由过去的模拟处理方式转向 数字处理方式。这主要基于以下几个原因，一是模拟信号在传输过程中，特 别是在中继传输时，图像质量的损伤是积累的。例如，信号非线性失真的积 累使图像对比度产生越来越大的畸变；噪声的积累使图像清晰度越来越低； 相位失真积累使图像产生类似衍射环那样的镶边，从而产生彩色失真和使鬼 影现象越来越严重。二是模拟电视信号稳定度差、可靠性低、不便于存储和 模拟器件调试困难，不便于大规模生产等。把模拟视频信号数字化，可以解 决上述模拟视频信号难于解决的问题，并产生许多新特性。首先，由于数字 信号只存在“1 ”、“0 ”两个电平，只要噪声电平小于信号电平的一半就能无 误地再生出原始信号，这就克服了噪声积累的问题。信号再生还可以忽略非 线性失真的影响，因为非线性失真只对“l ”、0 之间的脉冲过渡沿有影响， 而解码时此种影响并不重要。相位失真的积累也因同样的原因而减小，并且 可以进一步克服。这样就解决了模拟视频的主要问题，使数字视频信号即使 经远距离的传输、多次切换和反复录制仍能具有令人满意的图像质量。其次， 数字视频稳定性好，可靠性高，调整简单，便于操作、控制和处理。第三， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数字视频的信道通融性和电路通用性强。与模拟信号对信道的要求随信号类 型而异不同，数字信号是二值电平的脉冲信号，不论是视频、音频或其它数 据信号，只要它们的传输码率相同，都可以在一种数字信道内传输。又由于 数字逻辑元件都是标准化的，电路通用性强，就便于进行电路设计、集成利 大规模生产。而且目前大部分( 除少数高端芯片外) 视频模数转换芯片以及 专用视频压缩芯片的稳定性和价格已经可以让客户接受，因此视频监控的数 字化已是大势所趋。当然视频信号数字化也存在一个明显的缺点，就是其数 据量非常大，因此实时传输所需的带宽很大。但是随着传输介质带宽的不断 增大，如光纤的应用，以及多种视频压缩技术和视频压缩专用芯片的发展， 带宽限制已经无法阻挡数字化视频的大规模应用。 说到传输介质，传统的视频监控系统的视频信号是利用电缆传输的，其 在传输距离、信息容量及可靠性方面都有缺陷。 主要问题是： ( 1 ) 电缆干线每传输几百米需设置一个放大器，以实际中所使用的同轴 电缆为例，其传输衰耗约在1 5 d b k m 。多级放大器的级连除增加噪声累计之 外，还使交扰调制和相互调制失真增加。 ( 2 ) 电缆的损耗既是频率的函数又随温度变化，因此往往必须在放大器 一卜进行频率和温度补偿，导致了调试和维护的困难。 ( 3 ) 由于放大器的接入，接插环节多，大量的无源接插件与有源接插件 的级连是故障发生的主要因素，使系统的可靠性和稳定性受到威胁，给维护 工作带来不少麻烦。 与电缆传输相比较，光纤传输具有以下优点： ( 1 ) 损耗极低，中继距离很长。以标准单模光纤g , 6 5 2 为例，现已达到 的损耗水平是在1 3 1 0 n m 波长窗i s l 处损耗是0 3 4 d b k m ，在1 5 5 0 n m 波长窗口 处损耗是0 2 0d b k m ，这只是同轴电缆的损耗的几十分之一。 ( 2 ) 频带极宽，传输容量很大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽， 理论上一对单模光纤可传2 5 亿个话路，是同轴电缆的几百倍。若采用多个 光源的波分复用，则带宽更大。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好。光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路 不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 哈尔滨一程大学硕士学位论文 ( 4 ) 泄漏小，保密性能好。在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯 曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤 中传输非常安全。 ( 5 ) 体积小，重量轻。光缆的直径相对于相同芯数的电缆来说是非常小 的，而且重量电轻得多，这就有效解决了地下管线通道拥挤的问题。 ( 6 ) 温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比，光纤的温度系数 极小，其传输特性基本不随温度而变，故光纤传输系统十分稳定可靠，而且 不易老化j 。 由于光纤通信具有以上独特的优越性参考，它已成为视频图像传输系统 中重要的传输介质。目前，在本地监控系统中仍然有用同轴电缆或双绞线作 传输介质的，而在远程专用监控系统中则绝大部分采用了光纤传输。 1 - 3 视频监控光端机的发展及国内外现状 随着视频监控技术由模拟向数字转变，传输介质由电缆向光纤转变，专 用的视频监控光端机也如雨后春笋般发展起来。 光端机由光发射机和光接收机组成。光发射机的功能是把准备传输的视 频电信号转换成光信号并发射出去；光接收机的功能是接收光信号并将其转 换回视频电信号供后续电路处理输出。 圈巫一。銎耍 图1 1 单路视频监控系统 监视器 随着电子和光纤通信技术的不断发展，以及监控系统需要传输的信息量 越来越大，视频监控光端机的传输容量也由最初的单路传输向多路传输发展。 目肌4 路、8 路、1 6 路、3 2 路、6 4 路、甚至1 2 8 路视频传输都已经有商用 系统出现。其中1 6 路以下的系统中有模拟系统也有数字系统，模拟系统主要 采用s c m ( 副载波复用) 技术，数字系统主要采用时分复用、波分复用和视 频1 ：缩技术。而多于1 6 路的系统则主要为数字系统，采用的技术有视频压缩、 哈尔滨：【：程大学硕士学位论文 c w d m ( 粗波分复用) 等。 图1 2 多路视频监控系统 国外在视频监控光端机领域的研究起步较早，因而在产品的技术含量、 容量、可靠性和稳定性上还略好于国内。在低端市场，国内企业已经掌握了 其技术，而且有价格优势，所以占有率在不断上升。但在高端市场，技术较 复杂的产品市场，如多路数字式光端机、总线式大容量光端机、网络光端机 仍以国外光端机品牌为主。目曲国内市场上云集了以美国产品为主的国际品 牌，如：f i b e ro p t i o n 、y l i n k 、i f s 、c o e 、t e l e s t e 、o s d 、o f s 、n t k 等， 以及几十个国产品牌，如：g t t 、a n $ 、t i a n c a i ( 天财) 、a p e x 、b o c o m ( 深圳 博康) 、a b ( 诶比) 、北京蛙视等。 1 4 课题的具体任务和技术指标 本课题研究的是一种数字式、多路视频交通监控光端机，要求设计的这 套光纤传输系统，能在一根光纤中实现四路数字视频的传输。由于目前传输 四路数字视频的光端机己经有多家商用系统存在，所以如何用系统简单、成 本低廉的方式完成四路视频的传输就成为本课题研究的重点。 系统技术指标要求如下： ( 1 ) 要求视频达到的技术规格： 信号电平：1 v p p 信号阻抗：7 5 q 视频带宽：l o h z 6 m h z 微分增益d g ： 5 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 微分相位d p ： - d i ) 就被编码成一一个数据字符。 移位器( s h i f t e r ) 移位器接收从编码器来的并行数据，并以i o c k w 的速度将并行数据转换 成串行数据送到输出缓冲器的串行接口中去。 三对输出端口a ，b ，c ( o u t a ，o u t b ，o o t c ) 这三对端口都与移位器相接并且存有相同的数据，其中o u t a ， o u t b 是由f o t o 的输入控制的。o u y c 不受f o t o 的影响并且会提供连续 的数据流。这三对独立的输出端口通过输出同样的串行数据流增加系统的结 构上的灵活性。 时钟发生器( c l o c kg e n e r a t o r ) 时钟发生器是一个嵌入式的锁相环，能够产生字节( b y t e r a t e ) 参考时 钟，然后将这个参考时钟乘以l o 就得到一个比特( b i t r a t e ) 时钟，用这个时 钟束给串行移位器提供时钟参考源。 测试逻辑( t e s tl o g i c ) 测试逻辑包括对内置自检部分的控制以及初始化，以及数据编码的逻辑 的j f 确选择。 ( 2 ) 工作原理及操作方式。 诈常情况下，此j 芯片能工作在两种模式下的任何一种模式中。使用者可 以利用编码方式发送和接收8 位数据和控制信息并且不用先把它转换成传输 4 7 哈尔滨工程大学硕士学1 ：i ) = 论文 的码子。如果要使用旁通传输方式，那么必须在芯片外外加编码系统。在任 何一种模式中，数据都在c k w 脉冲的上升沿被锁存进输入寄存器。 a 编码模式 在编码模式下，输入数据是由8 位数据d 。，、一个内容控制位s c _ 、一个 系统诊断位s v s 。如果要传输丁f 常的数据，则s c d 输入应设置为低电平。这 8 位数据将被编码成1 0 位数据字符表中的有效字符传送出去。如果要数据数 据是控制或者协议信息，那么s c _ 将被设罱为高电平，数据将被编码成特殊 字符。这些字符也是适合光纤信道、专有系统和测试系统的码子。其中测试 字符作为一种特殊字符是用来测试光纤信道连接正确与否的，即用于测试系 统中有无传输错误。当发送这样一个码子时，通过s v s 的高低电平，就能判 断出传输的情况了。其工作时序原理如图6 2 所示。无论在那一种模式下 如果输入的数据没有被使能的化( e 丽和岳丽都是高电平) ，则编码器将插入 一个同步码子k 2 8 5 ，以利于接收端恢复数据。丘丽是低电平的时候，输入的 数据将被编码。c k w 是时钟信号，输入的数据在它的上升沿被写入。 o a t a l a t c h e r li n 3 0 - 7 s c 毋 s v 8 0 u ? 丁一 广一 y o a t a xx il x y x x x 】( x x x x 函暑1 ( x x x x x x x 妇珏_ k x x x ：x x xd h x 图6 。2 时序工作原理图 b 旁通方式 在这种模式下，d 。、s c ，_ 、s v s 上的数据都将被一起传送出去，在这之 前需要现对这1 0 位数据编码，使其适合信道传输。也就是，此芯片屏蔽了编 码的功能，有其它器件完成这项功能。 c 内置自测方式 通过适当的控制，可以不用借助于外加的信号及电路，也不用对整个电 路做任何改动即可对整个系统进行严格测试，保证信号的传输质量。 6 1 2 2 译码器的实现 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 译码器完成的工作 是编码器的逆过程。 c y 7 8 9 3 3 正是与c y 7 8 9 2 3 配套的、点对点高速串 行数掘通信接收芯片。 c y 7 8 9 3 3 的内部结构功 能框图如图6 3 。 ( 1 ) 内部结构及功能 串行数据输入 端口 有两对差分线接收 端可作为串行数据输 图6 3c y 7 8 9 3 3 内部结构 s c 皿叫 入，选用i n a + 还是i n b + 取决于a b 输入端的电平；当它为高点平时，选用 i n a ：当它为低点平时，选用i n b 。 p e c i 。一t t i 。转换器 通过对s o 输出脚上的连接方式的控制，可以决定是否把输入脚i n b 上 的p e c l 信号电平转换成t t l 。 时钟同步器 时钟同步器有内部锁相环柬保持与接收到的位流频率的一致，同时提供 内部移、解码时钟。 成帧器 成帧器可用于检查输入的位流和寻找字节的边界，从而实现帧同步( 字符 同步) 。成帧器中的组合逻辑滤波器可用于寻找x 3 2 3 0 协议中的特殊字符 ( k 2 8 5 ) ，一旦该字符找到，时钟同步单元中的位计数器将被同步复位，以开 始同步接收数据，并将串行数据位流准确地重组成字符帧。 移位器 移位器的作用是在位时钟控制下接收串行输入的位流，同时将器送到成 帧器，当接收满一帧后( 1 0 位数据) 便将其送到译码寄存器。 译码寄存器 译码寄存器在接收到来自移位器中得一帧数据后将其送到译码器，但该 4 9 哈尔滨i i 程大学硕士学位论文 数抓：再：泽码器泽码至输出期间仍将保持在译码寄存器中。 泽码器 译码器将接收到的数据按x 3 2 3 0 协议定义的码字符重新转换成“原始数 据”，然后再送到输出寄存器中。 输出寄存器 输出寄存器用于保持译码后恢复的数据( q 0 - 0 。) 、s c d 和r v s ，以便在相应 的输出脚输出。在b i s t 方式下，这个寄存器还可作为线性反馈移位寄存器， 以产生5 1 2 字节的伪随机码。 测试逻辑 测试逻辑包括b i s t 工作方式的初始化及控制逻辑，以及用于测试方式时 的时钟分配多工器和译码控制逻辑等。 ( 2 ) c y 7 8 9 3 3 的工作原理及操作方式。 它接收用于来自差分串行输入端的串行位流，它使用内置的集成锁相环 同步时钟产生器来恢复用于数据重构所需的为同步时钟。成帧器在寻找到串 行位流的字节边界后即可产生帧同步时钟。然后输入位流数据即可在移位器 中实现串并转换，同时在送到译码器中译码并检查传送错误。最后将译码的 字节数据在帧同步时钟控制下送到输出寄存器并由并行输出脚输出。 c y 7 8 9 3 3 具有8 b t 0 b 编码方式、旁通方式和内置自测方式三种接收操作 方式。其中旁通方式和内置自铡方式与c y 7 8 9 2 3 相对应。下面说明8 b 1 0 b 编 码方式的工作原理。 在8 b 1 0 b 编码方式下，串行输入的数据经译码后变成8 位数据，其中包 括类型指示位及解码错误指示位。若接收后放在译码器中的数据祯能够在有 效数掘字符表中找到，则其内容被译为j 下常的数据信息，并使s c ，_ 输出脚为 低电甲，假如在有效的特殊字符码系列表中找到，则译为“控制”或“协议” 信息，并且将s c 厄变高。若检测到非法字符，则r v s 将变高。其接收原理时 序如图6 4 所示。内部译码器不断的搜捕定位码k 2 8 5 ，寻找到后，接着对随 后的数据进行译码，恢复出原时数据。c k r 是读数据时钟，它是一个读字节 数据时钟信号，其频率和相位与输入的串行数据流保持一致，输出的数据信 号均在它的上升沿读出。翻研指示输出数据准备好否，负脉冲表示已经接收到 一个数据，并且已经准备好传送。 5 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s e r l a ld t ai n 1 、u 1。：1 8 7 x x x x x x 】d a t a x x x i x x x x x x x x x x x x x x x xx x x x 弋厂 厂 厂 l 、一 d a t a x x k 2 8 5 x x k 2 8 6 ) c d a t a t 1 r d y i sn i g hi nf i e l d o f k 2 8 j 嘲 l 图6 4 接收原理时序图 6 1 2 3 编译码器电路设计 根据以上对编译码原理的分析，可以设计编码芯片和及其外围接口如图 6 5 所示，我们用的芯片的工作方式是编译码方式。 图中d a t a 为数据输入端，d o 7 就是视频信号经模数转换后的数字信号， c o n t r o l & s t a t u s 为数据的控制信号，同步码的发送信号控制有视频信号中的行 场同步给出。m o d e 控制编码和非编码方式。 系统中t r a n s m i t t e r 芯片与光纤驱动模块之间的引线采用直流耦合连接方 式连接，如图6 5 所示。在装配印刷电路板中，匹配电阻尽量靠近终端模块。 c o r d g c 。蒯厂 盘l 、 妯 图6 5 发送端编码及驱动电路 哈尔滨工秘大学硕士学位论文 删样t 我们根据的面设计原理来设计光接收端的译码电路及其外围接口， 如图6 ，6 所示。 图6 6 接收端编码及驱动电路 从p i n 光电转换到放大输出的信号也是p e c l 电路，所以匹配电路如图所 示。译码芯片接收到数据后，在内部电路中锁相恢复时钟信号，搜捕同步码。 r e f c ，k 上的时钟信号有外部晶振提供，它的频率和发送端应是一样的。根据 m o d e 管脚上的高低电平判断以那一种方式恢复数据，最后把恢复出的数据信 号并行输出在d a t e 上。通过r v s 脉冲电平的高低，我们可以判断数据中有无 传输错误。昧，为恢复出来的视频数字信号，它直接连到数模转换芯片上，转 化成模拟视频信号，其转换时钟是由芯片输出管脚c k r 提供的，这在上一章 中已经论述。有s c 庙我”j 可知道传过来的数据是特殊字符还是视频数字信号。由 前i 甲可以判断数据是否己经恢复并准备并行输出。这样就完成了数据的译码工 作。 6 2 光发射接收实现 6 2 1 光收发模块及电路 目前，光的发射和接收主要采用两种方式。第一种是在发射端采用单独 c，、 蠹 哈尔滨二 ：程大学硕士学位论文 的激光器，配以控制芯片( 集成了a p c 、a t c 等功能) 完成光的发射，而存 接收端采用独立的p i n 组件，配以前置放大器、主放大器完成光电转换。这 种方式的优点在于l d 的发射功率一般较大，因此适合远距离传输。另外 其成本也相对较低。而其缺点则是因为集成度较低，致使调试、生产以及可 靠性较差。第二种是采用集成豹光模块。发射模块集成了l d 及各种控制芯 片，接收模块集成了p i n ( 或a p d ) 及各种后续放大电路，输出信号符合t t l 或p e c l 电平。此种方式的优点是集成度高，调试、生产方便，可靠性高。 而缺点则是成本较高，特别是要实现远距离传输时。虽然如此，光模块的应 用还是快速增长。而且，随着制造工艺的不断进步，其传输距离也将有长足 进步，价格也会越来越低。 本系统也采用了武汉正源光子公司的m t r 一1 2 x 光收发一体模块。m t r 一1 2 x 是6 2 2 m 的光收发一体模块，其发射、接收独立工作；采用标准1 9 封装：双s c 插拔或f c 尾纤：单5 v 或3 3 v 供电；发射器件可选工作波长 1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 n m 的f p 、d f b 激光器；信号检测逻辑电平可选( t t l 或 p e c l ) ；工作温度0 。c + 7 0 。其功能框图如图6 。7 所示。 发射模块的主要性能指标如下： 输出光功率一1 2 d b m - - 3 d b m 消光比大于9 d b 中心波长1 3 1 0 n m 谱宽2 n m 图6 7 光发射模块功能框图 接收模块的主要性能指标如下： 接收灵敏度- - 3 0 d b m 饱和光功率大于- - 3 d b m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作波长1 1 0 0 n m1 6 5 0 n m 其应用电路如图68 所示。 忑。= ；0 = j r 土 8 ia 1 dd 目自8 i v c e 5 1 0 n 0 k l 一、 l 一亡i 纂 夺oi ，1 煳粤乙 言 l 脚 ， ll ，ll 一 2 嘲、 上 图6 8 光收发模块应用电路 r 自 n 1 1 0 9 f a t 憎n 啪nn 曲 6 2 2p e c l 接口 随着高速数据传输业务的增加，如何高质量的解决高速i c 芯片间的互联 变得越来越重要。低功耗及优异的噪声性能是要解决的主要问题。现在用的 很普遍的一种是p e c l ( p o s i t i v ee m i t t e r - c o u p l e dl o g i c ) 接口电路。它是由e c l 标准发胜而来的，在p e c l 电路中省去了负电源，较e c l 电路更方便使用。 p 1 c l 信号的摆幅相对e c l 要小，这使的该逻辑更适合于高速数据的串行或 并行连接。 p e c l 耦合分为直流耦合和交流耦合，本系统采用p e c l 的直流耦合。p e c l 负载一般考虑是通过5 0 9 2 接到v c c 一2 v 的电源上，一般该电源是不存在的， 凶此通常的做法是利用电阻分压网络做等效电路，如图6 9 所示。 哈尔滨1 程人学硕十学位论文 v c c 图6 9 等效电路形式 该等效电路应满足如下方程：r - c 一2 矿：v c c l 代1 + 2 丝：5 0 q r l + r 2 解上血方程组，得到： 7 c c - 2 v ( 6 一1 ) ( 6 2 ) r 1 ：墨 r 2 ：2 5 v c c 。 v c c 一2 y 存3 3 v 供电时，电阻按5 的精度选取，r l 为1 3 0 q ，r 2 为8 2 q 。而在 5 v 供电时，r ，；# 8 2 n ，r 2 为1 3 0 a 。图4 1 2 给出了两种供电情况时的详细 电路。 7 图6 1 0p e c l 电路间直流耦合 5 5 哈尔滨1 程人学硕士学位论文 6 _ 3 本章小结 本章较详细的论述了光传输系统的设计实现。首先介绍了光纤线路编码 的原理，给出了选择线路码的要求，重点介绍了8 8 1 0 b 编译码。同时提出了 实现编译码的方式，对专用编译码芯片c y 7 8 9 2 3 9 3 3 进行了较详细的介绍。 接着论述了光发射接收的实现，简单介绍了m r r r 一1 2 x 光收发模块，最后对 p e c l 接口电路进行了说明。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 第7 章系统调试和测试 系统硬件焊接、软件安装完成后，就须借助必要的仪器设备，进行光发 射与光接收端机的调试及系统各项指标的测试，从而保证系统工作性能良好， 以达到预期的设计要求。系统调试包括编解码电路调试、视频处理系统的调 试和光传输系统的调试。系统测试即四路数字视频光纤传输系统的总体性能 指标测试。 7 1 系统调试 系统上电后，首先用万用表的直流电压档测量电源供电是否正常；再逐 个测量各个芯片的供电是否正常：用示波器查看有源晶振是否起振，频率是 甭准确：c p l d _ 二分频电路输出时钟是否正确；检查各个芯片的时钟输入信 号是否f 确：如果以上一切项目都正常，则可以开始系统调试工作。 7 1 1 编解码电路调试 编解码电路是光传输系统重要的部分，而电路的核心就是c y 7 8 9 2 3 9 3 3 芯片组。该芯片组有内建自我检测( b u i l d i ns e f - t e s t ) 功能，我们按其 数据手册上说明的检测步骤对其进行检测。 第一步，将编解码芯片部分跳过光纤信道，直接相连； 第二步，系统上电，检查供电和系统时钟是否正常； 第三步，使c y 7 8 9 2 3 的b 1 s t e n ( b u i l d i ns e l f - t e s te n a b l e ) 管脚为 低电平，芯片进入自检状念，开始发送检测数据；使c y 7 8 9 2 3 的e n n 、e n a 两个管脚中，至少一个为低电平，以启动检测循环：待估计检测循环已经进行 了几个周期后，用示波器查看c y 7 8 9 2 3 的r 尸管脚，每完成次检测周期都将 有一个低电平输出； 第四步，使c y 7 8 9 3 3 的b i s t e n 管脚为低电平，芯片进入自检状态。用 示波器查看c y 7 8 9 3 3 的r d y 管脚，当其由高电平变为低电平时，说明收到 初始化数据。 第五步，用示波器监测c y 7 8 9 3 3 的r v s 管脚和r d y 管脚，芯片每收到 一组8 b i t 数据，r d y 脚将输出一个高电平脉冲。此时，如果r v s 脚保持低 电平，则说明传输f 确，没有误码产生，说明芯片组的发送、接收和连接线 7 1 2 视频处理系统调试 n t s c 、s e c a m 复合视频信号中提取出 图7 1 标准彩条信号 场信息等在内的大量视频时间信息。其输出信号的波形图见图7 2 。 用示波器查看7 4 h c l 2 3 集成单稳念触发器输出的同步脉冲幅度和脉宽 ；鑫i ： 删几几几几n 几ln nn 几n 几几几几几几i ! 斟。 “叫 “一2 3 叫“”一”一8 一一”+ 专“”一 静门n 厂玎帅唧删帅删町 “i ”舢l 。川。叫2 。” ” 蒜掣竺! ! i f i e l d 一 奇偶场 l o 信号。e v h 睢l d l 哈尔滨工程人学硕士学位论文 1 m i l l 接收部分的调试原则与发射部分相同，即主要是各点波形的对比，同时 要注意信号的幅度。经过t l 5 6 3 2 数模转换后的输出信号是很微弱的，需要 后续的t h s 4 0 0 1 集成运算放大器的放大。通过调节可变电阻，改变放大器的 增益，使放大器的输出符合标准视频接口的电平标准，即l v 峰峰值。 如果以上这些波形的形状及频率均与设计构想一致，则视频处理电路的 调试基本完成。接下来就可以安装光收发模块、接通光路，进行完整系统的 联合测试( 如图7 3 ) 。 图7 3 两路实验系统实物 7 2 系统指标测试 由于实验条件有限，仪器设备不足，有些系统指标只是在现有的条件基 础上进行了简要的测试。 7 ，2 ，l 光传输系统的指标测试 光传输系统指标测试包括光发射机指标测试和光接收机指标测试。光发 射机指标测试主要是发射机光源输出平均光功率的测量和消光比的测量；光 接收机也有两个重要的指标：接收灵敏度和动态范围。另外，整个系统要进 行视频通道测试。 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 ( 1 ) 输出平均光功率的测量 测试光发射机输出平均光功率时。首先，在发射机开机达到稳定工作状 态后，由y d c 8 6 8 电脑存储型彩色电视信号发生器输出标准彩色全电视信号， 信号电压幅度为l v 峰峰值。然后，用两端带光活动连接器的光纤连接光功 率计和光发射模块输出接口，对其输出光功率进行测量，即可得到发射机的 平均输出光功率。测量时应注意光功率计的选择，由于光源发射的光波长为 1 3 1 p , m ，所以要选用光功率计1 3 1 9 m 的连接头。 实际测量的结果是3 1 0 4 6 斗w ，合一5 0 8 d b m 。 图7 4 发射机光功率测量框图 ( 2 ) 消光比的测量 在光传输系统中，一部性能优越的光端机的发射机在传输数字信号过程 中，发0 码时应无光功率输出。但是，实际的光发射机由于光源器件本身 的问题，以及直流偏置，致使发“0 ”码时也有微弱的光输出。由理论分析可 知，这种情况将使接收机的灵敏度下降。描述光发射机上述现象的性能指标 就是消光比e x t ： 脚= 筹舞鬻器( 7 - - 1 ) 测试连接图与图7 4 相同。在测得平均发送光功率p 后，去掉光模块的 驱动信号可测得全“0 ”码平均发送光功率p o ，由下式计算消光比： e x = 1 0 1 0 9 了d 2 - ( d b ) ( 7 2 ) 1 0 实际测量e o =