（通信与信息系统专业论文）高品质数字视频光纤传输技术研究.pdf

摘要v6 8 3 1 6 2摘要随着科技的发展和人们生活水平的提高，视频传输系统被广泛应用于工业监控、交通管理、广播电视、银行、商场等多个领域。针对不同的应用场合，设计高质量的视频传输系统是当前视频传输技术研究的关键。本文将数字化技术和光纤传输技术相结合，研制了非压缩多路数字视频光纤传输系统。该系统基于时分复用技术、采用串行数字视频传输方式，可在一根光纤中同时传输1 0 路视频信号。系统在总体设计时，将一次复用方案和二次复用方案相比较，确定采用二次复用的总体设计方法；系统的各部分硬件具体实现时，采用c p l d + a s i c 的实现方法，p c b 采用心层板的制板结构，同时高速串行数据接口采用p e c l 差分交流耦合的连接方式，使系统具有高集成度、可靠性及灵活性的特点。实验证明，该系统工作稳定、实时传输效果好，是远程视频监控系统及安防系统的实用方案。由于非压缩多路数字视频光纤传输系统的数据传输速率高达千兆比特，这对于要求低码率传输的应用场合很不利。因此本文在非压缩多路数字视频光纤传输系统的研制基础上，对视频压缩算法进行了初步研究，并初步确定了基于压缩算法的多路数字视频光纤传输系统的结构框图和工作方案。关键词：数字视频，光纤传输，c p l d ，p e c l ，视频压缩摘要a b s t r a c th u a w a n g ( c o m u n i c a t i o n & i n f o r m a t i o ne n g i n e a r i n g )d ir e c t e db yp r o f d s w e nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n di m p r o v e m e n to f1 i r i n gs t a n d a r d s ，v i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e na p p l i e dt om a n yf i e l d ss u c ha si n d u s t r i a ls u r v e i l l a n c e ，t r a f f i cm a n a g e m e n t ，v i d e o c a s t ，e t c i ti st h ek e yt e c h n o l o g yt od e s i g nh i g hq u a lit yv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rt h ed i f f e r e n tf i e l d s c o m b i n i n gd i g i t a lt e c h n o l o g yw i t ho p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n ，t h i st h e s i sp r e s e n t sas o l u t i o no fu n c o m p r e s s e dm u l t i c h a n n e ld 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 b a s e do nt i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g ya n dt h es e r i a ld i g i t a lv i d e ot r a n s m i s s i o n ，t h ep r o p o s e ds y s t e mc a nt r a n s f e rt e nc h a n n e i so fs t a n d a r dv i d e os i g n a lo v e ras i n g l eo p t i c a lf i b e r a f t e rc o m p a r e dw i t ho n c em u l t i p l e x i n gm e t h o d ，t w i c em u l t i p l e x i n gm e t h o di sa d o p t e di nt h i ss y s t e m a so fh a r d w a r ed e s i g n ，i n t e g r a t e dm e t h o d so fc o m b i n i n gc p l dw i t ha s i c ，f o u rl a y e r so fp c ba n dd i f f e r e n c ea c c o u p l e dh i g hs p e e dd a t ai n t e r f a c ea r ea p p l i e dt om a k et h i ss y s t e mb ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hi n t e g r a t e dq u a l i t y ，r e l i a b i l i t ya n da g i l i t y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mw o r k ss t a b l ya n dh a sag o o de f f e c to fr e a l t i m et r a n s m i s s i o n i ti san o v e le f f e c t i r ea n dp r a c t i c a ls c h e m ef o rs e c u r i t ya n ds u r v e i l l a n c es y s t e m s t h eu n c o m p r e s s e dm u l t i c h a n n e ld 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 mh a sh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ，w h i c hd o e sn o tf itf o rt h ef i e l d so f1 0 wt r a n s m i s s i o ns p e e d s ot h i st h e s i sc o n d u c t sp r i m a r yr e s e a r c h e so nt h ev i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yf o rf i b e rt r a n s m i s s i o n ap r e l i m i n a r yb l o c kd i a g r a mf o rm u l t i c h a n n e ld i g it a lv i d e oc o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mv i af i b e ri sa l s oi n t r o d u c e d k e y w o r d sd i g i t a lv i d e o ，o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n ，c p l d ，p e c l ，v i d e oc o m p r e s s i o nl ；一释绪论第一章绪论随着人类社会向信息社会的迈进，人们对各种信息的需求愈来愈大，对视觉信息的需求尤为迫切( 研究表明：视觉信息占人们接收外界总信息的6 0 ，听觉2 0 ，触觉1 5 ，味觉3 ，嗅觉2 ) ，因此，以传播视觉信息为主的电视事业和多媒体通信事业，在当今倍受青睐并得以迅速发展，因而导致了视频传输业务的蓬勃发展。目前，用于视频传输业务的传输媒介主要有电波( 微波、卫星) 、同轴电缆、双绞线和光纤。与电波、同轴电缆、双绞线等传输媒介相比，光纤具有许多优点，如：衰减低、频带宽、无电磁信号感应现象，适合大容量长距离传输：抗干扰性强，可以改善广播、强电磁场对图像的干扰，也可消除地电位差所引起的图像滚动，提高视频传输质量：光纤是商纯度玻璃制成，光发射机和光接收机之间电气上绝缘，不存在雷电保护接地环路问题：此外，光纤重量轻、尺寸小、材量丰富、造价低，所以以光纤作为传输媒质的视频传输系统同益增多。本章作为绪论部分，将首先简要介绍视频光纤传输系统的组成、分类及发展状况，然后指出本论文的研究意义及研究内容。1 1 视频光纤传输系统的基本组成视频光纤传输系统主要由光发射机、光接收机和光纤三部分组成，如图1 - 1所示。、，、，光发射机光接收机圈卜1 视频光纤传输系统的基本组成需传输的视频信号加到光发射机的输入端。为了提高传输质量，先将此信号商品质数，_ ! j l 频光纤传输披术铆究通过电调制器进行电信号的处理，然后将处理后的信号经驱动电路变换成电流信号，驱动光源( l e d ( l i g h t e m i t t in gd i o d e ，发光二：极管) 或l d ( l a s e rd e v i c e ，激光器) ) 将电信号转换成光信号；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器( i n ( p o s i t i v ei n t r i n s i cn e g a t i r e ，正一本征一负光电二极管) 或a p d ( a v a l a n c h ep h o t od i o d e ，雪崩光电二极管) ) 对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤( 如损耗、波形畸变) ，最后输出和原始输入信号相一致的视频信号，从而完成视频信号的整个传送过程。 2 视频光纤传输系统的分类视频光纤传输系统可根掘所使用的光波长、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 2 1 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 0 9 p m 波段、1 2 l _ 3 p m 波段及1 4 5 1 5 5 岬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短波长光纤通信系统：工作波长为0 8 o 9 p m ：长波长光纤通信系统：工作波长为1 o 1 6 9 m ：超长波长光纤通信系统：工作波长_ 2 t m ，且采用非石英光纤。1 2 2 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，2第一带绪论在新建的工程中一般不再使用多模光纤，_ | l j 主要使川单模光纤。1 2 3 按传输信号的形式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。而对于模拟光纤视频传输系统而言，又有多种不同的调制方式，其中常用的有两种。( 1 ) d i m ( d i r e c ti n t e n s i t ym o d u l a t i o n ，基带直接强度调制) 。d - i m 是用基带视频信号赢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，难以应用激光器做光电器件，所以只适用于短距离的视频传输。( 2 ) p f m i m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a r i o n i n t e n s i t ym o d u l a t i o n ，脉冲频率强度调制) 。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 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刘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。商品质数j 7 视卿! 光纤传输技术研究1 2 4 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。( 1 ) 副载波复用( s c b l ) 。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，所以信道问干扰小，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_ 根光缆中有多根光纤，每根光纤传输一路信号。由于光纤本身很细，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 ) 。波分复用本质上是光域上的频分复用( f b m ) 技术，它是在光频率上进行分割，在同一根光纤内同时用，l 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 视频光纤传输系统的发展及现状光纤的低损耗、宽频带特性对视频信号的传输非常有利，因此从2 0 世纪7 0 年代光纤诞生开始，人们在进行电话光纤通信研究的同时就一直在进行视频光纤传输技术的研究。总体看来，从7 0 年代到目前，光纤视频传输系统主要经历以下几个阶段。4第一章绪论第一阶段：d i m 传输系统d i m 传输系统是视频光纤传输系统发展的最初阶段，它的研制始于2 0 世纪7 0年代末。此利- 系统用基带视频信号直接对光源进行强度调制，具有结构简单、价格低廉的优点，但是它的无中继传输距离在5 k m 以内，旦传输质量只能达到工业电视级的水平( 视频信噪l t s n r = 4 0 d b ，微分增益d g = 5 ，微分相位d p = 5 0 ) 。因此随着光纤传输技术的发展，这种光纤传输设备已逐渐被淘汰。第二阶段：p f m i m 传输系统8 0 年代初期，针对d i m 的缺点，人们研制 y p f m i m 视频传输系统。p f m i m 技术利用光纤带宽宽的特点，用展宽信号带宽的办法来改善系统的传输质量，降低对系统线性度指标的要求，提高传输信号的信噪比。优良的p f m 系统的传输指标为：s n r 6 0 d b ；d g i 5 ；d p s h i f 丁2q 4q 5q 6q 70 8q 9q ob d io ib d +s lq 2b d h o l dq 3b d s h i f r 2q 40 50 6q 7q 8q 9b 3b 3 8 4b 4b 4b 6b 6 8 7 8 8 8 9b 9b 9圈3 一l l2 ：1 0 分路器示意h移位时钟s 1 i p 、r 2 、控制时钟1 1 0 l d 雨l 视频d a 恢复时钟s a m p l e 2 、解复用恢复出的同步s t r o u t 以及数据流之间的时序关系如i 图3 - 1 2 。垒i i 堡墼量塑壑鲞堑! ! 塑丛查型! !k 一v i d e 0b y t e + |瑚 三砸立雹x 互匹弦二 二【 至砸丑至x 丑匝x x 二。：盟；厂 ! 几! 门! 几! 几! 门厂 厂 n。器2 m h z ，厂厂【1) jl - jl 一? 黜2 厂 厂谣裂j 厂 广 厂 一厂 广 厂 几厂 厂图3 - 1 2 接收端各时钟信号的时序关系由图3 一1 1 和3 1 2 看出，在s h i f t 2 的前四个时钟周期，i i o l d 为低电平，寄存器处于向左移位的状态，s l 输入的数据b 4 b 1 及b 9 b 6 依次移入寄存器，并在并行端口左移输出；s h i f t 2 第五个时钟周期对应i t o l d 为高电平移位寄存器的输出不变，而串行输入端分别为b o 、b 5 ，此时d a 恢复的采样时钟s a m p l e 2 的上升沿到来，恰能采到传输来的l o b i t 数字视频数掘b o m b 9 ，因此将两个移位寄存器的q 3 q o 作为分路器的输出端与d a 转换器的b d 9 b d 6 及b d 4 b d l 相连，将分路器的输入端d 0 、d l 接d a 转换器的b d o 、b d 5 ，即实现了2 ：1 0 分路。3 3 31 0 ：2 合路器和2 ：1 0 分路器的c p l d 实现由于侮路视频信号均需一个l o ：2 合路器和2 ：t 0 分路器，如果系统设计同时传输1 0 路视频信号并且直接用移位寄存器芯，；来实现，则发送端和接收端需大量的移位寄存器芯片( 发送端需1 0 个，接收端需2 0 个) ，这将占据p c b 的许多空间，使得系统显得很笨重。因此系统设计时，合踏器和分路器均山c p l d 实现。1 c p l d 和m a x + p i u s i i 简介c p l d 是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 的缩写，即复杂可编程逻辑器件。它具有在系统可编程( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 能力和高的集成度，若合理使用c p l d ，不但可以缩小系统体积而且便于设计调试，增强系统的灵活性和可靠性。目前世界上生产c p l d 的厂家有十几家，各厂家除了生产器件还提供相应的e d a ( e l e c t r i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 开发工具。本系统的1 0 ：2 合路器和2 ：1 0 分路器及时序控制电路是采用a l t e r a 公司的m a x t o o o s 系列作为目标器件，第三章硬件i u 路设计0 实现以该公司的b a x + p l u s i i 软件作为开发工具设计实现的。用m a x + p l u s i i ，r 发c p l d 的完整流程包括以下儿个部分，流程图如图3 1 3所示：( 1 ) 设计输入。可以采用原理图输入、 t d l 语言描述、e d i f 网表读入及波形输入等方式。( 2 ) 功能仿真。此时为0 延时模式，主要检验输入是否有误。( 3 ) 编译。主要完成器件的选择及适配，逻辑的综合及器件的装入，延时信息的提取。( 4 ) 后仿真。将编译产生的延时信息加入到设计中，进行布局布线后的仿真，是与实际器件工作时情况基本相同的仿真。( 5 ) 编程验证。用后仿真确认的配罱文件经e p r o m 和编程电缆配置c p l d ，加入实际激励，进行测试，以检查是否完成预定功能。以上各步如果出现错误现象，则需要新回到设计输入阶段，改正错误输入和调整电路重复上述过程。翻3 1 3m a x + p l u s i i 开发c p l d 的设计流程系统中l o ：2 合路器和2 ：1 0 分路器的设计采用原理图输入和v h i ) l 语言描述相结合的设计输入方式。2 1 0 ：2 合路器的c p l d 实现( 1 ) v h d l 语言设计单个1 0 ：2 台路器3 3 1 节中已经提到1 0 ：2 合路器是采用移位寄存器的思想实现的，因此1 0 ：2合路器的设计主要是用v h d l 设计一个l o b i t 并行输入并行输出的移位寄存器，并将移位寄存器的q o u t ( 4 ) 和q o u t ( 9 ) 作为合路器的输出，相应的程序代码高品质数字视频光纤传输技术训l 宄如下：li b r a r yi e e e ：u s ei e e e s t d _ l o g i c 一11 6 4 a l l ：e n t i t ys h i f t e ri sp o r t( d a t a ：i ns t d _ l o g i c v e c t o r ( 9d o w n t o0 ) ：s l i n ，s r i n ，r e s e t ，c l k ：i ns t d l o g i c ：m o d e o ，m o d e l ：i ns t d l o g i c ：d 0 ，d l ：o u ts t d l o g i c) ：e n ds h i f t e r ：a r c h i t e c t u r eb e h a v eo fs b i f t e ri ss i g n a lq o u t ：s t d l o g i c v e c t o r ( 9d o w n t o0 ) ：b e g i np r o c e s s ( c l k )b e g i ni f ( c l k e v e n ta n dc l k = 1 ) t h e ni f ( r e s e t = l ) t h e nq o u t = ( o t h e r s = ) 0 ) ：一同步清零e l s i f ( m o d e l = 0 a n dm o d e o = 1 ，) l 1 e nq o u t 2 s r i n & q o u t ( 9d o w n t o1 ) ：一”o l ”时右移e l s if ( m o d e l = 1 a n dm o d e o = 0 ) t h e nq o u t 2 q o u t ( 8d o w n t o0 ) & s l i n ：一”1 0 ”时左移e l s i f ( m o d e l = 1 a n dm o d e o = 1 ) t h e nq o u t 2 d a t a ；”il ”时置数e l s en u l l ：e n di f ：第三章硬件电路设汁j 实现d o = q o u t ( 4 ) ：d l = q o u t ( 9 ) ：e n di f ：e n dp r o c e s s ；e n db e h a v e ：( 2 ) 图形输入方式设计多个1 0 ：2 合路器。用v t t d l 编程实现单个1 0 ：2 合路器，编译完成后，会生成一个项目符号，通过在图形输入文件中调用该项目符号，将多个1 0 ：2 合路器组合在一起，用一片c p l d 实现，可节省系统空间。实验系统为5 路视频信号传输系统，所以设计时将所需的5 个1 0 ：2 合路器，集成在一片e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 0 中实现。其电路图如图3 - 1 4 ，其中c h l 0 9 c h 5 0 9 为5 路1 2 m l l z 、l o b i t 并行数字视频信号；d 0和d l 、d 2 和d 3 、d 4 和d 5 、d 6 和d 7 、d 8 和d 9 分别为5 路的合路输出信号( 6 0 9 t t z ) ，s h i f t l 是移位时钟( 由6 0 m h z 的晶振提供) ，l o a d 为移位控制时钟( 出时序控制电路产生) 。ns h l 0 0 图3 一1 4 多个1 0 ：2 合路器组合电路图商品质数宁 见频光纤传输技术研究3 2 ：1 0 分路器的c p l d 实现( 1 ) v h d l 语言和图形输入设计单个2 ：1 0 分路器由于每个2 ：1 0 分路器由两个串入、并出的移位寄存器实现，所以首先用v h d l语言设计一个串入、并出的移位寄存器，然后通过图形输入法将两个寄存器组合生成一个2 ：1 0 分路器。设计串入、并出的移位寄存器的程序代码如下：l i b r a r yi e e e ：u s ei e e e s t t l o g i c 一1 1 6 4 a 1 1 ：e n t i t ys h i f t e r li sp o r t( s l i n ，s r i n ，r e s e t ，c l k ：i ns t d l o g i c ：m o d e o ，m o d e i ：i ns t d l o g i c ：d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 ：o u ts t d l o g i c) ：e n ds h i f t e r l ：a r c h i t e c t u r eb e h a v eo fs h i f t e r li ss i g n a lq o u t ：s t d l o g i c v e c t o r ( 9d o w n t o0 ) ：b e g i nd 4 = q q u t ( 3 ) ：d 3 = q o u t ( 2 ) ：d 2 = q o u t ( 1 ) ：d l = q o u t ( 0 ) ：p r o c e s s ( cl k )b e g i ni f ( c l k e v e n ta n dc l k = 1 ) t h e ni f ( r e s e t = 0 ) t h e nq o u t 0 ) ：一同步清零e l s ei fm o d e l = 1 a n dm o d e o = 0 t h e n一”1 0 ”时右移第三章硬件电路设讨_ j j 实现q o u t = s r i n q o u t ( gd o w n t o1 ) ：e l s i fm o d e l = 0 a n dm o d e o = l t h e nq o u t m ，新码组可能有2 ”个组合，故多出( 2 ”一2 ) 种组合。从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。常见的m b n b 码有1 8 2 b 码、3 8 4 b 码、5 8 6 b 码、7 8 8 b第三章硬件i 乜路世计0 实现码和8 8 1 0 b 码。其中前四种码型多用于低速和较高速的系统：8 b i o b 适用于高速光纤数字传输系统，其编码效率为8 0 ，但电路实现比较复杂，而且接收端进行串并转换时需中断所传数据，周期性的发送k 2 8 5 特殊同步字才可确定帧边界，这在视频传输系统中是不希望的。( 4 ) c i m t 码。c i m t 是c o n d i t i o n a l i n v e r t m 觞t e r t r a n s i t i o n 的简称，即条件翻转主跳变码。其编码解码电路相对简单，定时信息丰富，编码效率最高达8 3 - 3 ，是编码复杂性和编码效率折衷的一种线路码。本系统即采用此种信道编码方式。3 c i m t 码( 1 ) c i m t 码的传输帧f i l m t 码的传输帧有三种形式：数据帧、控制帧和填充帧。数据帧用来传输主信息( 业务信息) ；控制帧多用来传输包头、包尾或其他协议信息等辅助信息：填充帧在无数据输入或发送端和接收端链路刚启动时产生用于保持或建立同步。选用何种帧形式进行传输由输入的控制信息决定。( 2 ) c l m t 码的编码过程c i m t 码的编码过程可分为m a s t e rt r a n s i t i o n 和c o n d i t i o n a l i n v e r t 两部分，编码原理框图如图3 1 7 。实现m ht m 血t i o al 实现c o l i d i 6 一i m e r li图3 1 7c i m t 编码原理框图m a s t e r t r a n s i t i o n ：c i m t 编码将每帧并行数据分为d 域( d a t a - f i e l d ) 和c域( c o d i n g f i e l d ) 两部分进行编码。d 域为所要传输的业务信息或辅助信息，宽度为1 6 b i t 或2 0 b i t 。c 域附加在d 域后，根据所输入的控制信息进行编码，不同的控制信息传输不同的帧形式，其编码规则也不同。但无论输入什么样的控制信息，c 域宽度均为4 b i t ，且中间的两位一定为一对互补码，“l o ”或“0 1 ”，这样每一帧就都产生了一个主电平跳变点，即m a s t e rt r a n s i t i o n 。此跳变点为接收端提供帧同步信息，通过搜索它能很好的确定串行码流中每帧的“起始”及高品质数字视频光纤传输技术i ! 】f 究“末尾”时刻。这样采用c i m t 信道编码技术就无需象4 b 5 b 、8 b l o b 编码方式周期性中断视频数据流丽插入特殊的帧同步字( 如：k 2 8 5 ) 来保持系统同步，从而保证了视频传输的实时性。c i m t 的帧结构如图3 - 1 8 。f r a m e图3 1 8c i m t 码的帧结构c o n d i t i o n a l i n v e r t ：c o n d i t i o n a l i n v e r t 是通过对输入数据求符号和来判断数据输出时是否需要翻转。即首先分别用“+ 1 ”、“一1 ”表示数据中的“1 ”和“0 ”，对输入的并行数据求和，然后将所得的符号与以前的数据求和符号相比较：符号相同则将当前帧数据翻转输出；符号相反则按原数据输出：当前帧数据求和为零时，则说明当前帧数据中0 、“1 ”个数相同，数据已经5 f 衡，故可以翻转也可以不翻转。这样做的目的是为了使传输线上的数据流保持平衡，不会产生直流电平漂移。一种1 6 b i t 的c i m t 线路码的编码格式如表3 2 。表中c a v 、d a v 为传输帧选择的控制信息，当c a v 为1 d a v 为“0 ”时传送数据帧；c a v 为“0 ”，无论d a v为何值，均传送控制帧；c a v 、d a v 均为1时表明无信息传输系统自动产生填充帧。表3 - 2 一种1 6 b i t 的c l m t 线路码的编码格式jd 毒岔s t 8 t u s i c a v j ：+ d a v ：d - f i e l d 。c - f i e i d i ：；? t r u e10d o d 1 51i 靳110 预丽0o7 i0( 3 ) c i m t 码的功率谱文献 1 0 中分析了c i m t 码的功率谱，图3 - 1 9 为1 6 b i t c i m t 码的功率谱图，由图中可以看出，c i m t 码的大部分能量主要集中在码速的二分之一处。从直流附第三市硬件i 乜路设计与实现近开始一段区域中，c i m t 码的能量是很小的，在高频区域具有类似的情况。这说明c i m t 码对低频和高频分量有较好的抑制特性。图3 - 1 91 6 b i t c i m t 码的功率谱由上面分析看出，c i m t 线路码不但可以满足编码效率高、电路实现简单、具有丰富的定时同步信息、对高低频分量具有好的抑制性等光纤线路码的基本要求，而且其通过m a s t e rt r a n s i t i o n 提供帧同步信息的方法可以保证视频信号的实时传输，因此适合用于高速数字视频光纤传输系统中。3 4 2 复接单元和分接单元的器件实现随着当代数字集成电路的快速发展，多路同步数据的复接与分接单元已能够将编码、并串、时钟提取、串并、译码电路等部分分别集成于单片的大规模集成电路上，这样可大大简化电路设计和印刷电路板的制作。系统中复接单元和分接单元采用h g il e n t 公司的高集成度通信i c g l i n k 系列芯片组h d m p - 1 0 2 2 和h d m p 一1 0 2 4 实现。其中h d m p 一1 0 2 2 为发送端芯片t x ，h d m p 一1 0 2 4 为接收端芯片r x 。该芯片组的性能特点如下：采用c i m t 信道编码方式。t x 和r x 均内嵌p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，即锁相环) 用于保持帧同步。接收端芯片r x 中，内嵌状态机用于自动链路的管理。并行数据为t t l 电平接口，串行数据为p e c l 电平接口。处理并行数据的位宽为1 6 b i t 、2 0 b i t 两种选择。一矗酐一质数f 税频光纤传输技术 | j f 究并行数据的频率范田：位宽为1 6 b i t 时为7 5 7 5 m w o r d s ；位宽为2 0 b i t时为6 3 6 2 5 m w o r d s ；且每种情况下分为四个频段供选择。串行数据的频率范围：1 5 0 1 5 0 0 m g a u d 。封装形式为低功耗的铝m - q u a d8 0 封装。1 发送端芯片h d m p - 1 0 2 2 的结构原理及功能发送端芯片i t d m p 一1 0 2 2 内部包括锁相环时钊，产生、c 域编码、d 域编码、帧复用( 并串转换) 、扰码( 包括符号产生、累加翻转) 、数据输出等几个部分。其具体结构框图如图3 2 0 ( a ) 。图3 2 0 ( a ) i i d m p 一1 0 2 2 结构枢削( 1 ) 锁相环时创一产生器：锁相环i d l e , t , 产生器负责产生复接器内部所需的所有时钏一。根据d v o 和0 i v l 的输入信息，锁相环首，乜确定并行数据的频率范幽并对外部输入的并行时钊ts t r b i n 锁定，然后以此时钟为基准进行倍频，产生高速率串行时钟i t c l k ，以用于并串转换。( 2 ) c 域编码、d 域编码、帧复用、扰码即为c 1 m 1 1 编码器。m 2 0 s e l 用于选择1 6 b i t 还是2 0 b i t 输入：c a v 、d a v 用于选择采用何种传输帧形式；f l a g s e i 对f l a g为进行设胃，r l a g s e l = 1 时f l a g 可作为第1 7 位或2 l 位数据进行传输，f l a g s e l- - - - 0 时f l a g 用于系统自检。( 3 ) 数掘输出：当l o o p e n = o 时，高速串行数据从d o u t 端口输出；当l o o p e n第三币碰仆i u 路设计j 实现= 1 时，高速串行数据从l o u 、端口输f _ ；，此时多_ _ f j1 ：捺片环路测试。2 接收端芯片h d m p 一10 2 4 的结构原理及功能接收端芯片i t d m p 一1 0 2 4 包括数据输入、相位频率检测、环路滤波、v c o ( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t e r ，即压控振荡器) 、时钟产生，帧解复用( 串并转换) 、c 域解码、d 域解码及状态机。其详细| 结构原理图如图3 2 0 ( b ) 。z盖笔g宴；2 醵lil l l砷聂a嚣；圈3 2 0 ( b ) h d m p - 1 0 2 4 结构原理图( 1 ) 数据输入。i i x 的数据输入部分对应于t x ，有两个输入端口l i n 和d i n ，仍然通过l o o p e n 控制，控制规则与t x 相同。( 2 ) 相位频率检测、环路滤波、v c o 构成接收端的p l l ( 锁相环) ，用于建立和保持发送端及接收端的同步环路，并从输入的串行数据中提取出高速串行时钟。r x 的d i v o 和d i v i 的设置需和t x 的设置一致。( 3 ) 时钟产生器。时钟产生器是在环路锁定的情况下，将提取出的高速串行时钟进行分频得到并行同步时钟并从s t r b o u t 管脚输出。( 4 ) 帧解复用( 串并转换) 、c 域解码、d 域解码部分构成信道解码器，它将串行数据转换为并行数据，并分为c 域和d 域两部分进行解码，恢复出1 6 b i t或2 0 b i t 的并行数据同时输出c a v 和d a v 的控制信息及f l a g 位。( 5 ) 状态机。状态机主要用于系统的自动管理。s t a t o 和s t a t l 表明t x 和r x 的工作状态，其对应关系如表3 3 。高侪质数。，视频光纤传输技术 i j | 究表3 - 3s t a t o 、s t a t l 利t x 、r x 的1 1 作状态列麻关系3 4 3 复接单元和分接单元的工作模式及几个关键问题由g - l i n k 芯片组t l d m p 一1 0 2 2 和h d m p 一1 0 2 4 可构成单工通信和双工通信两种工作模式，对于每种通信模式有多种不同的配置方式。本系统采用双时钟单工通信模式，其配置示意图如图3 2 1 。图3 - 2 1 系统l b 路配置示恿幽针对系统的双时钟单工通信模式，讨论以下几个关键问题。1 收发端同步环路的建立和保持。接收端实现帧同步锁定并与发送端建立同步环路的过程可分搜索( 捕捉) 和锁定( 跟踪) 两个阶段。具体实现如下：链路启动，接收端工作在搜索阶段。( 1 ) 状态信号s t a t l 初始值为0 ，接1 i 殳端处于频率检测状态，l o o p e n = s t a t l= o ，接收由d i n 输入的本地振荡时钟o s c ，并以此为参考时钟与锁相环的v c o 产生的内部时钟进行比较、调整，进行频率锁定。( 2 ) 频率锁定后，s t a t l 变为高电- , fl ，l o o p e n 也随之变为l ，接收端转入相位检测状态，并转向接收l i n 端l 】的串行数据流。( 3 ) 锁相环以接收的串行数据流中的主电平跳变点为相位参考点，在频率已锁定的基础上进行相位锁定。当连续两次锁到主电平跳变点时，确认系统同步建第三章碰什i u 路设计屿实现立，转入跟踪阶段；若不隧锁到主l 乜平跳交点，则系统报错，当连续两次报镨，状态信号s t a t i 变为0 ，系统自动转入频率检测状态，转( 1 ) 。此过程反复进行，直到锁定到主电平跳变点，系统转入锁定阶段为i t 。接收端工作在锁定阶段：( 1 ) 接收串行数据，并跟踪数据中的主电平跳变点，提取同步定时信息，维持系统的锁定。( 2 ) 当系统受温度、振动等外界影响或者发送端没有发送数据时，环路失锁，系统报错并自动转向搜索阶段，进行频率及相位锁定，重新实现系统同步。出于传输过程中曝码的出现，在搜索和锁定阶段可能出现漏检( 漏掉同步信息，而延长搜索时间或使系统由锁定转为失锁状态) 和虚检( 捕获或跟踪错误的同步信息，使系统由搜索阶段误转入锁定阶段或在锁定阶段本已失锁却继续其跟踪状态) 的现象。上两所述的需连续两次锁到主电平跳变点才认为系统锁定是后方保护措施，系统连续两次报错力认为系统失锁是前向保护措施，这样可以有效降低漏检和虚检 _ 现的概率，提高系统n 稳定性和可靠性。用流程图表示收发端同步环路的建立和保持过程如图3 2 2 。匝圃图3 2 2 收发端同步环路的建立并保持过程2 视频字节同步信息的产生与传输4商品质数一桃频光纤f 输技术 j 宄视频字节同步信息通过设置视频字节标志位f l a g 产生，f l a g 信号与数字视频数据的时序关系在图3 一l o 中已有所示。在发送端，f l a g 山时序控制电路产生，并与数字视频数据同时送入复接器复用为高速串行码流进行传输；接收端，分接器从串行码流中分解山该同步信号，将其作为1 0 b i t 视频字节的起始标志位，控制分路器的t t o l d 时钟，便于2 ：1 0 分路的实现。3 4 2 节中已经提到，l a g s e l = 1 时，t x 和r x 的f l a g 管脚可用作第1 7 或2 l 位数据位。系统中视频字节标志位f l a g 的传输问题正是通过设置f l a g s e l = 1 ，将标志位f l a g 作为一个附加数据位进行传输来解决的。3 接收端振荡时钟的接入方法由图3 2 l 看出，接收端的品振山r x 的高速串行数据端口d i n 输入。由技术手册知，d i n 端口所兼容的逻辑电平为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 )电平，而系统中采用的6 0 m t l z 品振输出的时钟信号为t t l 电平。为了实现逻辑电平之间的匹配，需首先将晶振输出的时钟信号通过个t t l 到p e c l 的电平转换器进行电平转换，然后再输入到d i n 接口。系统l | j 采刚m 1 c r e l 公司的s y i o e l r 2 0 v作为电平转换器，晶振与该转换器以及i x 的d i n 接口之间的连接图如图3 - 2 3 所示，其中d 为转换器的t t i 。信号输入端，q 和q 为差分p e c l 信号输出端。+ 5 v d 卜一n dlv c cn cldqin cqlg n dn cs 丫i 0 e l l l 2 0 v童1 8i n _ 1 4 81 0l u f+ 5 v d虹0 n d1 41 71 82 82 912h d m p l 0 2 4e a p o bc a p l b d i v 0d i v ld i nd n 4l i nl i ns m r s t 0s m r t s lt c l k幽3 2 3 品振