（通信与信息系统专业论文）带以太网的多路数字视频光端机的设计.pdf

1 i i 1啪y181帆7吣3惴4113j 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：盛匪函 日期：趁妲毒卫旦习l 学位论文使用授权书 i 本人究全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文。并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：迎面导师。签名，：适3 型! 日期型可日 摘要 近年来，由于车辆增加而引起的交通事故的增多，交通堵塞、违规行驶和 监守自盗等现象成为必须解决的问题。为解决上述问题，推动高速公路建设的 进一步发展，关键在于有一套先进的交通监控和管理系统，本课题正基于这种 社会需求而产生的。同时，随着“平安城市 建设的普及，大量的图像如何汇 总、如何处理、如何管理、如何保障后续的维护，都成了“平安城市 建设中 急需解决的问题。大容量的光端机，节点式( 可级联) 的光端机和带网管功能 的光端机备受关注。 在国外，许多厂家在比较早的时候就投入很大的人力、物力开发光端机系 统产品，起步较早，因而在产品的可靠性和稳定性、技术含量、容量上优于国 内产品。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。但是现在市场上的光端机传输是分散的、点对点的、也有级 联的，但均不是一个可管理的传输系统，没有统一化、规范化，不能满足视频 监控系统中传输大信息量的要求，更不能满足系统性的、网络化的传输需求。 1 高速公路监控系统要求直观地再现道路现场的实况，让管理人员实时了解 高速公路沿线的气象状况，道路条件，交通运行情况以及交通异常情况等。同 时，管理人员对异常事件的判断和控制决策也要能实时地传输到控制端。这就 对视频传输提出了较高的要求。为此，本课题设计了该多路数字视频光端机， 可同时传输1 分路视频信号、1 路以太网数据、2 路音频数据以及辅助数据等。 1 6 路视频的单光纤传输节约了光纤资源，降低了单路视频的传输成本。 本文设计的数字多路视频光端机的主要功能是在发射端将十六路视频，一 路以太网数据，两路音频进行时分复用，通过并串数据转换成为高速数据流进 入光模块，完成电光转换后送入光纤传输。在接收端则进行相反处理，首先通 过光模块对接收的光信号进行光电转换，转换后的高速数据流通过串并转换模 块进行串并转换，然后分接为原来的数据。 关键宇：数字复接，数字分接，光纤传输，f p g a ，同步 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n h e r ei nv e h i c l e sc a u s e dm o r ea n dm o r et r a f f i ca c c i d e n t s ， t r a f f i cc o n g e s t i o n ，t r a f f i cv i o l a t i o n s ，a n de m b e z z l e m e n th a v eb e c a m et h ep r o b l e m s w h i c hs h o u l d b es o l v e d t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，a n dp r o m o t et h e f u r t h e r d e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，as e to fa d v a n c e dt r a f f i cm o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e mi sn e c e s s a r y t h es u b j e c ti se x a c t l yb a s e do ns u c hs o c i a ln e e d s m e a n w h i l e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f ”g r e e nc i t y ”，h o wt oa g g r e g a t eal a r g en u m b e r o fi m a g e s ，h o wt od e a lw i t h ，h o wt om a n a g e ，h o wt oe n s u r ef o l l o w u pm a i n t e n a n c e ， h a v eb e c o m eu r g e n tp r o b l e m si nt h ec o n s t r u c t i o no f ”g r e e nc i t y ”h i g h - c a p a c i t y o p t i c a l ，a n do p t i c a lw i t hn o d et y p eo rn e t w o r km a n a g e m e n tf u n c t i o n s a r el a r g e l y c o n c e r n e d i no t h e rc o u n t r i e s ，m a n ym a n u f a c t u r e r sh a dp u tl o t so fm o n e ya n dp e o p l et o d e v e l o pt h eo p t i c a lp r o d u c t s ，b e c a u s et h e ys t a r t e de a r l i e r , t h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y o ft h ep r o d u c t ，t e c h n i c a lc o n t e n t ，t h ec a p a c i t ya r es u p e r i o rt od o m e s t i cp r o d u c t s i n t h el o w - e n dm a r k e t ，d o m e s t i ce n t e r p r i s e sh a v em a s t e r e dt h et e c h n o l o g y , w h i c ha l s o h a v et h ep r i c ea d v a n t a g e ，t h es h a r ei sr i s i n g b u tt h ea c t u a lo p t i c a lt r a n s c e i v e ri s d e c e n t r a l i z e d ，p o i n tt op o i n t ，t h e r ei s c a s c a d e d ，b u tn o n eo ft h e ma r eam a n a g e a b l et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h e r ei sn e i t h e r u n i f o r mn o rs t a n d a r d ，w h i c hc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft r a n s m i t t i n gl a r g ea m o u n t o fi n f o r m a t i o ni nt h ev i d e os y s t e m ，c a n tm e e tt h es y s t e m a t i c ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o n r e q u i r e m e n t se i t h e r t h eh i g h - w a ym o n i t o r i n gs y s t e mr e q u e s ta ni n t u i t i v ew a yt or e p r o d u c et h el i v e s i t u a t i o n ，w h i c hl e tt h em a n a g e r su n d e r s t a n dt h ew e a t h e rc o n d i t i o n s ，r o a dc o n d i t i o n s a l o n gt h eh i g h w a y , a n dt h eo p e r a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n s ，e t c m e a n w h i l e ， t h ec o n t r o ld e c i s i o no ft h em a n a g e r ss h o u l da l s ob ct r a n s m i t t e dr e a l t i m e l yt ot h e c o n t r o l l e de n d i t sah i g hd e m a n df o rv i d e ot r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r d e s i g n e dt h i sd i g i t a lm u l t i - c h a n n e l v i d e oo p t i c a lt r a n s c e i v e r , w h i c hc a nt r a n s m i t 1 6 - c h a n n e lv i d e os i g n a l ，e t h e r n e td a t a ，2 - c h a n n e la u d i os i g n a la n ds e c o n d a r yd a t a ，e t c i tc a ns a v et h eo p t i c a lr e s o u r c ea n dr e d u c et h et r a n s p o r tc o s t so fe v e r yv i d e os i g n a l n u s i n go n ef i b e rt ot r a n s m i t1 6 - c h a n n e lv i d e os i g n a l s t h ef u n c t i o no ft h ed e s i g n e ds y s t e mc a nb ea c c o m p l i s h e dt h a tm u l t i p l e x e r s s i x t e e nc h a n n e l so fv i d e os i g n a l s ，e t h e m e td a t a ，t w oc h a n n e l so fa u d i os i g n a li n t oo n e d a t af l o wa n dt h ed e m u l t i p l e x e r st h ed a t af l o wi n t ot h eo r i g i n a ls i g n a l s ，p o s i t i v e j u s t i f i c a t o nu s e dd u r i n gt h ec o u r s eo fm u l t i p l e x k e y w o r d s ：d i g i t a lm u l t i p l e x i n g ，d i g i t a ld e m u l t i p l e x i n g ，f i b e rt r a n s m i s s i o n ，v h d l , f p g a , s y n c h r o n i z a t i o n i i i 目录 摘! i i ：】 a b s t r a c t i i 第1 章引言1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 光端机的发展现状2 1 3 系统的特点及作者主要工作3 1 4 本章小结。4 第2 章系统的硬件设计与实现5 2 1 系统设计要求5 2 2 系统原理框图设计与分析6 2 3 视频信号处理电路的设计8 2 3 1 模拟视频信号编码参数确定8 2 3 2 主要芯片选型1 0 2 3 3 视频a d 、d a 转换电路设计1 0 2 4 音频信号处理电路的设计1 3 2 4 1 音频信号编码参数确定1 3 2 4 1 主要芯片选型1 4 2 4 2 音频a d 、d a 转换电路设计1 4 2 5 以太网接口电路1 5 2 6 可编程逻辑器件选型及外围电路的设计1 6 2 6 1 器件选型1 6 2 6 2 外围电路的设计。1 7 2 7 传输信号并串串并转换电路。1 8 2 8 光收发模块电路的设计1 9 2 8 1 器件选型1 9 2 8 2 光收发模块接口电路设计2 0 2 9 本章小结2 1 第3 章系统软件设计与实现2 2 3 1 发送端逻辑设计2 2 3 1 1c p l d 复接模块设计与仿真2 3 3 1 2f p g a 高速复接模块设计与仿真2 4 3 1 3 并串转化模块设计2 6 3 2 同步复分接模块的设计。2 7 3 2 1 管脚配置模块的设计2 8 3 2 2 网管配置模块的设计2 8 3 2 3 网管初始化模块的设计2 9 3 2 4 码速调整模块的设计与仿真2 9 3 2 5 同步复接模块的设计与仿真3 1 3 2 6 同步分接模块3 2 3 2 7 码速恢复模块3 3 3 3 接收端逻辑设计3 4 3 3 1c p l d 分接模块设计与仿真3 8 3 3 2f p g a 高速分接模块设计与仿真3 6 3 3 3 串并转化模块设计与仿真。3 5 3 4 本章小结3 9 第4 章系统调试4 0 4 1 系统硬件调试4 0 4 2f p g a 功能模块调试4 0 4 3 系统环回功能调试4 2 4 4 本章小结4 4 第5 章总结与展望4 5 5 1 全文的总结4 5 5 2 课题研究的扩展。4 5 参考文献4 8 i i ! i ：谢5 1 ) 附录：攻读硕士学位期间发表的论文5 1 l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 本课题源于对以光纤为传输介质的视频、音频、以太网数据传输系统的研 究，以交通监控为应用背景。 近年来，全国各地的高速公路正建设得如火如荼，给社会经济活动的建设 带来了很大的促进作用。但是，由于车辆增加而引起的交通事故的增多，交通 堵塞、违规行驶和监守自盗等现象已成为必须解决的问题。解决上述问题，推 动高速公路建设的进一步发展，关键在于有一套先进的交通监控和管理系统， 本课题正是为适应这种社会需求而产生的1 1 】1 2 】。 在视频监控系统中，视频图像的大容量与传输带宽的有限性之间的矛盾越 来越突出，因此视频传输是视频监控系统中要解决的核心问题之一。光纤同电 缆相比具有传输频带宽、传输信息容量大、传输损耗低等无与伦比的优点，已 成为视频传输系统中不可取代的传输介质1 3 j 。 由于数据传输系统具有传输质量高，没有模拟调频、调幅、调相传输系统 多路信号同传时传输质量低劣、长期工作稳定性差、交调干扰严重、容易受环 境影响的缺点，因此许多大型重点工程已普遍采用数字传输系统。目前工程应 用的数字光端机主要传输视频信号，少量数字光端机能传输音频信号和控制信 号。音频信号以传输话音业务为主，主要应用于各监控点之间发送指令和紧急 联络；控制信号以控制数据为主，主要应用于总监控室与各个监控点之间的数 据传递1 4 1 。 伴随着高速公路而发展起来的道路视频监控成为了一个日渐庞大的行业， 高速公路监控系统要求直观地再现道路现场的实况，让管理人员实时了解高速 公路沿线的气象状况，道路条件，交通运行情况以及交通异常情况等。同时， 管理人员对异常事件的判断和控制决策也要能实时地传输到控制端。这就对视 频传输提出了较高的要求1 5 1 。为此，本课题设计了该多路数字视频光端机，可同 时传输1 6 路视频信号、1 路以太网数据、2 路音频数据以及辅助数据等。1 6 路 视频的单光纤传输节约了光纤资源，降低了单路视频的传输成本。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 光端机的发展现状 光纤传输系统作为光纤通信的传输方式，可以分为模拟光纤传输系统和数 字光纤传输系统，也即模拟光端机和数字光端机。由于数字光端机具有传输信 号质量高，没有模拟光端机多路信号同传时传输质量低劣、交调干扰严重、容 易受环境影响、长期工作稳定性差等缺点，因此许多大型重点工程普遍采用数 字光端机【6 1 。 数字光端机按编码方式分，目前主要有网络数字光端机和非压缩数字光端 机等几种。压缩数字光端机采用图像压缩技术，降低了信号的传输带宽，利用 较少的资源就可以传输图像信号。不过视频经过压缩处理后，都会或多或少地 对图像质量造成影响，在高速公路大屏监控中心这类对视频图像质量要求较高 的场合这类系统往往应用范围狭窄，扩展性不强。同时由于视频压缩和解压缩 都需要一定的时间，所以压缩数字光端机不能保证视频传输的实时性，一般会 产生1 2 s 的延时。因此，这种设备也不适合对实时性要求很高的场所1 7 1 。 非压缩数字光端机通常是直接将多路模拟基带视频信号进行高分辨率的数 字化，然后将多路数字流复用，再通过光纤传输。其高的数据传输速率可以保 证视频信号的实时性和传输质量。因为光纤的带宽很大，所以这种高速率并没 对传输通道提出过高的要求。非压缩数字光端机可以提供很好的图像传输质量， 甚至可以达到广播级的传输质量要求，图像传输是全实时的【8 】【9 1 。系统中一般采 用的复接技术有频分多址复用( f d m a ) 、时分多址复用( t d m a ) 、波分多址复用 ( w d m a ) 、码分多址复用( c d m a ) 。频分复用的缺点有：初期成本高，信号容量 固定，增a n 减少用户时比较麻烦，需要高速器件。波分复用主要的问题是：成 本比较高，主要是因为光器件成本目前还比较高。但如果开发出便宜的、适用 于波分复用方式的光发射和光接收器件，使用w d m a 是发展的趋势。时分复用 使用极少的波长和转发器等优点，但时分复用还是需要高速器件i l 。 在国外，许多厂家在比较早的时候就投入很大的人力、物力开发光端机系 统产品，起步较早，因而在产品的可靠性和稳定性、技术含量、容量上优于国 内产品。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。目前数字光端机领域比较流行的国内品牌有蛙视、埃比、 d o t e c k 、赛克瑞特等品牌；而在高端市场，技术较复杂的产品市场，如多路数字 式光端机、网络光端机、总线式大容量光端机仍以y l i n k 、i f sf i b e ro p t i o n 、 2 。 。1。 一一 。一。” 一 ” r 一。一一一一一一j一一一， 一 ，。， 一 。+ 一 武汉理工大学硕士学位论文 等国外品牌为主1 1 1 】【1 2 1 。 风靡全国各地的“平安城市 建设是目前被广大光端机厂家最看好的应用， 这是一个多级网络，最终达到全国范围统一联网，资源共享的效果。由于治安 监控项目的规模很大，对系统传输的数据量要求很高，所以，市场上对多路光 端机的需求不断上升。同时，“平安城市还要求多级传输，比如从区到市、市 到省、省到公安主干网。随着“平安城市”建设的普及，大量的图像如何汇总、 如何处理、如何管理、如何保障后续的维护，这都成了“平安城市 建设中急 需解决的问题。大容量的光端机，节点式( 可级联) 的光端机和带网管功能的 光端机备受关注1 1 3 】1 1 4 】。现在市场上的光端机传输是分散的、点对点的、也有级 联的，但均不是一个可管理的传输系统，没有统一化、规范化，不能满足系统 性的、网络化的传输需求。很多国外的安防巨头，如t y c 0 、西门子、索尼、 g e 安防等都已经开始关注全数字领域和综合性的传输平台这个方向了。 10 3 系统的特点及作者主要工作 本课题源于对以光纤为传输介质的视频、音频、以太网数据传输系统的研 究，以交通监控为应用背景。研究旨在设计出一个带以太网的多路视频光端机， 要求基于时分复用技术，采用串行数字信号传输方式，在一根光纤中同时传输 视频、音频、以太网数据等信号，使得监控中心的大屏幕能够直观清晰地再现 道路现场的实况，使管理人员足不出户就能实时了解高速公路沿线的交通异常 事件、道路条件以及交通运行情况，并采取适当的交通控制措施。 该系统具有以下的性能特点： 1 ) 视频通道多，可扩展性好，图像路数增加方便。 2 ) 实现了利用一根光纤传输1 6 路视频信号，节省光纤资源，降低了单路视 频传输成本。 3 ) 完全实时传输，没有压缩图像传输的延时问题。 4 ) 可靠性高，具有节电断电电光链路保护功能，某个节电断电不会影响其 余节点的传输。 作者主要开展了以下工作： 1 ) 光端机总体框架设计与实现。 本文采用串行数字信号传输方式、基于时分复用技术，提出了一种带以太 3 武汉理工大学硕士学位论文 网的多路数字视频光端机的设计方案。其可同时传输1 6 路视频信号，1 路以太 网数据，2 路音频数据以及辅助数据等。 2 ) 系统高速复接数据帧格式的制定与实现。 针对本系统中传输的信号的特点，制订了用于低速复接的2 5 m 数据帧格式、 3 0 m 复接数据的帧格式和高速复接数据的帧格式。 3 ) 光端机各部分电路的设计与实现 分析各部分电路的设计要求，确定各部分电路的主要参数、选定主要芯片 型号，完成各部分的电路设计。 4 ) f p g a 软件实现，模块功能仿真和系统测试。 其中f p g a 逻辑设计为重点，实现了对整个系统的逻辑和时序控制。 1 4 本章小结 本章简要介绍了课题的应用背景，说明了数字光端机在高速公路监控系统 中的重要意义。介绍了光端机的三个发展阶段，同时比较了目前市场上的三种 主要的视频传输解决方案的优劣。给出了系统的设计任务和作者的主要工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统硬件设计与实现 2 1 系统设计要求 本研究旨在设计出一个带以太网的多路视频光端机，要求基于时分复用技 术，采用串行数字信号传输方式，在一根光纤中同时传输视频、音频、以太网 数据等信号。其技术指标如下【1 5 】： 视频 信号制式： 标称输入输出电平： 标称输入输出阻抗： 每通道带宽： 量化等级： 微分增益： 微分相位： 回波： 亮度非线性： 视频端口保护： 加权信噪比： 音频 p a in 盯s c s e c a m 1 v p - p 7 5q 8 m h z 8 b i t 1 0 b i t 1 0 7 0 8 5 d b 总谐波失真： 8 2 d b m 2 ) 接收模块相关性能指标： 中心波长：1 5 5 0 r i m 或1 3 1 0 n m 饱和光功率： 8 d b m 接收灵敏度：2 8 d b m 为了很好地抑制共模干扰，并且在长距离传输时，使收发两端直流隔离， 避免外部引入直流偏移，系统中光模块的电接口连接采用p e c l ( 正发射极耦合 逻辑) 电平差分交流耦合的连接方式。p e c l 是由e c l 标准发展而来，e c l 是 一种采用5 2 v 对地电压实现的电流开关型逻辑电路，开关速度较高，适用于高 速数字电路。p e c l 采用正电源( 5 v 或3 3 v ，3 3 v 供电时又称l v p e c l ，即低 压p e c l ) 取代e c l 中的负电源供电，其信号摆幅相对于e c l 要小，因此更适 合于高速数据的连接【3 1 】【3 2 1 。 由前述可知，f p g a 引脚接口为l v d s 接口和光模块的l v p e c l 接口电平 大小和电平摆幅都不一样，两者之间不能直接驱动，需要耦合电路进行匹配连 接。本设计l v d s 到l v p e c l 和l v p e c l 到l v d s 的交流耦合电路分别如图2 4 和图2 5 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 1 b f o p t r d + 0 0 1 u fi o p t r d r 3n r 4 1 4 2 0 l r j1 4 2 q i 啪 l ，e c l 驱动 图2 - 4l v d s 到l v p e c l 的交流耦合 在图2 4 中，l v d s 接口的差分输出阻抗为1 0 0 0 ，传输线阻抗为5 0 0 ， l v p e c l 接口输入直流偏压应固定在v c c 1 3 v ( 即2 v ) 且输入阻抗应等于传 输线阻抗，因此r 2 和r 3 的阻值应满足下面两式：( 1 ) r 3 x v c c ( r 2 + r 3 ) = v c c 1 3 v ：( 2 ) r 2 x r 3 ( r 2 + r 3 ) = 5 0 0 。由此解得r 2 和r 3 分别为8 2 0 和 1 3 0 0 。 r p h y _ r d n ，扣：l 图2 - 5l v p e c l 到l v d s 的交流耦合 在图2 5 中，l v p e c l 接口的输出共模电压需固定在v c c 1 3 v ，在选择直 流偏置e f g ( r 3 和r 4 ) 时仅需该电阻能够提供1 4 m a 到地的通路，因此r 3 = ( v c c 1 3 v ) 1 4 m a = 1 4 2 0 ，同时信号通道上一定要串接5 0 0 电阻，以提供一 定衰减，l v d s 输入端到地需加5 k o 电阻，以提供共模偏置。 2 9 本章小结 本章给出了系统设计要求，结合系统设计要求，绘出了系统硬件设计框图， 并分析了各个部分的主要功能和作用。接着按模块逐个分析各个电路参数确定 及设计要领，其中主要分析了视频信号处理模块的p c m 编码参数确定，视频模 数和数模转换电路设计；音频采样频率确定，音频模数和数模转换电路设计； 以太网电路设计；可编程逻辑器件选型及其外围电路设计；光收发模块选型及 匹配电路设计等。 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统软件设计与实现 3 1 发送端逻辑设计 根据系统地设计任务，发送端主要完成以下工作：1 ) 对视频插件中产生的 四路1 5 m 8 b i t s 格式的数字视频信号先进行一次复接，形成6 0 m 8 b i t s 格式 的数字视频信号；2 ) 正向两路音频数据、两路背板数据，一路十兆以太网数据 复接后形成的3 0 m 低速复接数据；3 ) 四路6 0 m 8 b i t s 格式的数字视频信号和 3 0 m 低速复接数据进行时分复用，形成1 8 位并行高速数据；4 ) 2 0 位并行高速 数据转换成为高速串行差分数据流；5 ) 反向3 0 m 低速数据的接收。 据此发送端设计了以下几个模块：视频c p l d 一次复接模块、同步复分接 模块、f p g a 高速复接模块和并串转化模块，同步复分接模块又包括码速调整模 块、低速数据复接模块、管脚配置模块、码速恢复模块、反向数据分接模块、 以及网管配置模块和网管信息初始化模块。它们的连接示意图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 发送端系统框图 在发送端，摄像头输出的模拟视频基带信号在视频插件中经过采样、量化、 编码转化为数字视频信号，其中采样频率为1 5 m b p s ，8 位量化，转化后的数字 视频信号为1 5 m 8 b i t s 格式，每个基板上有四个视频插件，产生四路1 5 m 8 b i t s 格式视频信号，该四路1 5 m 视频数字信号先送到c p l d 中进行一次复接，形成 一_，_，_d一 。1 v一 _ l 。“+ ” 武汉理工大学硕士学位论文 6 0 m x 8 b i t s 格式的数字视频信号，即基板上产生一路6 0 m x 8 b i t s 格式的数字视 频信号，视频扩展板另外提供格式相同的三路6 0 m x 8 b i t s 的数字视频信号( 图 中视频扩展板部分未画出) ，共四路6 0 m x 8 b i t s 格式的数字视频信号，送入f p g a 的f p g a 高速复接模块中；音频信号经过音频端口传送到音频插件，经过内部 采样、量化、编码转化为2 5 m x1 6 b i t s 数字音频数据( 2 5 m 带宽未用完) ，送入 f p g a 的同步复分接模块中( 这里的音频插槽上也可能插入的是数据插件，以后 所说的音频信号均是指这种音频数据信号) ；7 5 m 的两路背板数据信号经过背 板数据接口送入f p g a 的同步复分接模块中；十兆以太网信号经过十兆以太网 口送入以太网物理芯片中，把物理层传输的以太网比特流转化为数据链路层形 式的以太网数据，也送入f p g a 的同步复分接模块中；在同步复分接模块中， 两路音频数据、两路背板数据，一路十兆以太网数据经过码速调整和低速数据 复接后形成3 0 m 低速复接数据。之后，f p g a 高速复接模块将四路6 0 m x 8 b i t s 格式的数字视频信号和同步复分接模块送过来的3 0 m 低速复接数据进行时分复 用，通过并串数据转换成为高速数据流进入1 2 5 g 光模块，完成电光转换后送入 光纤传输。与此同时，光模块反向接收的3 0 m 反向低速数据经过光电转换后送 入发送端的同步复分接模块中，经过反向数据分接和码速恢复后还原出原来的 两路音频数据、两路背板数据，一路十兆以太网数据，分别送入相应的插件和 端口。 3 1 1c p l d 复接模块设计与仿真 在发送端，c p l d 复接模块负责将a 、b 、c 、d 四路1 5 m x8 b i t s 格式的视 频信号一次复接成6 0 mx8 b i t s 格式的数字视频信号。c p l d 工作时钟的频率为 6 0 m h z ，由f p g a 提供：将该时钟信号四分频得到1 5 m h z 时钟频率，分别赋给 四个采样时钟( a d c l k a 、a d c l k b 、a d c l k c 、a d c l k d ) 送给四个视频插件作为其工 作时钟。在这个频率相对低的1 5 m 时钟下我们将要发送的的四路1 5 m 8 b i t s 格式的视频信号( v a d a 、v a d b 、v a d c 、v a d d ) 读进c p l d 内部的缓存器( v a d a i 、 v a d b i 、v a d c i 、v a d d i ) 中，在c p l d 内部经过定时、调整，然后在6 0 m 复接时 钟下，分四个时隙把四路信号依次输出，即得到一路6 0 m 8 b i t s 格式的数字视 频信号l d o 。然后将其送到f p g a 的f p g a 高速复接模块中，准备进行二次复接。 该部分的时序仿真图如图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 i 璺豳蠢谶霾谴蹩篓瀚醚曼野菌i 0 垦堕臻i 醴熬两藤螽溪霎曩萄霹童募蟊遥曼繇菇困鏖强 i 曼翳黼酒囊霹鬯篓蠹i 程曼隔澳曼蹩藩i 积曼! 蚕嗣囝璧甄两霹舅曼霜妇璧黪瓣霞璺鬓强 e 霭匿碱受甄甄篓西甄贼琢甄臻蔓臻窭陋习囤强西疆圉匿巫贼臌凰 曼黧豳隧嬲期震氆隧i 譬隧鞫藤嘲翻圈氍豳麓隧嘲黼期翻疆隔缓鞠懒醋 一 o 鞠i 一i j i i l l i i l i 曩_ i i i 霸c j i i m l h i j l i i n n j l 墨蠹群事譬麓凳墨墨? 舅凳嚼罐蔫g 瓣嗣董j l _ ，；嘲鞠一m m i l l i 。黼- i 雕ip | , i l l i i i l l l i i - l l i _ ? 一_ l j m l 嬲i m it _ 一_ i 嘲_ i 糖3 _ l i i it _ - ：_ _ l t t 噜r k ，噜- t 堰壤t 曲灌噜量l 嚏e 薯。4 t ile r r l 噜t i c 峨l t i i i 图3 - 2c p l d 复接模块时序仿真图 其中，v a d a 、v a d b 、v a d c 、v a d d 是输入的a 、b 、c 、d 四路1 5 m x8 b i t s 格 式的视频信号；a d c l k a 、a d c l k b 、a d c l k c 、a d c l k d 是四路1 5 m x8 b i t s 格式视频 信号的1 5 m 采样时钟；v a d a i 、v a d b i 、v a d c i 、v a d d i 是c p l d 内部四路1 5 m 8 b i t s 格式视频信号缓存器；l c l k 是f p g a 送过来的6 0 m 视频复接时钟；l c h s 是视频 复接信号的有效指示；l d o 是复接后的6 0 m x 8 b i t s 格式的视频信号。由图可以 看出，功能模块设计正确。 3 1 2f p g a 高速复接模块设计与仿真 f p g a 高速复接模块主要实现四路6 0 m x8 b i t s 格式的数字视频信号、3 0 m 低速复接信号的二次复接和反向3 0 m 低速数据的接收。 我们设计的高速复接数据的帧格式如表3 - 1 所示： 表3 - 1 高速复接数据帧格式 其中，l o 一7 用于传输基板6 0 m 8 b i t s 格式视频信号；a o 彳用于传输a 路 武汉理工大学硕士学位论文 扩展板6 0 m x8 b i t s 格式视频信号；b o 一7 用于传输b 路扩展板6 0 m x8 b i t s 格式 视频信号；c 0 7 用于传输c 路扩展板6 0 m x8 b i t s 格式视频信号；o d d 用于传 输校验信号。s y n 用于传输同步信号( 1 2 位同步字) 。m u x 用于传输3 0 m 低速 复接信号。m 用于传输m u x 取反信号。1 6 行一帧，2 0 比特一行。【0 】和【1 9 】比 特分别传0 和1 ，用于位同步；【1 卜【8 】比特和 1 1 一 1 8 1k g 特用于传视频信 号；【9 1 比特传校验信号；【l o 】比特传3 0 m 低速复接数据和同步信号。 系统的时钟晶振为1 2 0 m ，将1 2 0 m 分成了1 6 时隙，每个时隙7 5 m 。一帧 中传了基板视频信号、a 路扩展板视频信号、b 路扩展板视频信号、c 路扩展板 视频信号分别占8 个时隙，则基板视频信号、a 路扩展板视频信号、b 路扩展板 视频信号、c 路扩展板视频信号占用的带宽分别为7 5 m 8 = 6 0 m ；校验位占1 6 个时隙，占用的带宽为7 5 m 1 6 = 1 2 0 m ；低速复接数据占4 个时隙，占用的带 宽为7 5 m 4 = 3 0 m ；同步信号占8 个时隙，占用的带宽为7 5 m x 8 = 6 0 m 。可见， 该帧格式满足系统传输信号的带宽要求。 f p g a 二次复接的具体过程为：1 2 0 m 时钟下有一个从0 - 1 5 计数的计数器 m c i k ，计数器的o 位刚好为6 0 m ，1 位刚好为3 0 m ，以此类推。在6 0 m 时钟下 降沿( m c l k 的0 位为1 时) ，将输入的4 路6 0 m 视频信号l v d 、e v d a 、e v d b 、e v d c 缓存到四个缓存器l v d n o 、e v d a n 0 、e v d b n 0 、e v d c n o 中。然后在1 2 0 m 时钟下， 分两个时隙将l v d n 0 、e v d a n 0 复接成1 2 0 m 视频数据v d l a ，将e v d b n 0 、e v d c n 0 复 接成1 2 0 m 视频数据v d b c ，这样就准备好了2 路1 2 0 m 高速视频数据v d l a 和v d b c 。 同时同步复分接模块也送过来了复接好的3 0 m 低速复接数据。然后，按照我们 前面设计的帧格式，在相应的时隙分别复接进相应的数据。同步信息码设定为 “0 0 1 1 0 1 1 0 ，视频数据在复接前进行了并行扰码，复接后的高速复接数据又进 行了串行扰码，这样做的目的是为了保证传输链路中o 和1 数量的均衡，相关 的时序仿真如图3 3 所示。 图3 3f p g a 高速复接模块时序仿真图 譬一_，：菇转疑辑醛一勉 一 一 ：一 _，n_。一一 。+。4+。+。 ! 。、。? 9 武汉理工大学硕士学位论文 其中，l v d 、e v d a 、e v d b 、e v d c 为输入的四路6 0 m 视频数据；l v d n o 、e v d a n o 、 e v d b n 0 、e v d c n o 为缓存后的四路6 0 m 视频数据；v d l a 和v d b c 为复接后的1 2 0 m 视频数据；o t d 为最终的高速复接数据。由图可以看出，二次复接时序仿真正确。 3 1 3 并串转化模块设计 并串转化模块将f p g a 高速复接模块送过来的2 0 位并行高速数据转换成为 高速串行差分数据流送入1 2 5 g 光模块，完成电光转换后送入光纤传输。这里我 们采用的方法是利用f p g a 内部集成的s e r d e s 高速收发模块p c s ( 也就是通常 所说的m 核) 配冕成外部s e r d e s ( t l k 2 5 2 1 ) 的管脚形式。 表3 - 2t l k 2 5 2 1 的管脚描述 管脚名称描述 d o i 1 1 x p 串行传输输出 d o u t t x p d l n r x p 串行接收输入 d i n r x n g t xc l k 参考时钟，连续外部输入时钟 t x d 0t x d l 7 传输1 8 位数据输入 r x d 0r x d l 7 接收1 8 位数据输出 r xc l k 接收时钟 设计中采用3 个时钟，p