基于FPGA的数字视频光纤传输系统的设计与实现

华中光电技术研究所·武汉国家光电实验室 雷声振



基于FPGA的数字视频光纤传输系统的设计与实现

华中光电技术研究所·武汉国家光电实验室 雷声振

【摘要】提出了数字视频光纤传输系统的设计方案，分析了SFP光收发器在光发送板与光接收板中的应用性能，实现了以光纤为媒介传输数字视频信号的功能。本文设计的视频传输系统方案，很好的提高了光发送板与光接收板在复杂环境下的隔离作用，并实现了数字视频的远距离传输，抗干扰力强，具有很好的实时操作性。

【关键词】FPGA；SFP；串/并转换；光纤传输

1 引言

近年来，随着光纤通信行业的迅速发展，SFP光收发器被广泛应用在各种光通信系统中。SFP光收发器具有可热插拔、体积小、传输速率高等特点，并且随着制作工艺的进步，性能也日渐完善[1]。由于光纤的低损耗、宽频带等特性，非常有利于数字视频信号的传输。数字信号传输通常分为并行传输方式和串行传输方式[2]。本设计采用串行传输的方式，通过光发送板将并行数字视频信号转换成串行信号，由SFP光收发器将电信号转换成光信号发送出去；再通过光接收板的SFP光收发器将光信号转换成电信号，然后还原成并行信号进行后续处理。此方法所需信道数目少，传输速率高，很适用于远距离传输。

2 整体系统设计

硬件系统由光发送板与光接收板组成，两块板子的信号处理系统相互独立，不会互相干扰，通过光纤将两块板子的通信连接起来。器件的选用对整个系统的设计很是关键，其中器件的传输速率是一个值得重视的指标。FPGA、串行编码器、光传输模块的处理速率都关系着整个系统能否满足视频信号的传输速率要求，而不在某个单元发生数据传输错误。另外，供电系统的设计也是整个系统能否稳定工作的关键。传输系统整体框架设计如图1所示。

图1 传输系统整体框架图

光发送板的输入信号为LVDS并行信号，经过FPGA处理系统进行缓存后，再由DS92LV18串行编码器进行并/串转换。由于SFP光收发器不能接收LVDS信号，因此先将LVDS信号转换成LVPECL信号，再通过SFP光收发器将LVPECL信号发送出去。

光发送板发送过来的信号，经过光纤的传输，到达光接收板的SFP光收发器，再转换成LVDS信号，通过DS92LV18串行编码器进行串/并转换，再进入FPGA处理系统进行缓存后，输出到上位机进行显示。

3 硬件设计与实现

硬件部分主要有逻辑控制单元、串并转换单元、光收发单元组成。

3.1 FPGA器件的选择

FPGA主要用以缓存视频数据，以及控制串行编码器的工作方式。FPGA的选型主要从I/O口支持的最大传输速率、管脚数量、功耗大小以及价格成本等方面考虑。在选择FPGA之前，需要了解自己的需求。本设计的LVDS输入信号频率为54MHz，共有17位数据。本设计选用的FPGA是EP2C8T144C8N，它是Cyclone II系列芯片中功耗较低，性价比较高的一款贴片封装的芯片。它时钟频率可达75MHz，具有85个可使用的I/O口，价格也在100元以下，满足本设计的需求。

3.2 LVDS信号稳定电路

LVDS是用于高速数据传输的通用接口标准，具有高速率、低功耗、电磁干扰低以及可靠性高的特点，可确保千兆位以上的数据传输[3]。SN74LVC3G17是一种三路施密特触发器缓冲器，当输入信号在阈值范围内浮动时，输出将不受影响，保持电平稳定。LVDS信号在进入FPGA之前，先通过SN74LVC3G17芯片，确保数据的稳定传输。

3.3 串/并转换与并/串转换电路

DS92LV18串行编码器具有18位数据接口，能够进行串行数据与并行数据之间的相互转换。芯片供电电压为3.3V。它支持15M至66M的数据传输速率，能够满足本设计的需要。

图2 光发送板的DS92LV18电路

图3 光发送板MAX9376信号转换电路

图4 光发送板供电电路

通过FPGA控制DS92LV18芯片的TCLK与RCLK信号，分别进行编码以及解码功能。在本设计中，LVDS信号包含14位视频数据信号、系统时钟信号、场同步时钟信号以及列同步时钟信号，进入光发送板DS92LV18芯片的DIN[0:17]输入口，经过处理后，以串行差分数据的形式从DS92LV18芯片的DO+和DO-口输出。同样，光发送板发送过来的串行数据，到达光接收板，从DS92LV18芯片的RIN+与RIN-口进入，经过处理后，以并行数据的形式从ROUT[0:17]口输出。管脚REN低电平时，使接收无效，光接收板将其拉高。管脚DEN低电平时，使发送无效，光发送板将其拉高。光发送板的DS92LV18串行编码器的电路设计如图2所示。

3.4 LVDS信号与LVPECL信号转换电路

在本设计中，MAX9376用于进行LVDS信号与LVPECL信号之间的相互转换。MAX9376能够保证2GHz的转换频率，供电电压为3.3V。光发送板的MAX9376信号转换电路设计如图3所示。

3.5 系统电源电路

TPS70445PWP用于提供系统所需的3.3V与1.2V电压，它具有低噪声，抗干扰力强的特点。由于DS92LV18芯片的功耗比较大，需要提供比较大的电流。选用的TPS70445PWP芯片能够提供2A的电流，可以满足设计的需要。在设计中，将数字电源与模拟电源隔离，将数字地与模拟地进行隔离，防止相互之间的干扰。光发送板的TPS70445PWP供电电路设计如图4所示。

3.6 光收发电路

RTXM182-626是一款1.25Gb/s的双向SFP收发器，供电电压为3.3V，插拔式封装，并且具有自诊断功能，使用起来非常方便。

RTXM182-626芯片的Tx_Fault引脚用于发送错误自诊断指示。当芯片发送数据发生错误时，此引脚电平被拉高。设计时，光发送板的此引脚接上一个LED灯，灯亮用于指示芯片发送错误。LOS管脚用于接收丢失诊断，如果接收模块丢失数据，则此管脚电平拉高。LOS管脚用于光接收板，将其接上LED灯，灯亮指示接收错误。Tx_Disable引脚高电平用于屏蔽发送功能，因此发送板将此管脚接地，接收板将其拉高。RD+与RD-管脚为差分信号接收口，光接收板的SFP模块将光信号转换为电信号后，从此管脚发出。RD+与RD-管脚之间用100欧的电阻耦合起来。TD+与TD-管脚为差分信号输出口，光发送板的SFP模块将电信号转换为光信号后，从此管脚发出。TD+与TD-管脚之间用100欧的电阻耦合起来，由于模块内已将其耦合，因此在主板上不用再耦合。光发送板的SFP收发器电路如图5所示。

图5 光发送板SFP收发器电路

4 结束语

本文根据数据传输中光纤通讯的发展趋势，考虑了数据的传输速率，以及数字视频传输的稳定性，设计了一种基于FPGA的数字视频光纤传输系统。系统由光发送板与光接收板组成，使用FPGA控制数据传输的时序，DS92LV18串行编码器进行串行数据与并行数据之间的转换，RTXM182-626光收发器通过光纤进行光信号的发送以及接收。本文设计的光纤传输系统减少了通信线路的冗余，工作性能稳定，抗干扰力强，适用于远程传输。

参考文献

[1]漆燕,王桂琼.1.25G光纤收发器SFP设计与仿真[J].河南:电光与控制,2007,14(3):158-160.

[2]马向玲,杨辉,王海玲,吴亚男.基于FPGA的多路数据光纤传输系统设计与实现[J].北京:计算机测量与控制,2011.19(2):363-366.

[3]童鹏,胡以华.DS92LV18在光纤数据传输设计中若干问题的研究[J].广东:集成电路应用,2007:59-62.