由于數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比在很多方面都具有明顯的優(yōu)勢，所以正如數(shù)字技術(shù)在許多領(lǐng)域取代了模擬技術(shù)一樣，光端機的數(shù)字化也是一種必然趨勢。目前，數(shù)字視頻光端機主要有兩種技術(shù)方式：一種是MPEG II圖象壓縮數(shù)字光端機，另一種是全數(shù)字非壓縮視頻光端機。圖象壓縮數(shù)字光端機一般采用MPEG II圖象壓縮技術(shù)，它能將活動圖象壓縮成N×2Mbps的數(shù)據(jù)流通過標(biāo)準(zhǔn)電信通信接口傳輸或者直接通過光纖傳輸。由于采用了圖象壓縮技術(shù)，它能大大降低信號傳輸帶寬。

　　全數(shù)字非壓縮視頻光端機采用全數(shù)字無壓縮技術(shù)，因此能支持任何高分辨率運動、靜止圖像無失真?zhèn)鬏?；克服了常?guī)的模擬調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅光端機多路信號同時傳輸時交調(diào)干擾嚴(yán)重、容易受環(huán)境干擾影響、傳輸質(zhì)量低劣、長期工作穩(wěn)定性不高等缺點。并且支持音頻雙向、數(shù)據(jù)雙向、開關(guān)量雙向、以太網(wǎng)、電話等信號的并行傳輸，現(xiàn)場接線方便，即插即用。

　　系統(tǒng)框架與工作原理

　　整個系統(tǒng)由控制模塊FPGA、音頻采樣編解碼模塊、視頻分離模塊、視頻放大模塊、視頻A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、并串/串并轉(zhuǎn)換模塊、光纖調(diào)制收發(fā)模塊、電源控制模塊和485數(shù)據(jù)傳輸模塊。圖1是該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　系統(tǒng)的工作原理為：光端機系統(tǒng)分為兩部分，分別為：發(fā)射機和接收機。在發(fā)射端，來自監(jiān)視器或其他視頻源的視頻信號首先經(jīng)過發(fā)射板上的視頻濾波網(wǎng)絡(luò)去除噪聲干擾信號，然后對該視頻信號進行視頻分離和視頻放大。視頻分離模塊得到視頻信號的行、場同步信號以及奇偶場信號、視頻鉗位等重要的視頻信息。接下來，對放大后的視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字化的視頻信號送入系統(tǒng)主控FPGA中。與此同時，如果系統(tǒng)檢測到了有音頻信號的存在，則對其進行音頻濾波、音頻數(shù)字化采樣以及音頻PCM編碼。經(jīng)過PCM編碼后的音頻信號，送入系統(tǒng)主控FPGA中。反向數(shù)據(jù)傳輸主要是485信號，該信號也送入到FPGA.這樣，系統(tǒng)主控FPGA對來自不同模塊的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信號整合，時分復(fù)用地將各個信號編碼成8位并行信號流送入到并串轉(zhuǎn)換模塊。信號流經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后變成高速的LVDS信號驅(qū)動光纖收發(fā)模塊以波分復(fù)用的方式完成了電/光變化和光發(fā)射。在光端機的接收端，經(jīng)過以上的逆過程，完成對原始信號的恢復(fù)。

　　系統(tǒng)硬件組成

　　1 FPGA控制器

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA.因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。

　　系統(tǒng)的控制部分是整個系統(tǒng)的心臟，為了滿足對高速、多路數(shù)據(jù)流的實時處理，要求系統(tǒng)控制器必須有較高的工作頻率和反應(yīng)能力。其次，對于系統(tǒng)時分復(fù)用部分，為了信號的同步化，需要系統(tǒng)控制器內(nèi)嵌RAM和FIFO等功能塊。此外，同時作為嵌入式系統(tǒng)，處理器必須有著低功耗的要求。目前，F(xiàn)PGA處理器已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。按照低成本、低功耗、小體積、多功能及較為強大的數(shù)據(jù)處理能力，Altera公司CycloneII系列的EP1C3144是一個非常好的選擇。

圖2 視頻分離硬件電路

　　2 視頻分離模塊

　　視頻信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等，因此，若要對視頻信號進行采集，就必須準(zhǔn)確地把握各種信號間的邏輯關(guān)系。LM1881就是針對視頻信號的同步分離而生產(chǎn)的，它為視頻信號的處理提供了極大的方便。此處電路設(shè)計如圖2所示。

　　LM1881可以從0.5~2V的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性NTSC制、PAL制、SECAM制視頻信號中提取復(fù)合同步場同步、奇偶場識別等信號，這些信號都是圖像數(shù)字采集所需要的同步信號，有了它們，便可確定采集點在哪一場，哪一行。LM1881也能對非標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號進行同步分離，通過固定的時間延遲產(chǎn)生默認(rèn)的輸出作為場同步輸出。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換硬件電路

　　3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊

　　隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

　　將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC,Analog to Digital Converter）；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC,Digital to Analog Converter）；A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。

　　此處的A/D轉(zhuǎn)換電路主要用來對視頻濾波，放大后的視頻信號進行數(shù)字化變換。電視圖像信號的帶寬理論計算值為7.37MHz,實際取5.5275MHz.由香農(nóng)定理知，ADC的采樣頻率應(yīng)該大于2倍的圖像頻率，所以ADC采用ADI公司的AD9280,工作頻率為32MHz.該ADC具有良好的差分非線性度、模擬輸入超出轉(zhuǎn)換量程提示、內(nèi)建自流電平回復(fù)和可調(diào)片內(nèi)電壓基準(zhǔn)源等優(yōu)勢。

　　此處A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖3所示。

　　接收端A/D轉(zhuǎn)換電路主要完成對數(shù)字化后的視頻信號的模擬變換，還原出標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號。此處選用的DAC為ADI公司的高速AD9708.

　　AD9708采用+3V或+5V單電源供電，兩路電流輸出，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)125MHz,建立時間不大于35ns,轉(zhuǎn)換為1/4 LSB.在+5V電源供電的情況下，其功耗為175mW;在+3V電源供電的情況下，其功耗為45mW.

　　為了特殊的需要，AD9708還兼容8位、10位和12位并行數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)AD9708被設(shè)置成8位數(shù)據(jù)輸入時，只要把管腳1設(shè)為輸入有效數(shù)據(jù)位（MSB），管腳8設(shè)為輸入有效數(shù)據(jù)位（LSB）即可。引腳1（DB13）：輸入有效數(shù)據(jù)位；引腳2~13（DB12~DB1）：數(shù)據(jù)輸入端；引腳14（DB0）：輸入有效。

　　4 并串/串并模塊

　　低壓差分信號是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定義的用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺咏涌跇?biāo)準(zhǔn)（LVDS）。它具有超高速（速率可達(dá)1.4Gb/s）、超低功耗和低電磁輻射等特性，因而是在銅介質(zhì)上實現(xiàn)千兆位速率通信的優(yōu)選方案。而總線形低壓差分信號LVDS是LVDS技術(shù)在多點通信領(lǐng)域的擴展，它要求有更大的驅(qū)動電流（10mA）和更好的阻抗匹配設(shè)計。

　　SN65LV1023和SN65LV1224是TI公司推出的10位總線型低壓差分信號的應(yīng)用芯片組。其中SN65LV1023是可將10位并行CMOS或TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有內(nèi)嵌時鐘的高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)流的串化器；而SN65LV1224則是接收該差分?jǐn)?shù)據(jù)流并將它們轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的解串器，它同時又可以重建并行時鐘。采用該器件組進行數(shù)據(jù)串化時采用的是內(nèi)嵌時鐘，這樣可有效地解決由于時鐘與數(shù)據(jù)的不嚴(yán)格同步而制約高速傳輸?shù)钠款i問題。此處的硬件電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 并串轉(zhuǎn)化硬件示意圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要是對系統(tǒng)控制的FPGA的編程。整個程序基于模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件開發(fā)思想編寫。所用的開發(fā)工具是Altera公司出品的FPGA集成開發(fā)環(huán)境QuartusII,開發(fā)語言采用當(dāng)今比較流行的大規(guī)模集成電路Verilog開發(fā)語言。

　　系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)了A/D控制模塊、語音編碼控制模塊、并串轉(zhuǎn)換控制模塊、串并轉(zhuǎn)換控制模塊、D/A控制模塊、語音解碼控制模塊和反向數(shù)據(jù)的收發(fā)控制模塊。

　　1 A/D控制模塊

　　A/D控制模塊以FPGA為主控，為AD9280提供采樣時鐘；同時采集AD9280A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

　　FPGA系統(tǒng)時鐘頻率為32MHz,對于AD9280的采樣時鐘為16MHz,對系統(tǒng)時鐘進行二分頻后提供給AD9280.同時，在分頻后的輸出時鐘的上升沿對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行讀取，讀取的結(jié)果存入FPGA中進行下一步應(yīng)用。程序如下所示。

　　module AdControl（clk_in,reset,ad_data,clk_out,data_reg）；

　　input clk_in,reset;

　　input [0:7]ad_data;

　　output clk_out;

　　output [0:7]data_reg;

　　reg [0:7]data_reg;

　　reg clk_out;

　　always@（posedgeclk_in）

　　begin

　　if（reset）

　　clk_out<=0;

　　else

　　clk_out<="clk_out;

　　end

　　always@（posedgeclk_out）

　　begin

　　data_reg<=ad_data;

　　end

　　endmodule

　　其中，clk_in為FPGA系統(tǒng)輸入時鐘；clk_out為分頻后提供給ADC的采樣時鐘；reset為復(fù)位端，高電平復(fù)位；ad_data是A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量；data_reg

　　用來存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。

　　2 語音編碼控制模塊

　　語音編碼控制模塊主要完成對PCM編碼芯片提供數(shù)據(jù)編碼時鐘、數(shù)據(jù)使能控制以及編碼后的數(shù)據(jù)接收。

　　此處程序如下所示。

　　module PcmControl（clk_in,reset,tdd,tdc,tde,pcm_data）；

　　……

　　always@（posedgeclk_in）

　　begin

　　if（reset）

　　begintdc<=0; end

　　elsebegin

　　if（cnt0==7）

　　begin

　　tdc<="tdc;

　　cnt0<=0;

　　end

　　else

　　cnt0<=cnt0+1;

　　end

　　end

　　always@（posedgetdc）

　　begin

　　if（cnt1==140）

　　begin

　　tde<="tde;

　　cnt1<=0;

　　end

　　else

　　cnt1<=cnt1+1;

　　end

　　always@（posedgetdc）

　　begin

　　pcm_data<=tdd;

　　end

　　endmodule

　　其中，clk_in是FPGA系統(tǒng)時鐘，reset為系統(tǒng)復(fù)位信號。信號tdd是PCM編碼芯片的輸出；信號pcm_data用來存放PCM編碼數(shù)據(jù)；信號tdc是PCM編碼時鐘信號；信號tde是PCM編碼使能時鐘。

　　3 并串轉(zhuǎn)換控制模塊

　　系統(tǒng)主控FPGA對數(shù)字化的視頻、語音信號進行時分復(fù)用后，將視頻語音混合信號送給并串轉(zhuǎn)換器。并串轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn)對并串轉(zhuǎn)換器的時序控制，使能控制和數(shù)據(jù)輸入控制。此處的部分程序如下所示。

　　moduleSnControl （clk_in,fpga_data,sn_clk,sn_data,sncontrol）；

　　input clk_in;

　　input [0:9]fpga_data;

　　output [0:9]sn_data;

　　output sn_clk,sncontrol;

　　reg sn_clk,sncontrol;

　　reg [0:9]sn_data;

　　always@（posedgeclk_in）

　　begin

　　sn_clk<="sn_clk;

　　end

　　always

　　begin

　　sncontrol<=1;

　　end

　　always@（posedgesn_clk）

　　begin

　　sn_data<=fpga_data;

　　end

　　endmodule

　　其中，clk_in是FPGA系統(tǒng)時鐘，信號sn_clk是并串轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時鐘；信號fpga_data是FPGA對視頻、語音時分復(fù)用編碼后的數(shù)據(jù)；信號sn_data是并串轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)；信號sncontrol是并串轉(zhuǎn)換器的編碼使能時鐘。

　　4 D/A控制模塊

　　D/A控制模塊主要用來控制AD9708,對來自串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA首先進行時分解復(fù)用，然后將視頻信號部分發(fā)送給AD9708,同時配合DAC的轉(zhuǎn)換時鐘，該時鐘信號是通過并串轉(zhuǎn)換器恢復(fù)出來的發(fā)射端系統(tǒng)的發(fā)射時鐘。

　　結(jié)語

　　此套數(shù)字式光端機系統(tǒng)，實現(xiàn)了各個監(jiān)控點和總監(jiān)控室的信號遠(yuǎn)程傳輸。各監(jiān)控點的攝像頭傳回視頻信號，總監(jiān)控室通過485數(shù)據(jù)接口線對各個攝像頭進行遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程兩端之間還可以進行話音通信。具有一定的使用價值和工程意義。