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高速視頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：針對1000幀/秒高速攝影傳輸系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出速率600MBps的長距離傳輸難題，提出了采用CIMT編碼方式的光纖數(shù)字化傳輸設(shè)計(jì)方案。整個系統(tǒng)主要包括數(shù)字信號的多路復(fù)用、解復(fù)用以及PCI數(shù)據(jù)傳輸卡三部分。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)原理及硬軟件實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩路高速視頻數(shù)字化依賴的15公里遠(yuǎn)距離傳輸和計(jì)算機(jī)實(shí)時顯示。高幀頻的視頻信號不同于普通視頻信號，如果采用模擬信號方式傳輸，它的模擬帶寬達(dá)到了幾十兆甚至一兩百兆，這樣很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。而光纖傳輸容量大、質(zhì)量高和不易受干擾等特點(diǎn)，在高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外針對普通視頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)已相當(dāng)多，而對非標(biāo)準(zhǔn)的高幀頻視頻信號光纖傳輸系統(tǒng)少有報(bào)道，特別是兩路或多路高幀頻視頻的單根光纖傳輸實(shí)現(xiàn)則未見報(bào)道。
在本文中需要實(shí)現(xiàn)兩路256×256像素每秒1000幀高速視頻信號遠(yuǎn)距離傳輸。對于高幀頻攝像機(jī)，由于它幀頻很高，通常采用多路并行的信號輸出方式降低數(shù)據(jù)率，最后通過復(fù)用合成為視頻信號。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，文中提出采用數(shù)字光纖的復(fù)用、解復(fù)用和計(jì)算機(jī)PCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路高幀頻視頻設(shè)備產(chǎn)生的15MBps×40路數(shù)字信號的傳輸與視頻信號的合成及計(jì)算機(jī)實(shí)時顯示。
1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)
高速視頻信號的光纖傳輸系統(tǒng)主要包括復(fù)用、光發(fā)射、光接收、解復(fù)用、控制電路和PCI傳輸接口等部分。圖1為系統(tǒng)光發(fā)射部分工作原理圖。
從高速視頻采集獲得的40路15MBps的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過XC9572內(nèi)的2：1復(fù)用，形成20路30MBps的二級復(fù)用數(shù)據(jù)提供給HDMP-1022，由其完成信道編碼、轉(zhuǎn)換成600MBps的PECL串行數(shù)據(jù)，驅(qū)動光發(fā)射模塊，完成數(shù)據(jù)的光纖發(fā)射。圖2為光接收部分原理圖。
解復(fù)用芯片HDMP-1024從光纖接收模塊接收到的600MBpsPECL數(shù)據(jù)中提取出20路的并行數(shù)據(jù)和30MHz的時鐘信號，再由XC9572完成二級解復(fù)用，同時也為FIFO及PLX9052組成的PCI傳輸卡提供時序信號，計(jì)算機(jī)通過PCI總線獲得實(shí)時高速視頻采集數(shù)據(jù)，并予以顯示和處理。
2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括光纖傳輸單元、PCI傳輸單元和控制單元三部分。
2．1 數(shù)字光纖傳輸單元設(shè)計(jì)
數(shù)字光纖傳輸單元主要完成串并行數(shù)據(jù)的復(fù)用與解復(fù)用功能。設(shè)計(jì)中采取數(shù)據(jù)通信中的CIMT(Conditional-Invert Master Transition)信道編碼方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。圖3顯示CIMT碼的格式。
CIMT碼有三種幀形式：數(shù)據(jù)幀、控制幀和填充幀。數(shù)據(jù)幀和控制幀的格式如圖3(a)所示，可以發(fā)送任意需要傳送的數(shù)據(jù)和控制信息，每一幀都以C-Field(Coding Field)開始，其后接著D-Field(Data Field)。其中D-Field組成的數(shù)據(jù)位可以是十六位或二十位，本系統(tǒng)采用二十位數(shù)據(jù)；控制位(C-Field)由四位數(shù)據(jù)碼組成，接收端可以此提取并鎖定數(shù)據(jù)的類型與狀態(tài)。填充幀是在發(fā)射端沒有數(shù)據(jù)信號時以及發(fā)射端和接收端建立連接時產(chǎn)生。在三種幀的主瞬變點(diǎn)處是接收端恢復(fù)時鐘信號的參考點(diǎn)。本系統(tǒng)中選用Aglient公司的HDMP-1022和HDMP-1024作為CIMT碼的復(fù)用與解復(fù)用主要芯片，HFCT-5208作為光發(fā)射和光接收器來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的光纖傳輸設(shè)計(jì)。
在光發(fā)射端設(shè)計(jì)中采用HDMP-1022的Double-Frame模式實(shí)現(xiàn)40路數(shù)據(jù)的傳輸，通過二級復(fù)用擴(kuò)展其并行數(shù)據(jù)的容量為40路。數(shù)據(jù)在同一時鐘控制下同時被復(fù)用成一路的高速信號，同時生成另一路按位取反的信號，最后通過其CIMT編碼器輸出推動光發(fā)射器。圖4為以Double-Frame方式復(fù)用發(fā)射的時序圖。其中CLOCK(15MHz)是單路數(shù)據(jù)采集時鐘，F(xiàn)LAG表示奇偶場，CAV和DAV表示數(shù)據(jù)幀和控制幀的控制位，C0~C39表示輸入的40路信號，D0~D19是CIMT碼的D-Field數(shù)據(jù)，STR-BOUT(30MHz)為芯片鎖相后的倍頻時鐘。
在光接收端部分光接收器將獲得的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚匐娦盘柌l(fā)送給HDMP-1024，由它解復(fù)用后提取參考時鐘信號STRBOUT(30MHz)、數(shù)據(jù)信號C0~C39，以及其他的狀態(tài)控制信號和數(shù)據(jù)時鐘RCLK(15MHz)。圖5為Double-Frame光接收端時序圖。
圖3
2．2 PCI傳輸單元設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)高速視頻信號的實(shí)時記錄，設(shè)計(jì)中利用了PCI總線技術(shù)，PCI控制芯片采用PLX9052，它與FIFO相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率120MBps數(shù)字量輸入。
PLX9052符合PCI2．1規(guī)范，支持低成本從屬適配器。內(nèi)部包括一個64字節(jié)的寫FIFO和一個32字節(jié)的讀FIFO，通過讀寫FIFOs，可實(shí)現(xiàn)高性能的突發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸；其局部總線與PCI總線的時鐘相互獨(dú)立，局部總線的時鐘頻率范圍為0~40MHz，PCI的時鐘頻率范圍為0~33MHz；可以通過串行EEPROM提供PCI總線和局部總線的部分重要配置信息。PLX9052支持突發(fā)式內(nèi)存映射傳輸和單周期的內(nèi)存或I／O映射傳輸，利用32字節(jié)的直接從設(shè)備讀FIFO和64字節(jié)的直接從設(shè)備寫FIFO，映射在PCI內(nèi)存和I／O空間中的地址由PCI基址寄存器設(shè)置。而且，局部映射寄存器允許將PCI地址空間轉(zhuǎn)換為局部地址空間。圖6是PLX9052與FIFO相互連接的電路圖，F(xiàn)IFO采用IDT公司的IDT72205。
2．3
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