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高速視頻信號的光纖傳輸系統設計
摘要：針對1000幀/秒高速攝影傳輸系統需要實(shí)現數據輸出速率600MBps的長(cháng)距離傳輸難題，提出了采用CIMT編碼方式的光纖數字化傳輸設計方案。整個(gè)系統主要包括數字信號的多路復用、解復用以及PCI數據傳輸卡三部分。詳細闡述了系統原理及硬軟件實(shí)現方法，設計實(shí)現了兩路高速視頻數字化依賴(lài)的15公里遠距離傳輸和計算機實(shí)時(shí)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，它的模擬帶寬達到了幾十兆甚至一兩百兆，這樣很難實(shí)現遠距離傳輸。而光纖傳輸容量大、質(zhì)量高和不易受干擾等特點(diǎn)，在高速數字傳輸系統中得到了廣泛應用。目前國內外針對普通視頻信號的光纖傳輸系統已相當多，而對非標準的高幀頻視頻信號光纖傳輸系統少有報道，特別是兩路或多路高幀頻視頻的單根光纖傳輸實(shí)現則未見(jiàn)報道。
在本文中需要實(shí)現兩路256×256像素每秒1000幀高速視頻信號遠距離傳輸。對于高幀頻攝像機，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據率，最后通過(guò)復用合成為視頻信號。為實(shí)現遠距離傳輸，文中提出采用數字光纖的復用、解復用和計算機PCI技術(shù)實(shí)現兩路高幀頻視頻設備產(chǎn)生的15MBps×40路數字信號的傳輸與視頻信號的合成及計算機實(shí)時(shí)顯示。
1 系統原理和結構
高速視頻信號的光纖傳輸系統主要包括復用、光發(fā)射、光接收、解復用、控制電路和PCI傳輸接口等部分。圖1為系統光發(fā)射部分工作原理圖。
從高速視頻采集獲得的40路15MBps的數據首先經(jīng)過(guò)XC9572內的2：1復用，形成20路30MBps的二級復用數據提供給HDMP-1022，由其完成信道編碼、轉換成600MBps的PECL串行數據，驅動(dòng)光發(fā)射模塊，完成數據的光纖發(fā)射。圖2為光接收部分原理圖。
解復用芯片HDMP-1024從光纖接收模塊接收到的600MBpsPECL數據中提取出20路的并行數據和30MHz的時(shí)鐘信號，再由XC9572完成二級解復用，同時(shí)也為FIFO及PLX9052組成的PCI傳輸卡提供時(shí)序信號，計算機通過(guò)PCI總線(xiàn)獲得實(shí)時(shí)高速視頻采集數據，并予以顯示和處理。
2 硬件設計
系統的硬件設計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 數字光纖傳輸單元設計
數字光纖傳輸單元主要完成串并行數據的復用與解復用功能。設計中采取數據通信中的CIMT(Conditional-Invert Master Transition)信道編碼方式對數據進(jìn)行編碼。圖3顯示CIMT碼的格式。
CIMT碼有三種幀形式：數據幀、控制幀和填充幀。數據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據和控制信息，每一幀都以C-Field(Coding Field)開(kāi)始，其后接著(zhù)D-Field(Data Field)。其中D-Field組成的數據位可以是十六位或二十位，本系統采用二十位數據；控制位(C-Field)由四位數據碼組成，接收端可以此提取并鎖定數據的類(lèi)型與狀態(tài)。填充幀是在發(fā)射端沒(méi)有數據信號時(shí)以及發(fā)射端和接收端建立連接時(shí)產(chǎn)生。在三種幀的主瞬變點(diǎn)處是接收端恢復時(shí)鐘信號的參考點(diǎn)。本系統中選用Aglient公司的HDMP-1022和HDMP-1024作為CIMT碼的復用與解復用主要芯片，HFCT-5208作為光發(fā)射和光接收器來(lái)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的光纖傳輸設計。
在光發(fā)射端設計中采用HDMP-1022的Double-Frame模式實(shí)現40路數據的傳輸，通過(guò)二級復用擴展其并行數據的容量為40路。數據在同一時(shí)鐘控制下同時(shí)被復用成一路的高速信號，同時(shí)生成另一路按位取反的信號，最后通過(guò)其CIMT編碼器輸出推動(dòng)光發(fā)射器。圖4為以Double-Frame方式復用發(fā)射的時(shí)序圖。其中CLOCK(15MHz)是單路數據采集時(shí)鐘，FLAG表示奇偶場(chǎng)，CAV和DAV表示數據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數據，STR-BOUT(30MHz)為芯片鎖相后的倍頻時(shí)鐘。
在光接收端部分光接收器將獲得的光信號轉變?yōu)楦咚匐娦盘柌l(fā)送給HDMP-1024，由它解復用后提取參考時(shí)鐘信號STRBOUT(30MHz)、數據信號C0~C39，以及其他的狀態(tài)控制信號和數據時(shí)鐘RCLK(15MHz)。圖5為Double-Frame光接收端時(shí)序圖。
圖3
2．2 PCI傳輸單元設計
為實(shí)現高速視頻信號的實(shí)時(shí)記錄，設計中利用了PCI總線(xiàn)技術(shù)，PCI控制芯片采用PLX9052，它與FIFO相結合可以實(shí)現最高數據傳輸速率120MBps數字量輸入。
PLX9052符合PCI2．1規范，支持低成本從屬適配器。內部包括一個(gè)64字節的寫(xiě)FIFO和一個(gè)32字節的讀FIFO，通過(guò)讀寫(xiě)FIFOs，可實(shí)現高性能的突發(fā)式數據傳輸；其局部總線(xiàn)與PCI總線(xiàn)的時(shí)鐘相互獨立，局部總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率范圍為0~40MHz，PCI的時(shí)鐘頻率范圍為0~33MHz；可以通過(guò)串行EEPROM提供PCI總線(xiàn)和局部總線(xiàn)的部分重要配置信息。PLX9052支持突發(fā)式內存映射傳輸和單周期的內存或I／O映射傳輸，利用32字節的直接從設備讀FIFO和64字節的直接從設備寫(xiě)FIFO，映射在PCI內存和I／O空間中的地址由PCI基址寄存器設置。而且，局部映射寄存器允許將PCI地址空間轉換為局部地址空間。圖6是PLX9052與FIFO相互連接的電路圖，FIFO采用IDT公司的IDT72205。
2．3
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