多路數字視頻光纖傳輸系統的設計,軟硬體架構

2020-12-05 電子產品世界

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/348711.htm

項目背景及可行性分析

  1. 項目名稱、項目的主要內容及目前的進展情況

（1）項目名稱：基於XC2VP30的多路數字視頻光纖傳輸系統的設計

（2）項目的主要內容：項目的內容是設計了一種多路數字視頻光纖傳輸系統，典型的設計是8路數字視頻的光纖傳輸，技術上主要的利用數據壓縮和時分復用技術實現多路數字視頻的實時傳輸，設計的內容主要包括A/D和D/A、並串/串並、視頻壓縮/解壓縮、信道編碼/解碼以及電光/光電五個部分，其中並串轉換、視頻壓縮解壓縮、信道編碼採用XC2VP30 FPGA晶片實現。項目在圖像遠傳領域有很好的應用價值。

（3）目前的進展情況：方案論證已經完成，軟體設計即將完成。

  1. 項目關鍵技術及創新點的論述

（1）關鍵技術：本設計的關鍵部分在於採用FPGA技術實現視頻壓縮設計和線路碼編解碼設計。壓縮設計採用LZW算法實現，信道編碼利用XC2VP30的高速串行收發模塊將並行信號變為一路高速串行信號。LZW算法是一種無損壓縮算法，具有實時性、壓縮效率高的特點，可對不同的數據流進行自適應壓縮。信道編碼及冰川轉換利用MGT實現，千兆位高速串行收發器（MGT）是嵌入在XC2VP30內的模塊，是可編程的全雙工高速串行收發器模塊，速率最高可達3.125Gb/s.用FPGA技術實現以上設計，除了滿足了新的帶寬需求和降低系統成本之外，還可極大的簡化系統設計，提高系統的可擴展性、可升級能力。

（2）創新點：利用FPGA技術實現光纖傳輸系統的主要功能，不同於專用IC的創新點是

①充分利用了XC2VP30的技術特點，在實現高速的信息處理時，使系統的硬體設計最簡單化。

②相對於市場上的大部分利用ASIC實現的光端機來講，具有價格上的優勢。

③本系統採用了一種無損壓縮技術，在不損失傳輸質量的條件下提高系統傳輸的容量。

④系統可以不斷在線升級，產品不斷優化。

  1. 技術成熟性和可靠性論述：

多路數字視頻光纖傳輸系統設計的關鍵技術是視頻數據壓縮解壓縮和線路碼編解碼。本設計採用的LZW壓縮算法是一種無損壓縮算法，該算法具有實時性，壓縮率高等特點，用FPGA實現數據的實時無損壓縮能夠將告訴信號變成緩變信號進行傳輸，降低通信的信道容量，提高數據的可靠性。MGT模塊是嵌入在XC2VP30裡的高速串行收發器，利用該模塊來進行信道編解碼設計可以簡化設計，降低成本，提高系統的可靠性。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

系統工作原理：在發送端將攝像頭輸出的信號經過調整後送入A/D，轉換後的數位訊號送入並串模塊進行一次復用，復用後的信號送入視頻壓縮模塊進行數據壓縮，然後對壓縮後的數據進行信道編碼，產生一路高速串行信號，最後進行電光轉換將電信號轉換為光信號送入光纖。在接收端進行相應的光電、解碼、解壓縮、串並和D/A變換後得到模擬視頻信號。

LZW壓縮算法原理：首先將FPGA初始化，當FPGA準備就緒後，在第一個時鐘脈衝上升沿到來時，向FIFO發出第一個讀信號，則FIFO輸出第一個字節待壓縮的數據到字符串表模塊，經數據比較單元後，判斷接收到的數據是否在字符串表中，如果在，則把這個數據左移8位放在移位寄存器作為數據前綴，同時讀入下一個字節的數據，FPGA將移位寄存器中的前綴與這個字節的數據相加後組成新的字符串，再判斷這個新的字符串是否在字符串表中，如果不在，則將此新字符串添加到字符串表中，同時字符串表指針加1，然後將新字符串的前綴輸出；如果在，則將字符串表中索引號作為前綴，繼續接受下一字節，如此循環。2.需要的開發平臺

1）實現本方案所需要的基本功能、功能、接口

所需FPGA：時鐘速率至少300MHz，DCM，塊RAM，高速串行收發器。

所需埠：XSGA視頻埠，FX2埠

所需擴展子板：VDEC1

2）所需要的目標FPGA開發平臺，簡述為什麼需要此平臺

目標平臺為Virtex II Pro開發平臺，原因如下：本項目是利用FPGA實現多路數字視頻信號的傳輸，在XC2VP30裡實現視頻數據壓縮和高速並串轉化，系統實時性的特點，需要硬體處理的平臺具有較高的處理速度和豐富的邏輯資源，高速並串轉化需要FPGA晶片內嵌入MGT模塊，另外本設計還需要視頻埠和外部子板擴展接口，因此，選擇Virtex II Pro開發平臺作為本設計的硬體平臺。

3）是否需要其它配套的開發工具

是，需要視頻編解碼子板。

3.方案實施過程中需要開發的模塊

在本方案中需要研製、開發的功能主要模塊，以及開發的方式：

主要模塊包括：視頻數據壓縮解壓縮，MGT，並串/串並。

4.系統最終要達到的性能指標

論述本項目最終完成時所設想達到的目標：實現8路視頻的實時傳輸。

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說明、時間、方式

VDEC1實現的功能是視頻編碼，FX2，2007.10

2.測試設備

列出在方案實施過程中所需要的測試設備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

萬用表、示波器、攝像頭、監視器等。

3.方針、開發工具

列出在方案實施過程中所需要的仿真、開發工具等。

ISE8.2、Modelsim6.1、Synplify Pro8.1等。

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