基于CPLD的數字光端機的設計

摘要：遠程監控技術的應用隨著日益發展的現代安防技術而變得越來越廣泛。而由光纖作為傳輸介質的數字光端機，已經成為遠程監控應用中的首選。本文詳細介紹了數字光端機的架構與工作原理，完成基于CPLD的無壓縮2路視頻傳輸，2路音頻傳輸和一路反向數據傳輸的數字光端機的設計。實驗證明，系統工作性能穩定可靠，實時傳輸效果好，可廣泛應用于安防行業。

復雜可編程邏輯器件(CPLD)是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。它在現代數字通信系統中，其作用還是相當重要的。由于其編程靈活、設計開發周期短與先進的開發工具等特點使得對整個系統的設計調試周期大大縮短。而且對基帶信號和整個系統的控制也能處理的很好。Altera公司推出的MAX II系列芯片EPM240T100C5

是一款性價比很高的CPLD芯片。共有240個邏輯單元，192個等效宏單元，內置8192bit的Flash，80個I/O口，低功耗，能滿足大部分設計的需要。

數字光端機具有傳輸信號質量高，沒有模擬調頻、調相、調幅光端機多路信號同傳時交調干擾嚴重、容易受環境干擾影響、傳輸質量低劣、長期工作穩定性差的缺點。它是將多路模擬基帶的視頻、音頻、數據進行高分辨率數字化，形成高速數字流，然后將多路數字流進行復用，通過發射光端機進行發射，然后通過另一端的接收光端機進行接收，解復用，恢復成各路數字化信號，再通過數字模擬變換，恢復成模擬視頻、音頻、數據信號。本文實現了基于CPLD的無壓縮2路視頻傳輸，2路音頻傳輸和一路反向數據傳輸的數字光端機設計。

1 系統結構與工作原理

數字光端機的發射端工作原理：首先對視頻圖像信號(PAL/NTSC制式)和音頻信號進行采集，轉換為低速模擬信號。然后系統將2路無壓縮視頻信號和2路音頻信號進行高分辨率的數字化，形成高速數字流，然后將多路數字流通過CPLD器件，運用Verilog HDL語言和時分復用的思想，實現正向數據的一次復接。最后將復接后的并行數據通過串化器轉換為LVDS(低壓差分信號)，形成高速差分信號后，通過光電一體模塊進行發送。如果正常發送，則將通道信號燈點亮，否則，說明傳輸不正常。以及接收傳輸過來的數據信號，進行曼徹斯特解碼操作后，發送到相應的接收器件上，觀察結果。

數字光端機的接收端工作原理：首先進行數據的接收。然后按照時分復用的發送規則解復用，分別得到各自的數據。最后再經過數模轉換，電平轉換恢復成模擬視頻，音頻信號。發送到各自相應的器件上，觀察結果。如果能正常接收及轉換，則將相應通道信號燈點亮，否則，說明輸出不正常。以及將一路數據信號進行曼徹斯特編碼，并發送到光電一體模塊上進行發送。

2 系統模塊設計與實現

數字光端機包括以下幾個模塊：視頻模塊、音頻模塊、數據模塊、并串/串并轉換模塊、光電一體模塊等。

2.1 視頻模塊

數字光端機發射端視頻模塊實現的功能是將攝像頭采集到的低速模擬信號進行放大、濾波、鉗位、并模數轉換，為CPLD提供可用于一次復接的數字信號。數字光端機接收端

視頻模塊實現的功能是將CPLD二次解復用的數字信號進行數模轉換，轉換為模擬信號后再進行放大，發送到監控設備上。

模數轉換部分采用ANALOG DEVICES公司的A/D轉換芯片AD9280。它是一個單電源供電，8-bit，32MSPS采樣速率的單片集成電路。并是集采樣、保持、放大和電壓參考于一體的模數轉換器。內置鉗位功能，但由于SGM9123具有鉗位功能，則AD9280的Clamp引腳接地。由SGM9123輸入的模擬視頻信號所產生的8位并行數據，不經過編碼和壓縮等處理，直接送入CPLD芯片進行時分復用處理。

數模轉換部分采用ANALOG DEVICES公司的D/A轉換芯片AD9708。它的采樣速率高達125MSPS，是8位并行數據輸入，差分電流輸出，高輸出阻抗的數模轉換器。將經過D/A轉換后產生的差分電流，進行緩沖放大等操作后，即可送入監控設備查看結果。這里進行的放大等操作所使用的芯片還是SGM9123。詳細操作，請參照上述說明。視頻模塊總體設計，可參考圖3。

2.2 音頻模塊

音頻模塊使用的是運算放大器芯片MAX4477。它是具有寬頻帶，低噪聲，低失真，軌對軌輸出，和支持單電源供電(2.7～5 V)等特性的運算放大器。

模數轉換部分采用的是音頻A/D轉換芯片CS5340。它是一個5階多位Delta—Sigma調制器，3.3～5 V電壓供電，支持取樣頻率從32～192 kHz，是24位雙通道立體聲ADC。

數模轉換部分采用Cirrus Logic公司的音頻D/A轉換芯片CS4334。它是完整的立體聲DAC系統，包含插值，1-bit D/A轉換和輸出模擬濾波。它具有5 V單電源供電，片上數字去加重，24位轉換和支持所用主流音頻數據接口格式的特性。

放大模塊部分采用雙音頻運算放大器芯片LM833。它具有低噪聲，高速和寬頻帶等特性。它放大傳輸過來的模擬音頻信號，并輸送到相應的設備中，并觀察結果。

2.3 數據模塊

本設計的發射端和接收端都采用的是德州儀器(TI)公司推出的RS-485數據總線半雙工收發器件SN65HVD3082E。它具有5 V電源供電，符合TIA/EIA-485A標準，傳輸速率最高位200 Kbps，低靜態功耗，總線引腳ESD(靜電釋放)保護高達15 kV等特點。數據模塊的設計，其流程圖為圖4所示。

由于該路數據的最高傳輸速率僅為200 kb/s，而光纖本身是類似帶通的通道，不像雙絞線或低通信道，所以直接傳輸低速率的數據信號會造成很多誤碼，是不可取的，所以本設計采用了曼徹斯特編解碼技術。它是將時鐘和數據包含在數據流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸到對方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能，適合光纖傳輸。曼徹斯特編碼實現，可參考以下代碼：

其仿真結果為圖5所示。

2.4 并串/串并模塊

數字光端機發射端串化模塊實現的功能是，在經過視頻和音頻信號進行一次復用后，輸出10位并行數據。必須再經過串化操作，將10位并行數據通過高分辨率的數字化形成高速數字流，輸入到光電一體模塊進行電光轉換后，再通過光纖進行傳輸。數字光端機接收端解串模塊實現的功能是，首先對傳輸過來的高速差分信號，進行解串操作，即一次分接。之后，變成CPLD可識別的低速數字信號。然后再根據發射端時分復用的規則來解復用，即二次分接。之后，分離出視頻、音頻信號，并將其傳送到相應的監控設備上。

串化器能將輸入的10位并行數據轉換為具有內嵌時鐘的高速差分數據流，再通過光電一體模塊轉換為光信號并通過光纖發送到對端。解串器在與串化器同步后，能重建并行時鐘，并將并串轉換后的數據傳送給CPLD芯片進行處理。如果是處于隨機鎖定同步模式下，解串器還能工作在Open—Loop應用下和有能力支持帶電熱插拔。光端機接收端對數據分接部分的處理，可參考以下代碼：

2.5 光電一體模塊

本模塊主要實現的功能是，在發射端完成對信號的串化操作后，將高速數字差分信號轉換為光信號，并通過光纖發送到對端。而接收端是，接收來自光纖傳輸過來的信號，將其轉換為數字信號，以便進行解串操作等進一步處理。本設計采用的是1.25G/84 M 1X9 Transceiver，單模單纖雙向光電收發一體模塊。它可以通過單纖實現雙向傳輸，1.25G為視頻、音頻信號傳輸，84 M為反向數據傳輸。通過33 V/5 V供電，傳輸波長為1310/1550。

3 測試分析

本次設計，首先測試了各個模塊是否能正常工作。包含音視頻數據和反向數據是否能正常傳輸，發送是否穩定，發送頻率是否符合要求等方面。經測試分析后，視頻帶寬為

8 MHz;反向數據傳輸速率最高可達到200 kbps;傳輸距離最高可達20 km，1.25G/84 M的傳輸速率;滿足設計需求。最后顯示的結果如圖6所示，證明數據能正常發送且穩定，圖像清晰。

4 結束語

本次遠程監控系統的設計與研制，實現了各個監控點和總監控室的信號遠程傳輸。保證了信號實時傳輸、穩定顯示以及畫面聲音質量清晰等功能。還能將各個監控點采集到的視頻和音頻信號通過采集卡存儲下來。該設備簡單，成本低，便于維護且抗干擾能力強，因此本系統具有較好的實驗效果和市場應用價值。