一种实用光端机的设计与实现

基于FPGA的数字式光端机的研究与设计(图)者：大连理工大学陈文辉蒋国平马幼军日期：2008-1-8本文介绍了一种基于FPGA的视频、音频、反向数据的远程传输系统的研究与设计,该系统在实际中得到了应用，具有良好的稳定性、实用性和可靠性。

引言目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、海关、水利、银行等领域视频图像、音频、数据、以太网、电话等光端机开始普遍大量应用。

由于数字光端机具有传输信号质量高，没有模拟调频、调相、调幅光端机多路信号同传时交调干扰严重、容易受环境干扰影响、传输质量低劣、长期工作稳定性差的缺点，因此许多大型重点工程已普遍采用数字光端机。

系统框架与工作原理整个系统由核心控制模块FPGA、音频采样编解码模块、视频分离模块、视频放大模块、视频A/D和D/A转换模块、并串/串并转换模块、光纤调制收发模块、电源控制模块和485数据传输模块。

图1是该系统的系统框图。

图1 系统结构框图系统的工作原理为：光端机系统分为两部分，分别为：发射机和接收机。

在发射端，来自监视器或其他视频源的视频信号首先经过发射板上的视频滤波网络去除噪声干扰信号，然后对该视频信号进行视频分离和视频放大。

视频分离模块得到视频信号的行、场同步信号以及奇偶场信号、视频钳位等重要的视频信息。

接下来，对放大后的视频信号进行A/D转换，得到的数字化的视频信号送入系统主控核心FPGA中。

与此同时，如果系统检测到了有音频信号的存在，则对其进行音频滤波、音频数字化采样以及音频PCM编码。

经过PCM编码后的音频信号，送入系统主控核心FPGA中。

反向数据传输主要是485信号，该信号也送入到FPGA。

这样，系统主控核心FPGA对来自不同模块的视频、音频、数据等信号整合，时分复用地将各个信号编码成8位并行信号流送入到并串转换模块。

信号流经过并串转换后变成高速的LVDS信号驱动光纤收发模块以波分复用的方式完成了电/光变化和光发射。

第34卷第11期应用科技V o.l 34,l .112007年11月A pp lied Science and T echno l ogyN ov .2007文章编号:1009-671X (2007)11-0043-03基于CPLD 的数字光端机的设计与实现生安财,孟 克(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:随着现代安防技术的发展,大范围远程监控的应用越来越多,而远程监控中如何传输成为其主要问题.文中介绍了一种用于光纤传输的,基于CPLD (复杂可编程逻辑器件)的视频、音频等数据的远程传输设备的设计和实现.实验证明,该设计能够较好地完成远程传输任务,其监控图像清晰、数据准确,可以广泛应用于安防行业.关键词:CPLD;数字光端机;并串转换;串并转换中图分类号:TN 929.11 文献标识码:ADesign and realization of digital optical ter m i nal based on CPLDS HENG A n -ca,i M ENG K e(Co llege of Infor m ation and Comm un i cation Eng i neeri ng ,H arb i n Eng i nee ri ng Un i v ers it y ,H a rbin 150001,Ch i na)Abst ract :W ith t h e developm ent o f techno l o gy for pub lic security ,the large -sca le re m o te m on itor i n g techno logy isused w i d espreadly in m any fields ,but the data trans m ission o f l o ng -d istance is one of the m ain obstac les .The de -si g n and realization o f a re mo te v ideo /aud i o data trans m issi o n equ i p m ent usi n g fi b er optic trans m ission w ere intro -duced .A series of experi m ents prove that the m ethod can co m plete the long -distance trans m ission ver y w el.l The received pictures are observed clearl y and the received data are correc,t so it can be used in m any fields of public secur ity .K eywords :CPLD;d i g ital optical ter m ina;l seria lizer ;deserializer 收稿日期:2007-06-22.作者简介:生安财(1981-),男,硕士研究生,主要研究方向:光纤通信,电子技术,E-m ai:l s h engan ca@i 163.co m.复杂可编程逻辑器件(CPLD )是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于20世界70年代单片机的发明和使用[1].它能完成任何数字器件的功能,所以在现代数字通信系统中的应用相当广泛,尤其是对基带信号的处理和整个系统的控制中,CPLD 不但能大大缩减电路的体积,提高电路的稳定性,而且先进的开发工具使整个系统的设计、调试周期大大缩短.ALTERA 推出的MAX7000系列的EP M 7064是一款性价比很高的CPLD,内部包含了逻辑块阵列(LAB )和内部可编程连线资源(PI A ),采用84脚的PLCC 封装,最大I/O 数为68,采用3.3V 或5V 供电,可以满足大多数用户的使用.数字光端机将多路模拟基带的视频、音频、数据进行高分辨率数字化,形成高速数字流,然后将多路数字流进行时分复用.通过发射光端机进行发射,再通过另一端的接收光端机进行接收,解复用.恢复成各路数字化信号,再通过数模变换恢复成模拟信号.数字光端机传输信号质量高,克服了模拟调频、调相、调幅光端机多路信号同时传输的交调干扰严重、容易受环境影响、传输质量低劣、长期工作稳定性差的缺点.1 硬件构成数字光端机包括几个工作模块,分别是视频模块、语音模块、数据模块等,视频传输是单向的,从发送端传到接收端,音频、数据都是双向传输的.CPLD是系统的核心,接收各个模块送来的数据,然后时分复用到信道上,通过光纤传到对端,对端再将接收到的数据发送给各个相对应的模块.收发芯片TI65LV1023A /1224B 的主要作用是实现并串/串并转换、数据帧的同步.系统的逻辑框图如图1所示.图1 系统模块图视频模块采用了德州仪器(TI)的A /D 转换芯片TLC5510和D /A 转换芯片TL5632,这2款芯片都是T I 公司针对视频数字化推出的高性价比产品.TLC5510为8位A /D 转换器,最高采样率为20MH z ,在使用时只需将8位数字输出与CPLD 的I/O 相连即可.在PAL 制的电视信号中,模拟视频信号的频率为4.43MH z ,根据奈奎斯特采样定理,采样速率最低为8.86MH z ,但在实际中所采用的A /D 采样速率为最优的17.7MH z ,系统传输的是实时数字视频流,在发送端将A /D 采集来的数字流发送出去,没有压缩与编码,在接收端将收到的数字信号经过D /A 芯片TL5632转换为模拟视频信号送到监视器.TL5632是一种低功耗的3路输出的D /A 转换器,最高转换速率为60MH z ,在实际使用中只需要将从CPLD 解调出来的8位数字视频信号与TL5632的一个输出通道相连,同时把相应通道的时钟输入接到CPLD 的视频时钟输出端即可.最后在监视器上显示出来的信号完全可以满足视频监控的要求.语音模块采用的是德州仪器(TI)的音频A /D 芯片PC M 1402将模拟音频信号转换为数字信号,采样率为48kH z .在接收端采用TI 的D /A 转换芯片PC M 1502将数字信号转换为模拟音频信号,转换后的信号通过R J11头与交换机相连,让接收端电话机接入语音网络.在实际中,应充分考虑电话振铃带来的干扰,并且使系统不稳定的影响.数据模块采用国家半导体(NS)的L M 331芯片,采用5V 电压供电,最高转换速率为1M bps ,完全可以满足要求.LM 331结构简单,外围电路少,使用非常方便,并且可以实现F /V 和V /F 的双向转换.并串转换模块串并转换模块采用德州仪器的T I 65LV1023A 和T I 65LV1224B ,它是一款1B 10的高性价比串行器,采用3.3V 电源供电,最大时钟为66MH z .在工作中它采用的是10B 12的转换,10位有效数据为加2位时钟位为一帧,所以最高的串行传输速率为60@12=720M bps [2].串行数据采用的是低电压差分信号(LVDS )传输.低电压差分信号的电压摆幅小,所以转换速度更快,可以实现更高的速度,且不会增加串扰、E M I 和功耗,可以大大地提高信噪比[3].在接收端,并行器1224B 具有自动恢复时钟的能力,当接收端接收到传过来的串行数据后,首先锁定、恢复出系统时钟,然后将串行数据转换为10位并行数据输出.激光发射/接收模块采用武汉电信器件公司的RTXM 123B -3-35-SC 和RTXM 123B -3-53-SC.这是一款收发一体的激光发射模块,分别采用1310n m 发射、1550nm 接收和1550发射、1310nm 接收,电路接口采用LVPECL 电平,电源采用3.3V 电源供电,最高传输速率为622M bps .2 软件设计CPLD 功能是通过V eril o g HDL 编程来实现的.Verilog 是一种功能强大的硬件描述语言,被广泛应用在电子设计中[4].在本系统的实现中,采用了模块化设计.对不同的接口构建不同的module ,在主程序中再调用这些m odu le .主程序主要完成对光纤接口处收发芯片的控制.在本系统中,光纤接口处的高速收发芯片选用T I 公司的T I 65LV1023A /1224B ,它是用于高速串行收发芯片与CPLD 相连的控制信号和数据信号,如图2所示,其他一些对T I 65LV1023A /1224B 进行初始化设置的信号线并未标出.主程序中发送模块设置了一个主计数器对t_#44#应 用 科 技 第34卷clk 发射时钟进行计数,根据计数值控制t_en 发送使能信号,使TI65LV1023A /1224B 输出一定格式的串行数据(可参见TI65LV1023A /1224Bdatasheet).在接收端,TI65LV1023A /1224B 收到串行数据后,实现帧定位,串/并转换,产生r_cl k 接收时钟信号和r_dv 数据有效指示信号送入CPLD,主程序中的接收模块根据c l k 、r_dv 信号将接收到的数据解复用后,传给各个对应的模块.图2 CPLD 与串行器/解串器T I65LV 1023A /1224B 的接口3 实际应用中的设计要点在实际的设计中,有几点需要特别注意,因为它们影响到整个系统的稳定性,甚至关系到整个系统设计的成败.3.1 视频信号的同步为了使视频信号在传输过程中始终保持同步,需要在发送端对模拟的视频信号提取同步信号,用于控制视频信号的同步,这里采用LM 1881加74H C123来实现.提取出的同步信号加到CPLD 的I/O 口,作为一个缓冲器的清零端,如果A /D 后的信号不同步,则进行清零,丢掉这一帧数据.在实际的工作中,这一方法很有效,可以较好地解决视频信号的同步问题.3.2 串行信号的电平转换由于并串/串并转换芯片TI65LV1023A /1224B的串行数据采用的是低电压差分信号(LVDS ),而激光发射/接收模块的接口为LVPECL 信号电平,所以需要进行LVDS 到LVPECL 和LVPECL 到LVDS 的转换,但在实际试验中,只需要做前者,LVPECL 到LVDS 不需要转换,直接对接就可以.采用电阻分配网络的方法进行转换,如图3所示,可以简单有效地完成转换[5].图3 LV PECL 到LVD S 的电平转换3.3 电源设计整个系统用到正5V 和正3.3V 电源,这里采用78M 05芯片来稳压,将外界电源转换为正5V 电源,采用L M 1117芯片将正5V 电压转换为正3.3V 电压.对于芯片的数字电源引脚,应接一个磁珠与电源相连,可以有效地对电源进行滤波.激光发射/接受模块的电源输入需要接一个C-L-C 滤波电路,因为任何的电源波动都会影响到该模块的发送与接受.4 结束语此套远程监控系统实现了各个监控点和总监控室的信号远程传输.经过试验,各监控点的摄像头传回视频信号,总监控室通过数据接口线对各个摄像头进行远程控制,远程两端之间还可以进行话音通信,能够较好地满足安防的要求.参考文献:[1]亿特科技.CPLD /FPGA 应用系统设计与产品开发[M ].北京:人民邮电出版社,2005.[2]T I Inc .10-MH z To 66-M H z ,10:1LV DS SER I A L IZERA nd DESER I AL IZER [Z ].A ustin :T I l nc ,2006.[3]NS Inc .D ata T rans m ission Comm un i cations Inte rfece D iv-ision[Z ].A tl anta :N S Inc ,2003.[4]夏宇闻.V eril ong 数字系统设计教程[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[5]NS Inc .C M L 、PECL 及LV DS 间的相互连接[Z ].A tlan -ta :NS Inc ,2001.[责任编辑:张晓京]#45#第11期生安财,等:基于CPLD 的数字光端机的设计与实现。

PRO CESS AUTOMATI ON I N STRU M ENTAT I ON Vol 132N o 11January 2011修改稿收到日期:2010-07-07。

第一作者姜鹏,男,1980年生,现为南京工业大学模式识别与智能系统专业在读硕士研究生;主要从事图像处理、嵌入式系统方面的研究。

应用CPLD 的数字光端机的设计与实现D esigni ng and R ealizi ng of the D igital Optical Term i nal by U si ng CPLD姜 鹏 何 毅(南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏南京 211800)摘 要:针对模拟光端机传输质量低、信号易受环境干扰而失真、系统性能不稳定和电路设计复杂等缺点,采用CPLD 对四路数字光端机进行设计。

考虑到四路采样频率在满足以上要求的同时,还要通过一路光纤传输四路采样数据的情况,提出了并串转换频率为采样频率四倍的策略,实现了分时复用光纤通道。

通过实验和时序仿真,验证了该系统的正确性和可行性。

该系统结构简单、成本低、性能稳定,是未来数字光端机行业发展的方向。

关键词:复杂可编程逻辑器件 A /D 变换 采集模块 R S -485信号 远程控制中图分类号:TP39 文献标志码:AAbstract :T o overco m e t he di sadvantages of ana l og opti cal ter m i na,l e .g .,poor quality of trans m issi on ,si gnal di st orti on caused byenv i ron m ental i nterference ,unstabl e syste m perfor mance ,and co mp li cate circuitry desi gn ,the quadruplet d i g i ta l opti cal ter m i nal has been desi gned by usi ng compl ex progra mmabl e l og i c device (CPLD ).Consi der i ng the sa m pli ng frequency s hall m eet above require m ents ,and quadruplet sa mp li ng data s hallbe trans m itt ed t hrough the same optical fi ber path ,thus i t i s proposed t ha tm aking t he para ll e l to ser i al conversi on frequency 4tm i es of t he sa mpli ng frequency to m i ple m ent tm i e shar i ng and reusi ng opti cal fi ber channe.l Through experm i ents and tm i i ng sm i u l ati on ,t he correctness and feasi bilit y o f t he syste m are verifi ed .The syste m also f eatures sm i pl e struct ure ,lo w cos,t and stable i nperfor mance ,defi nitel y itw ill be t he devel opi ng trend of di g it a l optica l ter m i na l s .K ey words :Compl ex progra mmabl e l ogic dev i ce(CPLD ) A /D conversion A cquisi ti on modul e R S -485signa l R e mote contro l0 引言模拟视频光端机具有传输质量低、信号易受环境干扰而失真、系统性能不稳定和电路设计复杂等缺点[1]。

基于CPLD的数字光端机的设计李海;王怡;邓智友【摘要】远程监控技术的应用随着日益发展的现代安防技术而变得越来越广泛. 而由光纤作为传输介质的数字光端机,已经成为远程监控应用中的首选. 本文详细介绍了数字光端机的架构与工作原理,完成基于CPLD的无压缩2路视频传输,2路音频传输和一路反向数据传输的数字光端机的设计. 实验证明,系统工作性能稳定可靠,实时传输效果好,可广泛应用于安防行业.%The application of remote monitoring technology with the increasingly development of modern security technology and become more and more widely. And by the optical fiber as transmission medium of digital optical transceiver, has become the first choice in the applications of remote monitoring. This paper introduces in detail the architecture and working principle of digital optical transceiver, complete based on CPLD (complex programmable logic device) two-way uncompressed video transmission, two-way audio transmission and one-way reverse data transmission design of digital optical transceiver. Experiments show that the system performance is stable and reliable, real-time transmission effect is good, can be widely used in security industry.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(023)020【总页数】4页(P53-55,59)【关键词】数字光端机;视频;音频;远程监控;安防技术;光纤【作者】李海;王怡;邓智友【作者单位】电子科技大学成都学院四川成都 611731;电子科技大学成都学院四川成都 611731;电子科技大学成都学院四川成都 611731【正文语种】中文【中图分类】TN911.74复杂可编程逻辑器件（CPLD）是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路[1]。

基于OTN光端机的光传送系统的设计与实现光传送系统是一种将光信号进行长距离传输的通信系统，其中光端机（OTN）是现代光传送系统中的重要组件。

本文将探讨基于OTN光端机的光传送系统的设计与实现。

首先，我们来介绍一下OTN光端机。

OTN光端机是一种基于光纤通信的设备，用于在光传送系统中实现光信号的调度、交换和保护等功能。

它通过对光信号进行格式转换、调度管理和纠错等操作，实现了高速光信号的稳定传输。

OTN光端机具有灵活性高、容错性好、传输速率高的特点，因此被广泛应用于光传送系统中。

在设计和实现基于OTN光端机的光传送系统时，首先需要确定系统的需求和目标。

例如，我们需要确定传输距离、传输速率、可靠性等指标，并确定网络拓扑结构和节点布置等参数。

这些参数将直接影响系统的设计和实现。

接下来，我们需要选择合适的OTN光端机设备。

在选择光端机设备时，我们需要考虑其传输速率、端口数量、传输距离等因素。

同时，我们还需要考虑光端机的兼容性和互通性，确保其可以与其他设备进行良好的配合。

在光传送系统的设计和实现过程中，需要考虑到光纤的布线和连接。

光纤的布线需要合理规划，避免出现过长或过短的光纤。

此外，光纤的连接需要保证连接质量，避免因连接不良导致传输质量下降。

在实际的光传送系统中，光信号的调度和交换是非常重要的。

OTN光端机通过其内部的交换机矩阵，实现了光信号的灵活调度和交换。

调度算法可以根据网络拓扑结构和流量情况进行调整，以实现最优的资源利用和网络性能。

除了调度和交换，光传送系统还需要具备一定的保护功能，以确保通信的可靠性。

光传送系统可以通过采用冗余路由、光纤保护等技术实现故障切换和恢复。

这些保护机制可以有效降低系统故障对通信的影响，提高系统的可用性。

最后，光传送系统的管理和监控也是非常重要的任务。

通过管理和监控系统，我们可以实时监测光传送系统的运行状态，包括光传输质量、节点负载、故障诊断等。

同时，管理和监控系统还可以对光传送系统进行配置和管理，提供远程实时的网络管理服务。

安徽理ｊＩ＝大学硕士论文图中Ⅺ＋和Ⅺ．接收光收发模块传来高速低压差分串行数据信号，ＲＯＵＴ０到ＲＯＵＴ９为转化后的低速并行的ＬＶｌ］凡电平的数据信号，该数据信号直接和ＦＰＧＡ核心处理芯片的引脚相连。

ＦＰＧＡ再对低速的数据信号进行分接，传输到相应的模块。

３、发射端光收发部分电路设计光的收发主要有两种方式，一种是在发射端采用单独的激光器，配合控制驱动芯片（如ＡＧＣ、ＡＰＣ）来完成光的发射，在接收端采用独立的ＰＩＮ组件，再配以相应的放大电路来完成光的接收。

这种方式因为发射功率大，适合远距离传输，成本也低。

但是由于其电路结构复杂，集成度低，调试困难，可靠性差。

另一种方式是采用集成光模块。

发射模块集成了ＬＤ及控制驱动芯片，接收模块集成了ＰＩＮ和后续的放大电路，输出信号一般符合ＰＥＣＬ电平。

此种方式优点电路结构简单，集成度高，调试方便，可靠性高。

另外，随着科学技术不断提高，集成的光模块的价格也开始变的合理。

基于上述两种方案，综合考虑该数字光端机采用集成光模块。

该模块选用武汉电信器件公司的ＲＴＸＭｌ２３．３．３５．ＳＣ光收发一体模块【１６】。

其收发独立工作，３．３Ｖ供电电压，最高传输数据速率为６２２Ｍｂｐｓ；采用标准的ｌＸ９封装；单纤双向传输，由于其内部集成了波分复用器，发射端光纤波长为１３１０ｎｍ，接收端光纤波长为１５５０ｎｍ；接口形式为ＳＣ接口：信号传输的电平为ＰＥＣＬ电平。

其传输距离为２０ｋｍ。

其内部功能框图如下：ＳＤｌＲＤＵｒｎｉｔｉｎｇＡｍｐｌｉｆｉｅｒｏＤ石ｃ翻●－＿＿－＿＿＿一一）Ｓｉｇｎａｌ。

ＰｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒＤｅｔｅｃｔｏｒＲＤＴＤＭＱＷＬａｓｅｒＯｕｔｐｕｔＬＤＤｒｉｖｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔ－—－－－－—啼ＴＤＴｌｌ·，、＾Ｉ。

Ｌ＿ＪＡＩｎＵｌ’１Ｉ图１４ＲＴＸＭｌ２３－３．３５．ＳＣ内部结构框图Ｆｉｇ１４ＲＴＸＭｌ２３·－３—·３５··ＳＣＩｎｔｅｒｎａｌＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍ●●●●３数字光端机的硬件实现（２）、ＬＶＤＳ接口输入电路ＬＶＤＳ输入差分阻抗为１００Ｑ，为适应共模电压宽范围内的变化，输入极还包含一个自动电平调整电路，将共模电压调整为一固定值，该电路后面是一个施密特触发器，主要是为防止不稳定，设计有一定的回滞特性，后级是差分放大电路，其输入结构见下图：Ｐ，１ｒＫ件Ｄｆ狮ａＰＴ眦ＩＥⅧ．ＳＣＨＬ＾ｌｎ？ｒＳ丑卫ｒ嗽ＩＰａＱＯＥＲｈ图１８ＬＶＤＳ接口输入电路Ｆｉｇ１８ＬＶＤＳｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｎｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔＬＶＤＳ的接收端需要有终端匹配电阻，没有终端匹配电阻，ＬＶＤＳ无法工作。

光端机解决方案第1篇光端机解决方案一、项目背景随着信息技术的飞速发展，光纤通信技术在各个领域得到了广泛应用。

光端机作为光纤通信系统中的关键设备，其性能的稳定性和可靠性对整个通信系统至关重要。

为了满足我国通信行业对高性能、高可靠光端机的需求，本方案将针对光端机的选型、部署和应用等方面提出一套合法合规的解决方案。

二、方案目标1. 确保光端机设备符合国家相关法规和标准，满足通信行业的性能要求。

2. 提高光端机设备的可靠性、稳定性和可维护性。

3. 降低光端机设备在运行过程中的故障率，保障通信系统的正常运行。

4. 提升用户在光端机设备使用过程中的体验。

三、方案内容1. 光端机选型（1）根据通信系统的需求，选择合适的光端机类型，如以太网光端机、数字光端机、模拟光端机等。

（2）考察光端机生产厂家的资质，包括企业规模、产品质量、售后服务等。

（3）确保选型的光端机符合以下标准：a. GB/T 24339-2009《光纤通信设备通用技术条件》；b. YD/T 5095-2016《数字光纤通信系统设备技术要求》；c. YD/T 5096-2016《模拟光纤通信系统设备技术要求》。

2. 光端机部署（1）根据通信系统的拓扑结构，合理规划光端机的部署位置。

（2）确保光端机设备在安装过程中符合以下要求：a. 光端机设备应安装在干燥、通风、散热良好的环境中；b. 光端机设备的电源线、信号线应分别布置，避免相互干扰；c. 光端机设备应远离强电磁场、高温、腐蚀性气体等环境。

3. 光端机应用（1）对光端机设备进行配置和调试，确保其正常运行。

（2）定期对光端机设备进行维护和保养，包括以下内容：a. 检查设备电源、光纤连接器、尾纤等部件是否正常；b. 清洁设备内部和外部，保持设备整洁；c. 对设备进行软件升级和硬件更换，提高设备性能。

4. 故障处理与应急响应（1）制定光端机设备故障处理流程，明确责任人和处理时限。

（2）建立光端机设备应急预案，包括以下内容：a. 故障报警及通知；b. 故障分析与定位；c. 故障处理与恢复；d. 应急资源调配。