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多路视频传输系统中同步复接问题的研究

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2007全国通信新理论与新技术学术大会——通信与信息系统 多路视频传输系统中同步复接问题的研究 吴小刚,李昕欣 (大连理工大学电子与信息工程学院,ft.宁大连116024) 摘要:通信系统中往往采用数字复接技术来扩大信息的传输容量并提高信道利用率。本文利用 CPLD器件完成了8路视频数字信号的复接过程。同时,控制时钟信号也由同一个CPLD器件来产 生,更好的解决了复接与分接中的同步问题。该设计的控制模块由VHDL语言完成,最后利用A1tera 公司的Quartus II 6.0工具完成了该设计的行为仿真及时序仿真。仿真结果验证了输入输出的 逻辑关系。 关键词:同步复接;光纤传输;数字通信;VHDL 中图分类号:TN91 3.7 文献标识码:A A Study on Question of Synchr0nizati0n Multiple Connections in Multiplex Video Transmission System WU Xiao Gang.LI Xin Xin (School of Electronic and Information Engineering,Dalian University ofTechnology,Dalian 1 1 6024,China wU Xiao Gang, g. ! !@12 :£Q塑) Abstract:The digital multiple connection technique is usually applied to expand the capacity of the information transmission nad raise hte efifciency of hte channel in communication system.In this paper, 8 channels video digital multiple connections were accomplished by CPLD device.At the same time, the control timing signals were produced in the same chip in order to solve problem of synchronization suitably.The design’S module of control was compiled by VHDL language;at last,its behaves and timing simulation were accomplished by Quarots II 6.0 launched by Altera.The 1ogic relationship of input nad output was validated by simulation result. Keywords:Synchronization multiple connection;fiber transmission;digital conmmunication;VHDL 1 引言 随着通信技术、计算机网络技术的飞速发展,由于视频监控系统具有形象直观、确切无误、实时高效 等一系列优点,工矿企业、市内交通,高速公路以及城市安防等方面的监视与管理系统己经被越来越多的 人所接受并已开始投入使用,尤其是在环境条件比较恶劣(例如应用场合中电磁干扰强、有辐射或腐蚀等) 的情况下,对视频传输的需求显的更加重要,加之有些场合要求较强的保密性或较长的传输距离,光纤以 其自身独特的优势成为了传输介质的首选,光纤传输技术也因此得到了迅猛的发展。 本文的背景环境是在数字视频光纤传输系统中,需要对传输的八路视频信号分别通过8位A/D转换进 行数字化,再将每路输出的8位数字量时分复用为2位,这样经复用后的八路视频信号可用l6位高速数 字量来表示,再通过专用芯片TLKI 52 l对其编码后以串行方式输出给电/光转换器,使信号耦合到单根光 纤上进行传输;接收时是发射的逆过程,先通过光/电转换器将接收到的光信号转换成电信号送给TLK1521, 该芯片把收到的串行信号转换为并行信号,并对其解码,然后通过CPLD器件对其解复用,从l6位高速 并行的数字量里还原出八路较低速的数字视频信号,每路再经过8位的D/A转换成模拟信号进行输出。由 此可以看出,整个系统是个二次复接的过程。本文主要给出了实现复接过程的具体解决方案,这也是多路 32 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007全国通信新理论与新技术学术大会——通信与信息系统 复用系统中的一个关键环节。 2 多路视频传输的系统结构 在时分通信系统中,为了扩大传输容量,必须提高传输速率。也就是说,想办法把具有较低速率的数 据码流变换成高速码流。为此,选取数据选择器来进行码速率转换;而在接收端,需要把一路复合数字信 号分离成各个支路信号,则可选取2:8分路器进行实现。系统结构框图如下图1和图2所示。 图1 多路数字视频光纤传输系统发射端框图 图2 多路数字视频光纤传输系统接收端框图 在发送过 中,数据选择器可以用将多个74LS153芯片的功能嵌入到一片CPLD器件中来完成。在接 收端,2:8分路器主要是完成移位锁存的功能,它将接收到的高速数据进行移位,在适当的时刻,用同步 时钟和分路时钟对其进行读取,再通过D/A转换对视频信号进行还原。 数据发送器和数据接收器使用的是美国TI公司的TLK1521芯片,它可提供从0.5G到1.3Gbps的工作 速率,在速率为1_3Gbps时的典型功耗为288mW功耗,并提供l8位数据的并/串和串/并转换功能,是用 于高速、双向、点对点信息传输的理想器件。本系统中,使用其16位来传输高速数据信号,其余2位传 输选择时钟信号,这样做的优点是2位时钟信号既可以用做接收时的同步依据,也可以直接用于接收端 D/A转换器的控制时钟。 3 电路设计、仿真及结果分析 为了便于分析设计过程,首先,只选取其中第一路视频信号进行复接。 维普资讯 http://www.cqvip.com

2007全国通信新理论与新技术学术大会——通信与信息系统 般来说,视频信号的带宽为6MHz,由Nyquist采样定理可知,选取12MHz采样时钟对视频信号进 行采样。因为选取8位的A/D转换器,则每秒钟输出为96Mbit,为了复用,现要将其转换成2位的高速 一信号,则系统时钟应采用48MHz。74LS153是双4选1的数据选择器,它是用两个地址输入线(假设用 S1,S0来表示)来控制对数据进行选择输出的,因此,S0,S1由00经01,10,11后再到00时所用的时 间周期应正好等于A/D的采样周期,并且与系统时钟应满足如下图3所示的对应关系: sys clk S0 Sl clk ad 图3控制时钟时序 其中,clkad为视频信号的采样时钟。sysclk为由晶振clk所产生的48MHz系统时钟,以便更好的 和s1,s0保持同步。时钟产生电路由VHDL语言很容易编写,现只给出其功能仿真结果如图4所示。 —ji … l_.| 。 i e du 毫t¨ o 。_llt垃瓤 ≥一 - 叩 p ^_l2 .1D:ns. 350.1p  4-30.p 。 鲤 elk B 0 : 『_I_几:『_1 门 n 门 门 Il1 F-1 f.1 l门『]门 门:n 舟 门 『 t月 鳌 rssyts B—elk B 0 } {  I: l; -} i l l : | c : l, } l; t i if i { l 1  .f  ‘{ {} :it l i f ’ 明 蹩 S0 B 0 : 熊 S1 B 0  J镬 elk aa B 0 :广 !i i r■『1 i i ● j__] 。。■’_ ;J i : 嘲 : 图4控制时钟时序波形 在将一路8位的数据转换为2位的高速数据时采用数据选择器的方法,这种方法简单易行,并且一个 极好的优点是在不考虑硬件电路延迟的条件下,它是瞬时输出,没有延迟;假设将已经得到了A/D转换后 的8位数据分别用ad[O】,ad[1】,…,ad[7]来表示,利用Quartus II软件自带的74153模块生成双四选一项 目符号mux41,dO输出的是来自ad[0],ad[1],ad[2],ad[3l的信号,d1输出的是来自ad[4],ad[5],ad[6], —ad[7]的信号。 在接收端,主要是使用CPLD器件构造移位锁存器(即在系统框图中的2:8分路器)来实现对数据的 还原。这是整个复接过程中的核心环节,这里将对其设计思路进行详细叙述。 在设计2:8分路器时,为了分析的简单明了,先来看一下1:4的分路器的实现。在1:4的分路器中,对 于要还原的数据而言,这是一个串入、并出的移位锁存器,其示意图如下图5所示。 dO B1 B2 B3瓜Bp/x、BI B2入B3入B0 R clk R S0 厂]I × tl t2 厂一 UUUU l  II ) R Sl data × t3 t4 B3 B2 BI B0 图5 接收端各信号问的时序关系 其中d0为接收到的某一高速数据的低四位,在时间顺序上与发送端的相同,低位在前,高位在后。 34 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007全国通信新理论与新技术学术大会——通信与信息系统 clk为提取出来的48MHz的系统时钟,RSO,RS1为接收到的选择时钟,这里主要作为同步时钟来使 用。data为转换后的并行数据。由于发送时,S1,S0同时为0时,读入B0位,当S1,S0再次为0时, R———k为上升沿时,对data进行置数,并开始读取下~ 刚好一个采样周期,所以在s】,SO同时为0,且Rclk上升沿到来时进行移位,此时data值不发生变化。 个数据的B0位;而在S1,SO不同时为0,且有Rcl应当注意,之所以在t2时刻置数,而不是在tl时刻,是考虑到A/D转换器的延迟时间和转换后数据的稳 定性。当移位结束时,由data按由高位到低位的方式输出上~周期的串/并转换结果。该l:4分路器的VHDL ——语言描述为: library ieee:  use ieee.stdlogic1164.all:—一use ieee.std—logic—unsigned.all; entity receiver iS port  ( R clk,RS1,RSO:in stdlogic:———dO:in stdlogic; —data:out std logiC vector(3 downto 0) ): end receiver: architecture behave of receiver iS signal qout:stdlogicvector(3 downto 0); ——begin process(Rc lk) _begin if(R clk’event and R clk=’1’)then if(R SI=’0’and R SO=’0’)then data<=qout: qout<= 0000 : qout(3)<=d0: else qout<=dO&qout(3 downto 1): end if: end if: end proceSS; end behave: 由程序生成一个1:4分路器的项目符号,再在图形输入文件中调用两个该分路器,就很容易构造2:8 分路器了。为了验证一次复接的正确性,现将发送和接收部分综合起来构成电路如下图6所示。 图6 综合调试电路图 35 维普资讯 http://www.cqvip.com

2007全国通信新理论与新技术学术大会——通信与信息系统 其中引入c]k~ad,dO,dl的目的是为了在仿真中便于观察信号波形,电路仿真结果如下图7所示。 从仿真结果可以看出,视频数字信号得到了还原,d1,d2是一次复接后的串行信号。在将data数据送 入D/A转换器时,使用R s1作为控制时钟,不用再来构造时钟信号,这也是系统中采用R S1,R S0两 位作为同步时钟的优点所在。当然,如果还要传输语音或数字信号,则可使用一位作为同步位,或者在 CPLD芯片中采用构造帧的方法,那样节省的资源是有限的,但会使整个系统的设计复杂化。  .’ 几几几几几n几几几n n n几丌几几几n几n几n几几n n n n几几几几几n几n ; } ! ! l ;:; { 、 i { ; ; { f  t。 { 、  ;l { !i 、 c. __一 ! r.1 @ ___— ●_-— : ■ ■.1 广一1 【门n 『.1『.1 ;m『.1 _n 广1 l r一1 r.1 U ( )OOOQO ̄ X101D1l09)4]01 1Io0xl1印0911)(ooI)olo ̄ 0ql1 呻 o10o010Ⅺoi)il90l 1ooi;l《 图7综合调试仿真波形 TLKI521芯片具有快速同步功能,在视频数据传输之前,由该芯片发送由9个“1”和9个“0”组 成的同步字,目的是为了使接收方在特定的时间帧内锁定到串行器信号。当接收方检测到串行输入的跳变 边缘时,它试图锁定其内嵌时钟信息。同步完成后,在接收方TLK1521的LOCKS引脚进入低电平状态, 开始接收有效数据,所以,仿真过程中用数据选择器的输出作为输入信号是符合实际的。 以上主要针对一路视频信号的设计进行了分析,采用同样方法可以对其余的多路视频信号进行处理。 4 结论 数据复接在多业务通信中应用非常广泛,它能将多路相同或不同类型的数据流复接成一路高速数据 流,经光纤发送模块将数据流耦合到光纤介质,通过光纤信道进行传输,在收端,由光纤接收模块将光信 号转换成电信号,再分接出发端对应的数据流,以实现长距离的数据传输(传输距离的远近主要由光纤收 发模块的性能决定)。数据复接的方法多种多样,这里所采用的设计方法具有一定的通用性和实用性,此 外,该方法最大优点是简单、成本低、可靠性高。文章给出了具体同步复接的解决方案,并对其正确性进 行了验证。因为在设计数据复接过程中,逻辑性、时序性较强,所以选用CPLD器件来完成该软过程,比 直接用硬件电路可以更有效的进行时序调整与功能调试,从而改善整个系统的性能。 参考文献 【1】林如俭.光纤电视传输技术[M】.北京:电子工业出版社,2001. Lin R J.Fiber Television Transmission Technology【M】.BeiJing:Publishing House ofElectronics Industry,2001. 【2]段吉海,黄智伟.基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计【M].北京:电子工业出版社,2004. Duan J H,Huang Z W Modeling and Design of Digital Communication System Based on CPLD/FPGA【M】.BeiJing: Publishing House of Electronics Industry,2004. 【3】王毓银.数字电路逻辑设计(第二版)【M】 E京:高等教育出版社,2006. Wang Y Y Logic Design of Digital Circuit(2 Edition)【M】.BeiJing:Higher Education Prsse,2006. 【4】江思敏.VHDL数字电路及系统 ̄iJ-[M].北京:机械工业出版社,2006. Jiang S M.Digital Circuit ofVHDL and System Design【M】.BeiJing:China Machine Press,2006. [5】Texas Instruments lnc.TLKI521 500 Mbps to 1.3Gbps Transceiver Dat ̄heet【EB/OL],http://focus.ti.com/docs/prod/ folders/print/tlk I 52 1.htm1.2007・7一l 7 【6】Eilers,c‘Segrignoli,G Digital television transmission parameters—analysis and discussion【J1.Broadcasting,l 999, Volume 45,Page(s):365—385. 作者简介: 吴小刚,男,陕西省西安市人,犬连理工大学硕士研究生,研究方向:信息处理与光纤通信。 李听欣,女,辽宁省大连市人,大连理工大学自动化系学生。 36 

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