视频信号数字化光纤传输实验装置的研制

摘要：介绍了以FPGA为主控芯片，以光歼为通讯媒介的视频信号数字通信实验装置的设计实现过程，并对电路各个模块的功能及实现加以说明。电路在altium designer中设计完成，采用分模块式的设计，思路灵活，结构清晰，易于实现。在QuartusⅡ环境下用VerilogHDL语言进行编程并对程序进行仿真。该装置已做成了实物样本，实验使用表明：可以实现视频信号的传输，达到设计提出的教学要求和实际效果。
关键词：FPGA；视频信号；光歼通信；VerilogHDL

光纤以其频带宽、容量大、衰减小等优点给通信领域带来的改革和创新，形成了一个新兴产业。数字通信对比传统的模拟通信有抗干扰能力强、适用范围广、保密性能强、易于集成、功能稳定等优点。数字光纤通信兼有两者的优点，必将成为通信领域的发展方向。
视频信号的光纤传输有实时、准确、清晰的优点。在实验领域，可以快速准确地传递实验图像，给实验者更可靠的信息。在监控方面，可以实时传递监控图像，即节约成本，又有高的传输质量。因此，视频信号的光纤传输的研究与实现，将方便人们的学习、工作和生活。
本文是针对普通工科类高校中，非通信与信息工程专业等学科，具有普及性实验教学科目所研制的创新实验教学仪器。该实验仪器的推出，有利于帮助高等学校基础性学科实验课程的提升，丰富与完善实验课内容，使学生了解现代技术的发展与相关知识的掌握。

1 系统的硬件结构
整套装置由两大部分组成：光接收器和光发射器。两者之间以光纤连接。光发射器与光接收嚣的工作原理相互关联，一个是另一个的逆过程；光发射器是将视频的电信号转变成光信号，光接收器是将光信号转变成视频的电信号。
光发射器由滤波放大、A／D转换、控制部分、并／串转换、电／光模块部分组成。
光接收器由光／电转换部分、串／并转换、控制部分、D／A转换、模拟信号放大部分组成。

2 系统电路设计
2．1 电源
整套装置仅以7．5 V直流电源供电，内部集成电路需用到5V、1.5V、3．3V的电源。5V电源由L7805三态稳压电源提供，3.3V和1.5V分别由ASM117-3.3和ASM117-1.5提供。
2. 2 FPGA主控部分
电路采用型号为EPIC3144C8的FPGA为主控芯片，由32 MHz的晶振提供工作时钟。芯片共有4个时钟输入端，选其一输入晶振时钟。由于FPGA各个模块都用到，所以各个模块都需要供电和接地。
FPGA内部有两个锁相环，可以进行分频和倍频，以得到不同的频率。发射器中FPGA提供模数转换芯片和并／串转换芯片的时钟并将模数转换器输出的八位数据编码成十位数据传送给并串转换芯片，即完成8B10B编码和数据传输。接收器中FPGA提供数模转换器工作时钟和串并转换器的参考时钟，并将串并转换器输出的十位数据解码，还原为八位数据传输给数模转换器。FPGA的功能由Verilog编程实现，程序采用AS(主动)配置方式下载到FPGA。
2．3 视频信号的处理及采集
视频信号经滤波、放大、同步分离，由模数转换集成芯片采集转换成数字信号。
2．3．1 滤波放大部分
在对视频信号进行采样时，当信号中含有大于二分之一的采样频率，如果采样频率不够高，就会产生混叠信号。混叠信号不能用数字滤波方法除去，需要用硬件滤波。A／D转换的采样频率需要高于视频信号最高频率的2～10倍，为了在模数转换阶段不出现更高频率，即不出现混叠干扰信号，滤波需在A／D转换之前进行。根据所需视频信号的带宽以及抗混叠滤波所需要的特性，设计一个7级的低通滤波器，截止频率为6 MHz，电路如图1所示。

放大电路采用美国模拟器件公司出品的集成AD8042来实现。AD8042是一款功耗低、电压反馈型的高速放大器。它具有单电源供电能力，其0．1BD增益平坦度为14 MHz，采用5 V电源时的差分增益和相位误差分别为0．04％和0．06％。工作于5 V电源时，它具有160 MHz的带宽。低失真和快速建立特性使得它可以用于缓冲单电源和高速数模转换电路，电路如图2所示。

图中AD8042采用5 V电源供电，采用一级放大。