CN104010171A - 基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，包括水下光纤通信模块和甲板光纤通信模块，其中水下光纤通信模块包括均衡器，第一FPGA芯片和第一小型化可插拔光模块，均衡器与前端的高清视频采集设备相连，均衡器的输出端连接第一FPGA芯片的第一吉比特收发器，第一吉比特收发器串并转换后的数据在第一FPGA芯片内部进行处理后发送至第二吉比特收发器，第二吉比特收发器进行并串处理后输出至第一小型化可插拔光模块，通过与第一小型化可插拔光模块相连的铠装光缆发送至甲板光通信模块。本发明用于使用FPGA内部的GTP收发器对数据流进行一系列的处理，以减小PCB板尺寸，消除同步转换输出问题。

Description

基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置

技术领域

本发明属于视频图像传输设备领域，特别地涉及一种基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置。

背景技术

海洋蕴藏着巨大的能量和资源，对人类的生存和发展有着极其重要的意义，世界各国加大了对海洋资源的勘探和开发。海洋探测装备是获取海洋信息的重要手段。其中，水下视频监控系统发挥了重要作用。目前，国内的科考船大多配备的是模拟视频监控系统，而且视频质量处于标准清晰度。但是，复杂的海洋环境迫切需要清晰度更高、实时性更好、安全系数更高的视频监控系统，相应地对视频传输设备提出了更高的要求。为了满足此类需求，高清视频监控系统应运而生。目前，高清视频监控方案主要有基于IP的网络高清和基于HD-SDI的实时高清两种。HD-SDI高清视频监控系统具有传输无延时、实时性能好、安全性高等特点。

在现有解决方案中，如图1所示，为现有技术的水下高清视频光纤通信装置的部分电路结构框图，包括均衡器、解串器1、FPGA1、串化器1、SFP1、SFP2、解串器2、FPGA2、串化器2和驱动器。高清视频信号首先输入水下光纤通信模块的均衡器进行信号补偿，然后将均衡器输出的差分信号传递给解串器，FPGA将接收到的并行视频数据与其他数据(如串口数据)进行复接，复接后的并行数据传递给串化器，最后串化器输出的差分信号经SFP光模块转换为光信号，光信号通过光纤传输至甲板光纤通信模块。甲板光纤通信系统的执行过程恰好相反，但同样使用了分离的解串器和串化器对数据流进行串并转换。

现有解决方案下，通过并行接口将大量数据传入或传出FPGA时，遇到的第一个问题就是引脚数。当使用大量引脚时，电路板设计成本也会增加。其次，采用过多的并行总线时，不可避免的会带来同步转换输出问题。如果同一时间输出出现太多的翻转，触地反弹会产生大量噪声。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，用于使用FPGA内部的GTP收发器对数据流进行一系列的处理，以减小PCB板尺寸，消除同步转换输出问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，包括水下光纤通信模块和甲板光纤通信模块，所述水下光纤通信模块和甲板光纤通信模块通过铠装光缆连接，其中水下光纤通信模块包括均衡器，第一FPGA芯片和第一小型化可插拔光模块，所述均衡器与前端的高清视频采集设备相连，均衡器的输出端连接第一FPGA芯片的第一吉比特收发器，第一吉比特收发器串并转换后的数据在第一FPGA芯片内部进行处理后发送至第二吉比特收发器，第二吉比特收发器进行并串处理后输出至第一小型化可插拔光模块，通过与第一小型化可插拔光模块相连的铠装光缆发送至甲板光通信模块。

优选地，甲板光纤通信模块包括驱动器，第二FPGA芯片和第二小型化可插拔光模块，第二小型化可插拔光模块将从水下光纤通信模块发送来的光信号转换为电信号，输入至第二FPGA芯片内部的第三吉比特收发器，第三吉比特收发器将此信号进行串并转换在第二FPGA芯片内部进行处理后发送至第四吉比特收发器进行并串转换恢复出视频数据，视频数据传递给驱动器，驱动器输出端与显示设备相连。

优选地，所述水下光纤通信模块进一步包括分别与第一FPGA芯片对应的接口连接的至少一路RS232传感器接口，至少一路RS422接口和至少一路RS485接口，甲板光纤通信模块也包括相对应分别与第二FPGA芯片对应的接口连接的至少一路RS232传感器接口，至少一路RS422接口和至少一路RS485接口。

优选地，所述均衡器包括一个电感L6和一个75Ω的电阻R84组成的并联匹配网络和均衡补偿器LMH0344SQ。

优选地，FPGA芯片上的第一吉比特收发器，第二吉比特收发器，第三吉比特收发器和第四吉比特收发器的PCB采用四层结构设计，分别为顶层、GND层、VCC层和底层，顶层和底层为正片层布信号线，GND层和VCC层为负片层，作为地平面或电源平面使用。

优选地，第一吉比特收发器，第二吉比特收发器，第三吉比特收发器和第四吉比特收发器选用CDCM61001作为外部参考时钟。

优选地，所述驱动器采用LMH0340芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：利用FPGA内部的吉比特收发器(Gigabit Transceiver with Low Power，GTP)完成串并转换，并串转换以及8B/10B编解码，不仅缩小了水下高清视频光纤通信系统PCB的尺寸，而且有利于消除并行接口方式带来的同步转换输出问题。

附图说明

图1为现有技术中水下视频光纤通信装置的电路结构框图；

图2为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的原理框图；

图3为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的电路结构框图；

图4为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的均衡器的电路结构图；

图5为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的FPGA芯片中吉比特收发器的电路结构图；

图6为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的驱动器的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图2与图3，图2所示为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的原理框图，图3所示为本发明实施例的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置的电路结构框图，其包括水下光纤通信模块10和甲板光纤通信模块20，水下光纤通信模块和甲板光纤通信模块通过铠装光缆连接，其中水下光纤通信模块10包括均衡器101，第一FPGA芯片102和第一小型化可插拔光模块103，均衡器101与前端的高清视频采集设备相连，均衡器101的输出端连接第一FPGA芯片102的第一吉比特收发器1021，第一吉比特收发器1021串并转换后的数据在第一FPGA芯片102内部进行处理后发送至第二吉比特收发器1022，第二吉比特收发器1022进行并串处理后输出至第一小型化可插拔光模块103，通过与第一小型化可插拔光模块(Small form FactorPluggable，SFP)相连的铠装光缆发送至甲板光通信模块。

进一步地，甲板光纤通信模块20包括驱动器203，第二FPGA芯片202和第二小型化可插拔光模块201，第二小型化可插拔光模块201将从水下光纤通信模块发送来的光信号转换为电信号，输入至第二FPGA芯片202内部的第三吉比特收发器2021，第三吉比特收发器2021将此信号进行串并转换在第二FPGA芯片202内部进行处理后发送至第四吉比特收发器2022进行并串转换恢复出视频数据，视频数据传递给驱动器，驱动器输出端与显示设备相连。

进一步的，在其他应用示例中，水下光纤通信模块包括分别与第一FPGA芯片对应的接口连接的至少一路RS232传感器接口，至少一路RS422接口和至少一路RS485接口，甲板光纤通信模块也包括相对应分别与第二FPGA芯片对应的接口连接的至少一路RS232传感器接口，至少一路RS422接口和至少一路RS485接口。可以为4路RS232传感器接口，2路RS422传感器接口以及2路RS485传感器接口。

在具体应用实例中，参见图4，均衡器包括一个电感L6和一个75Ω的电阻R84组成的并联匹配网络和均衡补偿器LMH0344。LMH0344是自适应电缆均衡器，兼容所有的SMPTE标准，最大数据速率达到2.97Gbps。此外，还具有独立的载波检测和输出静音管脚，这两个管脚可以连在一起使得当没有信号输入时禁止输出。

在具体应用实例中参见图5，FPGA芯片上的第一吉比特收发器，第二吉比特收发器，第三吉比特收发器和第四吉比特收发器的PCB采用四层结构设计，分别为顶层、GND层、VCC层和底层，顶层和底层为正片层布信号线，GND层和VCC层为负片层，作为地平面或电源平面使用。第一吉比特收发器，第二吉比特收发器，第三吉比特收发器和第四吉比特收发器选用CDCM61001作为外部参考时钟。GTP收发器协议模板支持XAUI、CPRI、Display Port、PCIe、SATA等标准协议，当标准协议不能满足要求或对于特定应用过于宽泛时，用户也可以制定自己的协议。本发明实施例的HD-SDI水下光纤通信装置需要将1.2Ghz信号流从水下光纤通信模块经光缆传输到甲板光纤通信模块。系统的输入输出使用8位并行总线，工作在150MHz。整个传输过程一旦开始就不会中断。鉴于此，需要定制协议以满足实时传输的要求。而使用标准协议会加大系统的延时，因为建立通信前首先要进行握手。使用了8B/10B编码机制，因此可以借助K字符定制简单而高效的通信协议。协议中需要定义数据帧、时钟校正序列以及通道绑定序列，定义的包结构如表1所示。

表1包结构表

包结构包括帧头SF、数据DATA和空闲序列IDLE(时钟校正序列)。其中，帧头SF使用K字符，它不仅标志帧的开始，还作为对齐符号。用户数据的长度需要根据线速率和实际需要传输的数据速率来确定，既要保证线路足够的带宽，又要有足够的对齐符号和时钟校正序列。因为使用了不同的振荡器来驱动各自收发器的时钟，所以必须考虑时钟校正问题。本发明实施例中，设定线速率为2Gb/s，有效载荷速率1.6Gb/s，可以满足1.2GHz的数据要求，剩余的带宽可用于其它开销。

FPGA设计流程主要包括设计输入、功能仿真、综合、实现、时序仿真、生成比特流文件等步骤。开发过程中，采用Verilog硬件描述语言对整个数字系统进行建模，结合IP核生成向导完成GTP收发器的配置例化过程，降低了设计难度，缩短了开发周期。

在具体应用实例中，参见图6，驱动器采用LMH0303芯片。LMH0303内部集成了电缆驱动，大大节省了板级设计面积。

通过以上实施例实现的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，硬件兼容SMPTE 424M，SMPTE 292M，SMPTE 259M-C和DVB-ASI标准协议，最大支持1080P全高清视频传输。采用FPGA内部的GTP收发器对串行数据流进行解码和编码，与使用分离的串并转换器相比，不仅大大缩小了板级尺寸，而且有利于消除并行接口方式带来的同步转换输出问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，包括水下光纤通信模块和甲板光纤通信模块，所述水下光纤通信模块和甲板光纤通信模块通过铠装光缆连接，其中水下光纤通信模块包括均衡器，第一FPGA芯片和第一小型化可插拔光模块，所述均衡器与前端的高清视频采集设备相连，均衡器的输出端连接第一FPGA芯片的第一吉比特收发器，第一吉比特收发器串并转换后的数据在第一FPGA芯片内部进行处理后发送至第二吉比特收发器，第二吉比特收发器进行并串处理后输出至第一小型化可插拔光模块，通过与第一小型化可插拔光模块相连的铠装光缆发送至甲板光通信模块。

2.根据权利要求1所述的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，甲板光纤通信模块包括驱动器，第二FPGA芯片和第二小型化可插拔光模块，第二小型化可插拔光模块将从水下光纤通信模块发送来的光信号转换为电信号，输入至第二FPGA芯片内部的第三吉比特收发器，第三吉比特收发器将此信号进行串并转换在第二FPGA芯片内部进行处理后发送至第四吉比特收发器进行并串转换恢复出视频数据，视频数据传递给驱动器，驱动器输出端与显示设备相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，所述水下光纤通信模块进一步包括分别与第一FPGA芯片对应的接口连接的至少一路RS232传感器接口，至少一路RS422接口和至少一路RS485接口，甲板光纤通信模块也包括相对应分别与第二FPGA芯片对应的接口连接的至少一路RS232传感器接口，至少一路RS422接口和至少一路RS485接口。

4.根据权利要求1或2所述的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，所述均衡器包括一个电感L6和一个75Ω的电阻R84组成的并联匹配网络和均衡补偿器LMH0344SQ。

5.根据权利要求2所述的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，FPGA芯片上的第一吉比特收发器，第二吉比特收发器，第三吉比特收发器和第四吉比特收发器的PCB采用四层结构设计，分别为顶层、GND层、VCC层和底层，顶层和底层为正片层布信号线，GND层和VCC层为负片层，作为地平面或电源平面使用。

6.根据权利要求5所述的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，第一吉比特收发器，第二吉比特收发器，第三吉比特收发器和第四吉比特收发器选用CDCM61001作为外部参考时钟。

7.根据权利要求1或2所述的基于吉比特收发器的水下高清视频光纤通信装置，其特征在于，所述驱动器采用LMH0340芯片。