基于CPLD的異步ASI/SDI信號電復接光傳輸設備的設計

　引言

　　近年來，隨著計算機、數(shù)字網(wǎng)絡和電視技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對高質(zhì)量電視圖像的需求不斷提高，我國廣播電視事業(yè)日新月異、迅猛發(fā)展。四年前開通的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播，目前已形成相當規(guī)模。數(shù)字攝錄、數(shù)字特技、非線性編輯系統(tǒng)、虛擬演播室、數(shù)字轉(zhuǎn)播車、網(wǎng)絡硬盤陣列以及機械手數(shù)字播放系統(tǒng)等設備，已陸續(xù)進入中央電視臺和各省市級電視臺。標準高清晰度數(shù)字電視SDTV/HDTV已列為國家重大科研產(chǎn)業(yè)工程項目，試驗播出已在中央廣播電視塔上進行。目前，我國數(shù)字電視節(jié)目制作和數(shù)字電視地面廣播已在緊鑼密鼓地推進，而“十一五”將是我國數(shù)字電視整體平移的準備期，是廣播電視系統(tǒng)從模擬向數(shù)字化過渡的重要階段。

　　本設計正是為應對這一趨勢，并為滿足市場對于多路ASI/SDI數(shù)字視頻信號光傳輸設備的巨大需求而設計的。它是通過時分復用技術(shù)實現(xiàn)在一根光纖中同時傳輸兩路ASI/SDI數(shù)字視頻信號的光傳輸設備，該項設計可為今后開發(fā)更多路更高速的異步數(shù)字信號光傳輸設備打好基礎。

　　系統(tǒng)實現(xiàn)方案

　　該ASI/SDI信號光傳輸設備的工作原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

　　由圖1可知，ASI/SDI串行信號通過均衡電路后得到整形，轉(zhuǎn)變成為一組差分信號；再經(jīng)過時鐘恢復電路將信號中的時鐘提取出來，以便在接下來的解碼和同步信號時使用；再通過解碼電路后，串行的高速信號轉(zhuǎn)變成并行的低速信號，為接下來的電復接過程做好準備；最后通過FIFO電路的調(diào)整實現(xiàn)異步信號跟本地的電復接時鐘同步，進而實現(xiàn)本地的電復接；再通過光模塊電/光轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)绞斩?，收端收到信號后?jīng)過一系列逆向變換電路后，恢復出原始的ASI/SDI串行信號，完成整個傳輸過程。

　　本設計中ASI/SDI信號的電復接技術(shù)是整個技術(shù)環(huán)節(jié)的關鍵。由于項目中需電復接的ASI/SDI信號速率很高，標準速率達到270Mbit/s，并且不是同源的信號復接，所以直接對該信號電復接很困難且不經(jīng)濟，需要先恢復出各個信號的時鐘，把高速串行信號變換成低速并行信號，然后再通過FIFO芯片電路來調(diào)整各個信號的時鐘步伐，實現(xiàn)跟本地的時鐘同步，然后再通過可編程芯片進行兩路電信號復接，進而實現(xiàn)時分復用傳輸。只有經(jīng)過這一系列的信號處理過程后，在接收端才可以實現(xiàn)順利的解復接過程，這也是該設計的主要技術(shù)攻關點。

　　另外，電復接的鎖定也是一個問題。信號路數(shù)越多，速率越高，越難鎖定，對PCB板的排版技術(shù)要求較高。通過對各個元器件的合理放置和科學的濾除雜波等各項處理，這個問題可以得到很好的解決。

　　硬件電路

　　在該設計中，主要使用的是美國國家半導體公司最新推出的功能強大且性能穩(wěn)定的數(shù)字視頻芯片組。其中解碼及串/并轉(zhuǎn)換芯片選用CLC011；編碼及并/串轉(zhuǎn)換芯片選用CLC020；時鐘恢復芯片選用LMH0046；自適應電纜均衡芯片選用CLC014；CPLD芯片采用LATTICE公司的LC4256V；FIFO芯片采用IDT公司的IDT72V2105。

　　均衡部分電路處理過程如圖2所示。由圖2可知單端輸入的ASI/SDI串行信號通過均衡電路后得到整形，轉(zhuǎn)變成一組差分信號，為接下來的時鐘恢復過程作好了準備。通過均衡電路以后，信號質(zhì)量大大提高，輸入輸出信號波形比較如圖3。

圖2 均衡部分電路處理過程

圖3 均衡電路波形比較

　　時鐘恢復部分電路處理過程由圖4所示。通過圖4可以看到，正確地設置好芯片的工作模式，由本地提供一個27M的時鐘供時鐘恢復芯片使用，將均衡后的高速差分信號輸入到芯片中，通過芯片處理后恢復出串行信號之中的時鐘信號，以便下面解碼部分電路使用。同時，該芯片也可支持高清信號的時鐘恢復功能。

圖4 時鐘恢復部分電路處理過程

　　解碼部分電路處理過程由圖5所示。通過圖5可以看到，由時鐘恢復芯片恢復出來的串行時鐘和串行數(shù)據(jù)輸入到解碼芯片，通過串/并轉(zhuǎn)換后輸出10位并行數(shù)據(jù)和27M的并行時鐘，以備下面FIFO電路的時鐘調(diào)整使用。具體各個工作模式下信號的時序圖見圖6。

圖5 解碼部分電路處理過程

圖6 各模式信號時序圖

　FIFO部分電路處理過程如圖7所示。其中讀時鐘使用編碼電路恢復出來的27M并行時鐘，寫時鐘使用本地的27M時鐘，通過調(diào)整實現(xiàn)經(jīng)過FIFO的10位并行信號與本地時鐘同步，為接下來輸入到CPLD進行電復接做好準備。CPLD的電復接部分程序如下，其中2BP-S為復接程序，2BS-P為解復接程序。

圖7 FIFO部分電路處理過程

　　architecture SCHEMATIC of 2BP-S is

　　SIGNAL gnd : std_logic := '0';

　　SIGNAL vcc : std_logic := '1';

　　signal N_25 : std_logic;

　　signal N_12 : std_logic;

　　signal N_13 : std_logic;

　　signal N_15 : std_logic;

　　signal N_16 : std_logic;

　　signal N_17 : std_logic;

　　signal N_21 : std_logic;

　　signal N_22 : std_logic;

　　signal N_23 : std_logic;

　　signal N_24 : std_logic;

　　begin

　　I30 : G_D Port Map ( CLK=>N_25, D=>N_13, Q=>N_22 );

　　I29 : G_D Port Map ( CLK=>N_25, D=>N_16, Q=>N_23 );

　　I34 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_22, O=>Q0 );

　　I33 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_23, O=>Q1 );

　　I2 : G_INPUT Port Map ( I=>CLK, O=>N_25 );

　　I7 : G_INPUT Port Map ( I=>A, O=>N_12 );

　　I8 : G_INPUT Port Map ( I=>LD, O=>N_21 );

　　I6 : G_INPUT Port Map ( I=>B, O=>N_15 );

　　I12 : G_2OR Port Map ( A=>N_17, B=>N_24, Y=>N_16 );

　　I16 : G_2AND1 Port Map ( AN=>N_21, B=>N_22, Y=>N_24 );

　　I21 : G_2AND Port Map ( A=>N_21, B=>N_12, Y=>N_13 );

　　I20 : G_2AND Port Map ( A=>N_21, B=>N_15, Y=>N_17 );

　　end SCHEMATIC;

　　architecture SCHEMATIC of 2BS-P is

　　SIGNAL gnd : std_logic := '0';

　　SIGNAL vcc : std_logic := '1';

　　signal N_5 : std_logic;

　　signal N_1 : std_logic;

　　signal N_3 : std_logic;

　　signal N_4 : std_logic;

　　begin

　　I8 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_4, O=>Q0 );

　　I1 : G_OUTPUT Port Map ( I=>N_5, O=>Q1 );

　　I2 : G_INPUT Port Map ( I=>CLK, O=>N_3 );

　　I3 : G_INPUT Port Map ( I=>SIN, O=>N_1 );

　　I7 : G_D Port Map ( CLK=>N_3, D=>N_4, Q=>N_5 );

　　I4 : G_D Port Map ( CLK=>N_3, D=>N_1, Q=>N_4 );

　　end SCHEMATIC;

　　編碼部分電路處理過程如圖8所示。收端光模塊收到數(shù)據(jù)后，通過CPLD的解復接程序恢復出并行數(shù)據(jù)和同步時鐘，再通過編碼芯片電路恢復出原始的高速串行信號，經(jīng)過電纜驅(qū)動芯片驅(qū)動后最終由傳輸設備輸出，完成整個傳輸過程。其中，編碼電路部分的信號時序如圖9所示。

圖8 編碼部分電路處理過程

圖9 編碼電路信號時序圖

　　結(jié)束語

　　基于CPLD的異步ASI/SDI信號電復接光傳輸設備的設計使用了最新的ASI/SDI信號電復接/分接技術(shù)，可以實現(xiàn)兩路信號的時分復用傳輸，替代了以往以波分復用技術(shù)為基礎的多路異步信號傳輸模式，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的市場競爭力進一步提高。