智慧社區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)16路光端機的硬件電路設(shè)計

董曉丹++鄭雪芳++錢宜平

摘要：本文設(shè)計的視頻光端機，采用非壓縮數(shù)字視頻傳輸方式，由CPLD實現(xiàn)各路信號之間的時分復(fù)用和解復(fù)用，高速串行/解串器完成正向信號的并串/串并轉(zhuǎn)換，反向數(shù)據(jù)的傳輸則借助于波分復(fù)用實現(xiàn)。通過一根單模單芯光纖，可以單向傳輸16路標(biāo)清視頻信號和雙向傳輸兩路控制數(shù)據(jù)信號，傳輸距離可達(dá)40km以上。其多路信號、長距離傳輸?shù)奶攸c，可作為現(xiàn)代智慧社區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：視頻光端機 時分復(fù)用 波分復(fù)用 串行/解串器 智慧社區(qū)

中圖分類號：TN929.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0179-01

1 引言

近年來，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出，智慧社區(qū)解決方案逐漸出現(xiàn)并實施。智慧物業(yè)屬于智慧社區(qū)的典型應(yīng)用，構(gòu)建社區(qū)周界的視頻監(jiān)控是安全防范的第一步。視頻監(jiān)控探頭的部署通常具有“數(shù)量多、容量大、距離遠(yuǎn)”的難點，設(shè)計可傳輸16路視頻信號的光端機，結(jié)合光纖傳輸方式具有“頻帶寬、傳輸容量大、損耗低、無中繼傳輸距離遠(yuǎn)、不受環(huán)境中電磁干擾的影響”等特點，利用單模光纖實現(xiàn)前端到后臺的傳輸，完美解決了難點。

2 總體方案設(shè)計

16路數(shù)字視頻光端機由發(fā)送端和接收端成對組成，通過一根單模光纖連接后就構(gòu)成了16路視頻信號傳輸系統(tǒng)，如圖1所示。

發(fā)送端的任務(wù)是：（1）把輸入的16路標(biāo)清模擬視頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，與輸入的兩路反饋數(shù)據(jù)信號一起采用時分復(fù)用的方法構(gòu)成高速串行數(shù)據(jù)流，通過光模塊調(diào)制在一種波長上發(fā)送到光纖中；（2）接收光纖中由接收端發(fā)來的調(diào)制在另一種波長上的反向低速數(shù)據(jù)流，經(jīng)解碼和解復(fù)用后得到反向控制信號，通過數(shù)據(jù)端口輸出，用于連接到攝像機、云臺等視頻信號采集設(shè)備。

接收端的任務(wù)是：（1）對收到的高速數(shù)據(jù)流進行解碼和解復(fù)用，并將獲取的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后恢復(fù)成16路模擬視頻信號輸出，用于連接到監(jiān)視器或視頻信號存儲設(shè)備；（2）把從高速數(shù)據(jù)流中提取的反饋數(shù)據(jù)信號送數(shù)據(jù)端口輸出，同時把從數(shù)據(jù)端口輸入的兩路控制信號經(jīng)編碼和復(fù)用后構(gòu)成反向低速數(shù)據(jù)流，再經(jīng)光模塊調(diào)制后發(fā)送到光纖中，從而實現(xiàn)與數(shù)據(jù)端口連接的控制設(shè)備對視頻信號采集設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3 發(fā)送端的方案設(shè)計

發(fā)送端首先要對輸入的模擬視頻信號進行數(shù)字化，但在做A/D轉(zhuǎn)換之前，有必要對輸入信號先進行濾波、緩沖放大等處理，作用如下：（1）濾除帶外的高頻噪聲，提高A/D轉(zhuǎn)換后的信噪比；（2）使信號電壓幅度滿足并盡可能的充滿A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍，從而提高A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度；（3）使因為交流耦合輸入而失去直流分量的視頻信號恢復(fù)直流分量，確保經(jīng)過傳輸后在接收端實現(xiàn)正確同步。

每一路視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)速率至少為12M×8bits=96Mbps，則16路視頻信號的串行數(shù)據(jù)速率至少為96×16=1536Mbps，另外，數(shù)據(jù)流中還要加入兩路反饋數(shù)據(jù)和同步信號，因此，串行/解串器和光收發(fā)模塊的傳輸速率必須在1.6Gbps以上；并行數(shù)據(jù)的位數(shù)將影響CPLD對數(shù)據(jù)進行時分復(fù)用和解復(fù)用時控制軟件的復(fù)雜程度以及對CPLD內(nèi)部資源和I/O口的需求。方案選用傳輸速率為1.0～2.5Gbps的18位串行/解串器TLK2521來完成高速數(shù)據(jù)的并串/串并轉(zhuǎn)換工作。

可編程邏輯器件是本設(shè)備的核心器件，在發(fā)送端完成的主要任務(wù)有：（1）16路視頻信號和兩路數(shù)據(jù)信號的時分復(fù)用和擾碼操作；（2）對外部輸入的時鐘信號進行適當(dāng)處理，為AD9201、TLK2521等芯片提供時鐘和控制信號；（3）對接收到的反向數(shù)據(jù)進行解復(fù)用；（4）根據(jù)信號狀態(tài)控制各路視頻信號、數(shù)據(jù)信號和光鏈路的LED指示燈。選用性價比較高的Altera公司的MAX V產(chǎn)品系列中的5M570ZT144作為光端機的控制核心。

此外，發(fā)送端需要用到的主要器件還包括RS-485收發(fā)器件、收發(fā)一體化的光模塊、有源晶體振蕩器等。整個系統(tǒng)的供電由外部的+5V電源模組提供，但由于系統(tǒng)內(nèi)部的各種器件需要用到的電源電壓還有+3.3V、+2.5V和+1.8V，因此，在系統(tǒng)中使用了LM1117系列LDO器件來產(chǎn)生+3.3V、+2.5V和+1.8V。

綜上所述，發(fā)送端的框圖如圖2所示。

4 接收端的方案設(shè)計

與發(fā)送端相比，接收端的功能是對數(shù)據(jù)和信號做相反的處理，其中的主要器件，如CPLD、串行器/解串器、有源晶體振蕩器、RS-485收發(fā)器和電源電壓調(diào)整器件等，選用了和發(fā)送端相同的器件，光模塊則必須選用與發(fā)送端配對的收發(fā)一體化光模塊，D/A轉(zhuǎn)換器選用了與AD9201配對的器件AD9761。由于AD9761為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，因此，在視頻信號的輸出端也使用了三通道集成視頻緩沖器THS7314，其主要作用是將AD9761輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行放大，使得輸出的視頻信號在連接75Ω負(fù)載時為標(biāo)準(zhǔn)幅度1Vp-p，同時也提升了視頻輸出信號的負(fù)載驅(qū)動能力。接收端的框圖如圖3所示。

5 結(jié)語

結(jié)合智慧社區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，選取了合適的器件組成16路視頻光端機系統(tǒng)，并詳細(xì)設(shè)計了發(fā)送端和接收端的硬件電路，完成了產(chǎn)品硬件部分的研制工作，該機芯配合相應(yīng)的控制軟件，經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和現(xiàn)場應(yīng)用測試及性能改善后，完全達(dá)到設(shè)計要求，已實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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