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基于FPGA的高清视频光纤传输系统的研究与实现

作　者: 廖加文
导　师: 曹剑中
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 信号与信息处理
关键词: FPGA Bayer颜色滤波阵列颜色插值并串转换串并转换电光转换光电转换光纤传输
分类号: TN919.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

如今高清视频传输系统被广泛应用于许多领域，比如工业监控、交通管理、广播电视、远程医疗、军事通信与侦查等。其中设计视频远程传输系统是当前视频传输研究的一个重要方向。光纤传输系统具有传输距离远、信息容量大、抗干扰能力强、保密性好等优势，目前已成为通信的重要手段。本课题针对大容量高清数字视频通过电缆实现远距离传输比较困难的缺点，提出了非压缩高清数字视频光纤传输设计方案。同时对传输的视频前期还原插值算法进行了研究，针对不同颜色插值算法的缺点，研究了不同插值算法的效果。所做工作如下：1.>该课题实现了高清数字视频的光纤传输系统软件实现该系统以FPGA为核心控制芯片，在FPGA内实现原始输入视频数据的各种颜色插值算法的研究，并改进了一种插值方法，实验结果表明效果较双线性插值以及一阶梯度边缘导向颜色插值算法有较好改善。同时在FPGA内部完成高清视频的生成、串行与解串芯片的控制时序以及接收端解包等部分，该部分通过使用Verilog语言在Xilinx程序设计工具ISE环境下编写并进行了功能及时序仿真，并对部分控制电路在Modelsim中仿真，仿真结果正确。2.>完成了高清数字视频光纤传输系统的硬件设计硬件总体分为发送端和接收端两部分，发送端包括前端镜头板块、信号处理板块以及并串转换电光转换板块。接收端包括光电转换模块、并串转换模块以及后续处理模块。系统采用GENNUM公司的专用高速并串转换芯片GS2972和串并转换芯片GS2971来实现多路并行数据的串行传输和在接收端的解串行输出。电光转换模块用来实现把高速串行电信号转换成适用于光纤传输的光信号。而光电转换模块用来实现在接收端把光信号恢复成高速串行电信号，以供后续电路处理。3.>该光纤传输系统具体参数该系统能够实现输入视频满足SMPTE296M高清电视格式和SMPTE274M扫描格式的HD-SDI输出，输入接口格式满足SMPTE292M，输入时钟为74.25MHz，通过处理后经过SDI口串行输出数据流为1.485Gbps。前端自对焦相机功耗为6W(100V X0.06A)，后端处理板功耗为4.1W(5V X0.82A)。目前通过3000米单模光纤的传输实验，视频效果优异。对比3米单模光纤峰值信噪比，3000米光纤传输质量下降不大。该系统工作稳定，实时传输效果良好，画面噪声较小，传输距离远，工作模式可以更改，是远程视频传输系统的一个实用方案。文章最后对本课题进行了概括和总结。本系统对于其他同类产品和系统的设计具有一定的借鉴意义。

全文目录

致谢  4-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章引言  13-21
  1.1 本研究课题的意义  13-14
  1.2 光纤传输的应用  14-16
    1.21 工业上的应用  14
    1.22 医疗上的应用  14
    1.23 交通领域的应用  14-15
    1.24 军事上的应用  15-16
  1.3 光纤传输发展历程  16-17
  1.4 光纤传输的发展方向  17-19
  1.5 本课题的研究内容  19-21
第二章系统方案的设计  21-31
  2.1 系统结构框图  21-22
  2.2 视频光纤传输系统工作原理和实现  22-23
  2.3 视频 GENNUM 并串转换芯片 GS2972  23-27
    2.31 GS2972 并串转换芯片的特点  24
    2.32 GS2972 并串转换芯片的结构框图  24-25
    2.33 GS2972 视频输入数据格式选择  25-26
    2.34 GS2972 SMPTE 控制时序  26-27
  2.4 GENNUM 电光转换器件  27-31
    2.41 电光转换器 GO2918 特点  27-28
    2.42 电光转换器 GO2918 的结构框图  28
    2.43 器件配置介绍  28-31
第三章高清视频光纤传输系统的硬件实现  31-45
  3.1 前后系统连接框图  31
  3.2 发送端测试板介绍  31-36
    3.21 发送端测试板关键部分  31-32
    3.22 发送端测试板电源设计  32-33
    3.23 发送端测试板原理图 PCB 设计  33-36
  3.3 发送端板子介绍  36-37
  3.4 接收端板子介绍  37-45
    3.41 Xilinx Spartan FPGA XC3SD1800A  38-41
    3.42 接收板电源电路设计  41-42
    3.43 接收板 PCB 设计  42-45
第四章高清 SDI 视频  45-53
  4.1 HD-SDI 传输格式  45-48
  4.2 数据流嵌入  48
  4.3 HD 视频格式  48-49
  4.4 硬件实现与测试模块  49-53
第五章 BAYER 格式颜色插值算法  53-64
  5.1 双线性插值  54-55
    5.11 双线性插值算法  54
    5.12 双线性插值效果解析  54-55
  5.2 基于梯度边缘导向颜色插值  55-59
    5.21 一阶梯度边缘导向颜色插值算法简介  55-57
    5.22 一阶梯度边缘导向插值算法硬件实现及效果解析  57-59
  5.3 改进的适应性颜色层插值算法  59-64
    5.31 改进的适应性颜色层插值算法简介  59-61
    5.32 适应性颜色层插值算法硬件实现及效果解析  61-64
第六章实验过程及结果分析  64-74
  6.1 实验设备  64
  6.2 实验过程中遇到的问题及解决  64-66
  6.3 实验结果及分析  66-74
    6.31. 条纹实验  66-67
    6.32. 测试板 SDI 接口测试  67
    6.33. 实验板光纤传输通路测试  67-69
    6.34. 成品相机光纤传输通路测试  69-70
    6.35. 成品相机光纤传输通路传输质量评价以及参数  70-74
      6.351. 峰值信噪比计算方法  70-72
      6.352. 系统具体参数  72-74
第七章工作总结  74-76
参考文献  76-80
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  80

基于FPGA的高清视频光纤传输系统的研究与实现

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