智慧社区监控系统16路光端机的硬件电路设计

董晓丹++郑雪芳++钱宜平

摘要：本文设计的视频光端机，采用非压缩数字视频传输方式，由CPLD实现各路信号之间的时分复用和解复用，高速串行/解串器完成正向信号的并串/串并转换，反向数据的传输则借助于波分复用实现。通过一根单模单芯光纤，可以单向传输16路标清视频信号和双向传输两路控制数据信号，传输距离可达40km以上。其多路信号、长距离传输的特点，可作为现代智慧社区监控系统的重要组成部分。

关键词：视频光端机 时分复用 波分复用 串行/解串器 智慧社区

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0179-01

1 引言

近年来，随着“互联网+”的提出，智慧社区解决方案逐渐出现并实施。智慧物业属于智慧社区的典型应用，构建社区周界的视频监控是安全防范的第一步。视频监控探头的部署通常具有“数量多、容量大、距离远”的难点，设计可传输16路视频信号的光端机，结合光纤传输方式具有“频带宽、传输容量大、损耗低、无中继传输距离远、不受环境中电磁干扰的影响”等特点，利用单模光纤实现前端到后台的传输，完美解决了难点。

2 总体方案设计

16路数字视频光端机由发送端和接收端成对组成，通过一根单模光纤连接后就构成了16路视频信号传输系统，如图1所示。

发送端的任务是：（1）把输入的16路标清模拟视频信号经过A/D转换后，与输入的两路反馈数据信号一起采用时分复用的方法构成高速串行数据流，通过光模块调制在一种波长上发送到光纤中；（2）接收光纤中由接收端发来的调制在另一种波长上的反向低速数据流，经解码和解复用后得到反向控制信号，通过数据端口输出，用于连接到摄像机、云台等视频信号采集设备。

接收端的任务是：（1）对收到的高速数据流进行解码和解复用，并将获取的信号经D/A转换后恢复成16路模拟视频信号输出，用于连接到监视器或视频信号存储设备；（2）把从高速数据流中提取的反馈数据信号送数据端口输出，同时把从数据端口输入的两路控制信号经编码和复用后构成反向低速数据流，再经光模块调制后发送到光纤中，从而实现与数据端口连接的控制设备对视频信号采集设备的远程控制。

3 发送端的方案设计

发送端首先要对输入的模拟视频信号进行数字化，但在做A/D转换之前，有必要对输入信号先进行滤波、缓冲放大等处理，作用如下：（1）滤除带外的高频噪声，提高A/D转换后的信噪比；（2）使信号电压幅度满足并尽可能的充满A/D转换器的电压输入范围，从而提高A/D转换结果的精度；（3）使因为交流耦合输入而失去直流分量的视频信号恢复直流分量，确保经过传输后在接收端实现正确同步。

每一路视频信号经A/D转换后的串行数据速率至少为12M×8bits=96Mbps，则16路视频信号的串行数据速率至少为96×16=1536Mbps，另外，数据流中还要加入两路反馈数据和同步信号，因此，串行/解串器和光收发模块的传输速率必须在1.6Gbps以上；并行数据的位数将影响CPLD对数据进行时分复用和解复用时控制软件的复杂程度以及对CPLD内部资源和I/O口的需求。方案选用傳输速率为1.0～2.5Gbps的18位串行/解串器TLK2521来完成高速数据的并串/串并转换工作。

可编程逻辑器件是本设备的核心器件，在发送端完成的主要任务有：（1）16路视频信号和两路数据信号的时分复用和扰码操作；（2）对外部输入的时钟信号进行适当处理，为AD9201、TLK2521等芯片提供时钟和控制信号；（3）对接收到的反向数据进行解复用；（4）根据信号状态控制各路视频信号、数据信号和光链路的LED指示灯。选用性价比较高的Altera公司的MAX V产品系列中的5M570ZT144作为光端机的控制核心。

此外，发送端需要用到的主要器件还包括RS-485收发器件、收发一体化的光模块、有源晶体振荡器等。整个系统的供电由外部的+5V电源模组提供，但由于系统内部的各种器件需要用到的电源电压还有+3.3V、+2.5V和+1.8V，因此，在系统中使用了LM1117系列LDO器件来产生+3.3V、+2.5V和+1.8V。

综上所述，发送端的框图如图2所示。

4 接收端的方案设计

与发送端相比，接收端的功能是对数据和信号做相反的处理，其中的主要器件，如CPLD、串行器/解串器、有源晶体振荡器、RS-485收发器和电源电压调整器件等，选用了和发送端相同的器件，光模块则必须选用与发送端配对的收发一体化光模块，D/A转换器选用了与AD9201配对的器件AD9761。由于AD9761为电流输出型D/A转换器，因此，在视频信号的输出端也使用了三通道集成视频缓冲器THS7314，其主要作用是将AD9761输出的电流信号转换为电压信号并进行放大，使得输出的视频信号在连接75Ω负载时为标准幅度1Vp-p，同时也提升了视频输出信号的负载驱动能力。接收端的框图如图3所示。

5 结语

结合智慧社区监控系统的需求分析，选取了合适的器件组成16路视频光端机系统，并详细设计了发送端和接收端的硬件电路，完成了产品硬件部分的研制工作，该机芯配合相应的控制软件，经过小批量试生产和现场应用测试及性能改善后，完全达到设计要求，已实现规模量产。

参考文献

[1]犁洪松.数字视频技术及其应用[M].北京：清华大学大学出版社，1997.

[2]孙江平，苗长云，荣锋.基于CPLD的汇聚视频光端机的设计与实现[J].光通信技术，2012，36（8）：59-61.

[3]封钦柱，徐钊，刘玉萍，马洪亮.基于以太网交换芯片的数字视频光端机研究[J].电视技术，2011，35（5）：84-87.

[4]黄正谨.CPLD系统设计技术入门及应用[M].北京：电子工业出版社，2002.