基于FPGA的无线视频加密解密系统的硬件设计与实现

蔡昌勇　朱静　蒲虹桥　梁颖

摘要：模拟监控由于在图像质量、监控范围上具有较大的局限性，但由于其易于部署、易于应用以及突出的价格优势等诸多特点，它仍然广泛部署于各银行系统之中。然而，无线模拟视频监控信号能够被区域内所有的接收设备接收，因此，对于敏感区域或有隐私保护需求的家庭安防监控等应用就受到了极大的限制。该文设计了一款基于FPGA的无线模拟视频加、解密系统，可实现对CVBS视频信号的加密处理，以防止无线视频信号被他人接收，造成银行安全隐患。同时，本系统还可以推广到其他行业短距离无线模拟视频监控应用中，具备非常好的实用价值及市场前景。

关键词：视频监控；FPGA；CVBS

1概述

随着人类社会工业化的进程，资本运作频率和货币流通速度越来越快。与此同时，城市化带来的交通便利，人员流通的加快，以及通讯行业的快速发展，也为金融行业的安全防范带来了巨大的工作压力。因此对安防视频监控需求的不断提高，安防监控产业得到快速发展。视频监控以信号传输的不同分为有线和无线两种方式，相比有线视频监控来说，无线视频监控具有成本低、可扩展能力强、维护费用低以及施工难度低等诸多优势。视频监控以信号格式又分为模拟监控和数字监控，虽然模拟监控由于在图像质量、监控范围上具有较大的局限性，但由于其易于部署、易于应用以及突出的价格优势等诸多特点，它仍然广泛部署于各银行之中。

然而，无线模拟视频监控信号能够被区域内所有的接收设备接收，因此，对于敏感区域或有隐私保护需求的家庭安防监控等应用就受到了极大的限制。本文设计了一款基于FPGA的无线模拟视频加、解密系统，以防止无线视频信号被他人接收，造成银行安全隐患。同时，本系统还可以推广到其他行业短距离无线模拟视频监控应用中，具备非常好的实用价值及市场前景。

2方案设计

本系统设计全电视信号解码电路，完成普通模拟摄像头输出信号的数字化及同步信号分离工作；基于CPLD/FPGA实现数字化视频数据的加密工作；同时设计全电视信号编码电路，在CPLD/FPGA的驱动下将加密后的视频数据还原成全电视信号，如图1所示。

系统采用软硬件结合的方式，基于BT.656标准进行软件开发，视频信号采用CVBS（compositeVideoBroadcast Signal）格式输出。视频输入后需要对图形进行解码，分离同步信号，并将采集到的图像数据暂存起来并进行加密处理，在解密端，解密完成后需将图像数据按照BT656协议合成，在经过编码器输出CVBS信号。BT656协议定义了行场消隐信号及图像数据的格式，数据输出速率为70M，普通单片机无法处理，必须采用DSP、FPGA等。

系统主要采用FPGA芯片EPlC3T100C8和ATMEGA48PA单片机为核心构建，为了保证系统的稳定运行，设计了高效且稳定的电源电路，信号的解码和加密分别由极低功耗视频解码器芯片TVP5150和数字视频编码器芯片CS4954完成。

3电源设计

本系统视频传输速率70M，视频信号的解密和加密均需要稳定的电源系统来保障，同时FPGA对电源的要求也较为复杂，因此本系统设计了多层次的供电系统，同时辅以完善的电源稳定保障措施来保证系统的可靠运行，包括完善的滤波电路、模拟地数字地分离、多層PCB分隔电路等，如图2所示。

系统采用9V直流电源供电，摄像头直接取电，使用MP2259稳压到5V，如图3所示。MP2259是一个单片内部集成了降压开关模式转换器功率MOSFET，实现了1A连续输出电流下在4.5V至16V的宽输入范围操作内出色的负载及电压调节，其电流模式工作可提供了快速瞬态响应和稳定的简化环路，发生故障条件下可逐周期电流限制保护和热关机，使系统对电源的需求不再严苛，避免了不稳定的供电电压造成的数据抖动。

MCU单片机供电电压需求为3.3V，采用LM1117-33用来得到MCU所需的3.3V电压，如图4所示。上述得到的电压除了供给MCU之外，也是FPGA供电电压的来源之一。众所周知，FPGA的供电系统较为复杂，此处采用LM1117-1.5-0.8A来实现FPGA系统的0.8V供电，如图5所示。

FPGA接收的数字视频信号供电要求极为严格，系统设计了完善的滤波电路来保障电源的稳定运行，如图6所示。

模拟视频信号处理部分由于涉及模拟接地与数字接地的交汇问题，尤为重要，处理不好将会导致视频信号中的噪声，模拟信号和数字信号之间采用电感与磁珠隔离，如图7所示。为了保证信号的稳定传输，不会被电源系统影响，本项目采用四层电路板进行设计，最大程度地避免了电源的干扰问题。

4 MCU控制电路及FPGA核心电路

MCU控制电路由ATMEGA48PA单片机来完成，主要实现信号的切换与控制。

FPGA电路包括FPGA芯片EPlC3T100C8，FPGA外围电路包括两块静态随机存取存储芯片IS61LV5128AL-10TI进行数据存储。ALTERA Cyclone系列的fpga是altera公司针对底端用户推出的一个系列的fpga。具有成本低，使用的方便的优点，规模从3000到20000LE。与本项目所追求的低成本方案非常契合。

因篇幅限制，电路图暂未给出。

5解码与加密电路

解码和加密电路分别基于极低功耗视频解码器芯片TVP5150和数字视频编码器芯片CS4954进行设计。

TVP5150系列是一颗使用简易，超低功耗，封装极小的数字视频解码器。使用单一14.31818MHz时钟就可以实现PAL/NTSC/SECAM各种制式的解码，输出8-bit 1TU-R BT.656数据，也可输出分离同步。MCU通过标准12C接口控制TVP5150的诸多参数，比如色调，对比度，亮度，饱和度和锐度等等。TVP5150内部的VBI处理器可以分离解析出VBI（verti—cal Blanking Interval）里面的teletext，closed caption等等信息。TVP5150应用电路如图8所示。

CS4954能够将8-bitYUV、8-bit YCbCr或ITU-R BT.656信号转变成PAL/NTSC复合视频信号、Y/C（S-Vide0）信号和RGB或YPbPr信号。CS4954主要由视频时序产生器、输入视频格式化、载波同步、色度通道、亮度通道、RGB和YUV分量通道、DA转换器等部分组成，CS4954的功能框图如图9所示。

6结论

FPGA因其高速的数据处理能力在图像、视频传输领域得到了广泛应用，本文设计的基于FPGA无线视频加密解密系统，实现了对CVBS信号的解码与编码，使视频监控信号能够安全地进行无线传输，本设计已成功应用于金融行业视频监控系统，取得了较好的效果。