数字视频光端机研制(附件)
指导教师 杨正理 摘 要数字光端机，一种传输的是通过数字电路控制光信号的机器，使用0、1代码来实现光通信。光纤通信利用光波来传送信息,是一种以光纤为传输介质的通信方式， 光纤通信作为一种新技术，近年来发展迅猛，在通信史上的应用的广泛也是十分罕见的，标志着是世界新技术革命以及未来信息社会各种信息的传递工具。数字视频光端机技术的改进和光纤价格的降低，使光端机在生活中得到了广泛的应用，由于视频监控系统具有直观、方便和应用广泛的特点，视频监控在实际应用中得到了很好的发展。本文分析了光纤通信系统，并在此系统中，仔细研究了数字视频光端机的发射端和接收端的设计原理，根据视频数字光端机目前在监控领域的应用范围，利用光纤通信系统来实现视频的远程传输，并在此次设计中将串并转换技术运用到数字视频光端机的研制中。综合以上的设计需求及设计要求，在这次设计中根据设计出的原理图完成硬件设计和线路编码的软件程序，最终在PCB板中实现出来。整个设计避免了模拟视频光端机所带来的弊端，具有很高的应用价值。光端机的主要包括两个部分：光发射机和光接收机。这两部分包含视频信号处理部分、控制信号处理部分，以及光模块部分，在视频信号处理部分,主要是通过A/D或D/A转换、线路编译码以及并/串(串/并)转换来实现的。其中，线路编码通过在CPLD 内VHDL编程实现。本设计根据设计要求进行系统分析，选择合适的器件，设计出电路原理图。并对硬件做详细的分析以及软件程序的编写。
目 录
第一章 绪论 1
1.1光端机介绍 1
1.2 光端机发展现状及趋势和前景 1
1.3 光纤特征 2
第二章 光发射端硬件设计方案 4
2.1整个设计方案介绍 4
2.2 本设计存在实际意义和完成的任务 4
2.3 光发射机 5
2.3.1光发射机的组成部分 5
2.4光发射端设计 5
2.4.1视频信号的采样 6
2.4.2视频信号的放大 6
2.4.3视频信号的同步分离 7
2.4.4彩色视频信号的原理及组成 8
2.5视频信号的模数转换 9
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2.6 CPLD 线路编码 10
2.7 LV1203A并串转换 10
2.7.1 LV1023A工作模式的介绍 11
第三章 光接收端硬件设计方案 13
3.1 光接收机 13
3.1.1光接收机的组成部分 13
3.2 光接收机的前端 13
3.2.1光电检测器 14
3.2.2前置放大电路 15
3.3 数据恢复串并转换 15
3.4 D/A转换 16
3.5辅助电路 17
第四章 软件的设计 19
4.1 可编程逻辑控制器CPLD 19
4.1.1芯片XC9572XL 19
4.1.2数字复分接技术 20
4.1.3 复接 21
4.1.4 分接 22
4.2 CPLD的使用及编程语言 23
4.3 CPLD的编程方法和编程原理 23
4.3.1ISE 23
4.3.2 VHDL硬件描述语言 23
4.3.3 VHDL重点语法及数据类型 23
4.3软件程序设计 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
绪论
1.1光端机介绍
在科技发达的今天，通信的手段也在增多，如今，最受大家青睐的是光纤通信，使之成为通信的主要手段，光纤通讯技术的不断发展，使光纤传输系统产生了越来越多的优点，并被大众所接受。
目前，光纤传输系统不仅具有容量大的特点，而且传输距离较远。理论上，光纤宽带可达到两万GHz，没有中断的传输距离可以达到五十到八十公里。由于光纤能够抗电磁干扰，传输信号的质量也很好，所以被用于电力网和变电所等强电磁的环境中。同时，光纤的重量很轻，柔软性好，容易布设，这样在日常的使用中可以接受节省贵重金属，而且抗腐蚀的能力也很强，增加了使用寿命。由于制作光纤的原料充足，制作工艺的进步以及规模的扩大，使得光纤的成本再次降低，于是整个传输系统的成本也就降低了。
光端机被广泛的应用在光纤通信中，它是将电信号改成光信号、光信号改成电信号的一种信号转换器。就目前，数字技术的飞速发展，如宽带数字光传输硬件技术和数字视频的发展，也带动了数字视频光端机在市场的发展，让数字视频光端机在短时间内就代替模拟光端机而占领了市场。现在，光端机主要是在交通、监控、安防、水利、电力等领域得到广泛的应用。
1.2 光端机发展现状及趋势和前景
当前，光纤通信成为发展迅速，技术成熟的新领域，于是它也成为现代通信的一个支撑，在我们的日常使用中，光纤通信具有不同的用途，该系统是由三个基本单元组成的，分别是光发射机、光接收机和传输光纤。在上个世纪八十年代末的时候，视频传输的业务就已经在中国的市场开始兴起，于是模拟光端机就随之发展起来。主要是在视频需求量大以及对视频质量要求比较高的领域。在当时，模拟视频光端机的应用程序还是比较容易的，都是以点对点的形式在应用。
十几年之后，光纤通信的技术得到了飞速的发展，而且也相当的成熟，市场上对视频流量的需求也在不断的增加，在这些条件的下，光端机在不断的被研究，产生了许多复杂的光端机来满足市场需求。新技术的采用，使得光端机在传输容量和传输模式得到了很大的发展和进步。此外，随着引入大规模的视频矩阵系统，视频传输也同样脱离了简单的线状传输结构，构建了一个视频网络系统，广泛用于实现视频信号的共享。光端机的应用领域不断扩大，在一定程度上，模拟光端机的传输容量在不断的增多，它的传输模式也有所发展，但是仍不能满足市场上应用的需求，出现以下一些问题是我们当时无法解决的:
（1）在市场应用中，大容量传输成本太高。在监控系统中，光端机的应用越来越来广泛，规模也越来越大，在大多数的监控项目中，这些项目一般需要传输的视频需要达到数百甚至更多。采用醋波复用的光器件，它的价格是相当高的，这个就不可避免的会导致大容量光纤收发器，传输成本大幅提高。因此如何提高单波段传输容量成为问题的关键。
（2）传输能力需要多路信号互调而不引起失真，而这个要求目前是不能满足的，在目前的现场监控中，用户需求的信号多种多样，如视频信号、音频信号等，如果每一个信号分别使用一对光端机来传输，不用多说，这其中的代价是非常大的，不仅利用效率低，而且成本也是相当高，为了改善这些问题，我们于是引进了视频多路复用技术，用一根光纤进行传输。多路信号同传时出现的干扰现象是模拟技术存在的缺陷，是模拟视频传输技术的局限所在。
（3）信号的质量突出，视频联网是难以实现的。众所周知，模拟的多路复用技术就是对信号进行调频，这样就可以减少模拟视频信号在传输过程中受到的干扰和衰减。当在增加通道来传输流量负载时，需要将信号由光信号转换成电信号来完成加载。信噪比是衡量光端机质量好坏的一个关键因素。频繁的光/电转换会积累电噪声，这样就会影响到传输的图像和声音信号的质量。现在国内外质量较好的模拟光端机的信噪比是50dB,但是已经很难再提高了。模拟通道之间的干扰也很难完全解决的问题。在大型视频联网系统中，这个问题尤为突出。
目 录
第一章 绪论 1
1.1光端机介绍 1
1.2 光端机发展现状及趋势和前景 1
1.3 光纤特征 2
第二章 光发射端硬件设计方案 4
2.1整个设计方案介绍 4
2.2 本设计存在实际意义和完成的任务 4
2.3 光发射机 5
2.3.1光发射机的组成部分 5
2.4光发射端设计 5
2.4.1视频信号的采样 6
2.4.2视频信号的放大 6
2.4.3视频信号的同步分离 7
2.4.4彩色视频信号的原理及组成 8
2.5视频信号的模数转换 9
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2.6 CPLD 线路编码 10
2.7 LV1203A并串转换 10
2.7.1 LV1023A工作模式的介绍 11
第三章 光接收端硬件设计方案 13
3.1 光接收机 13
3.1.1光接收机的组成部分 13
3.2 光接收机的前端 13
3.2.1光电检测器 14
3.2.2前置放大电路 15
3.3 数据恢复串并转换 15
3.4 D/A转换 16
3.5辅助电路 17
第四章 软件的设计 19
4.1 可编程逻辑控制器CPLD 19
4.1.1芯片XC9572XL 19
4.1.2数字复分接技术 20
4.1.3 复接 21
4.1.4 分接 22
4.2 CPLD的使用及编程语言 23
4.3 CPLD的编程方法和编程原理 23
4.3.1ISE 23
4.3.2 VHDL硬件描述语言 23
4.3.3 VHDL重点语法及数据类型 23
4.3软件程序设计 25
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
绪论
1.1光端机介绍
在科技发达的今天，通信的手段也在增多，如今，最受大家青睐的是光纤通信，使之成为通信的主要手段，光纤通讯技术的不断发展，使光纤传输系统产生了越来越多的优点，并被大众所接受。
目前，光纤传输系统不仅具有容量大的特点，而且传输距离较远。理论上，光纤宽带可达到两万GHz，没有中断的传输距离可以达到五十到八十公里。由于光纤能够抗电磁干扰，传输信号的质量也很好，所以被用于电力网和变电所等强电磁的环境中。同时，光纤的重量很轻，柔软性好，容易布设，这样在日常的使用中可以接受节省贵重金属，而且抗腐蚀的能力也很强，增加了使用寿命。由于制作光纤的原料充足，制作工艺的进步以及规模的扩大，使得光纤的成本再次降低，于是整个传输系统的成本也就降低了。
光端机被广泛的应用在光纤通信中，它是将电信号改成光信号、光信号改成电信号的一种信号转换器。就目前，数字技术的飞速发展，如宽带数字光传输硬件技术和数字视频的发展，也带动了数字视频光端机在市场的发展，让数字视频光端机在短时间内就代替模拟光端机而占领了市场。现在，光端机主要是在交通、监控、安防、水利、电力等领域得到广泛的应用。
1.2 光端机发展现状及趋势和前景
当前，光纤通信成为发展迅速，技术成熟的新领域，于是它也成为现代通信的一个支撑，在我们的日常使用中，光纤通信具有不同的用途，该系统是由三个基本单元组成的，分别是光发射机、光接收机和传输光纤。在上个世纪八十年代末的时候，视频传输的业务就已经在中国的市场开始兴起，于是模拟光端机就随之发展起来。主要是在视频需求量大以及对视频质量要求比较高的领域。在当时，模拟视频光端机的应用程序还是比较容易的，都是以点对点的形式在应用。
十几年之后，光纤通信的技术得到了飞速的发展，而且也相当的成熟，市场上对视频流量的需求也在不断的增加，在这些条件的下，光端机在不断的被研究，产生了许多复杂的光端机来满足市场需求。新技术的采用，使得光端机在传输容量和传输模式得到了很大的发展和进步。此外，随着引入大规模的视频矩阵系统，视频传输也同样脱离了简单的线状传输结构，构建了一个视频网络系统，广泛用于实现视频信号的共享。光端机的应用领域不断扩大，在一定程度上，模拟光端机的传输容量在不断的增多，它的传输模式也有所发展，但是仍不能满足市场上应用的需求，出现以下一些问题是我们当时无法解决的:
（1）在市场应用中，大容量传输成本太高。在监控系统中，光端机的应用越来越来广泛，规模也越来越大，在大多数的监控项目中，这些项目一般需要传输的视频需要达到数百甚至更多。采用醋波复用的光器件，它的价格是相当高的，这个就不可避免的会导致大容量光纤收发器，传输成本大幅提高。因此如何提高单波段传输容量成为问题的关键。
（2）传输能力需要多路信号互调而不引起失真，而这个要求目前是不能满足的，在目前的现场监控中，用户需求的信号多种多样，如视频信号、音频信号等，如果每一个信号分别使用一对光端机来传输，不用多说，这其中的代价是非常大的，不仅利用效率低，而且成本也是相当高，为了改善这些问题，我们于是引进了视频多路复用技术，用一根光纤进行传输。多路信号同传时出现的干扰现象是模拟技术存在的缺陷，是模拟视频传输技术的局限所在。
（3）信号的质量突出，视频联网是难以实现的。众所周知，模拟的多路复用技术就是对信号进行调频，这样就可以减少模拟视频信号在传输过程中受到的干扰和衰减。当在增加通道来传输流量负载时，需要将信号由光信号转换成电信号来完成加载。信噪比是衡量光端机质量好坏的一个关键因素。频繁的光/电转换会积累电噪声，这样就会影响到传输的图像和声音信号的质量。现在国内外质量较好的模拟光端机的信噪比是50dB,但是已经很难再提高了。模拟通道之间的干扰也很难完全解决的问题。在大型视频联网系统中，这个问题尤为突出。
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