水下双路SDI高清视频光端机研制

摘要

海洋中蕴藏着丰富的资源，随着陆地不可再生资源的日益枯竭，各国加大了对海洋资源的开发。海洋资源的巨大开发价值促进了海洋探测设备的不断发展，高清视频监控是海洋探测设备的重要组成部分。通过高清视频监控能够更清晰地了解水下世界，从而推动深海养殖、海底作业、海底资源开发等产业领域的快速发展。鉴于海洋环境的复杂性，迫切需要一种图像分辨率高（如720P/1080P）、传输距离远、实时性好、抗干扰能力强的海洋视频监控系统。
　　本文将整个系统分为甲板接收系统和水下发送系统两部分。水下发送系统主要负责视频数据、传感器数据的采集，并完成数据的复用，然后通过光纤将数据发送到甲板接收系统；同时完成反向控制数据的解复用。甲板接收系统主要负责接收数据并进行解复用，将视频数据和传感器数据解封装，并将接收到的视频数据输出至监视器；同时将反向控制数据复用传输至水下系统。
　　本文首先通过分析目前的需求和技术状况，论证了水下高清光端机的研究价值。然后介绍了水下双路SDI高清光端机的相关原理和系统结构，提出了一种水下双路SDI（Serial Digital Interface）高清视频光端机的研制方案，并详细介绍了系统硬件设计和 FPGA逻辑设计。系统硬件设计以Xilinx公司的Kintex-7系列的FPGA为主控芯片；以HD-SDI均衡/驱动电路保证HD-SDI信号的正确传输；利用时钟电路配置系统所需的时钟；采用串口收发电路实现传感器数据与控制信号的接收与发送；利用 SFP+光模块电路完成光-电信号的转换。FPGA的逻辑设计以Verilog为开发语言，利用GTX收发器及SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核完成HD-SDI信号的接收和发送；设计复位模块避免系统进入亚稳态状态；设计HD-SDI视频同步模块保证视频有效数据的完整性；设计HD-SDI视频时序信息提取模块来保证视频时序和视频数据对齐；利用数据的封装及解封装模块完成多路数据的同时传输；利用comma字符控制模块及数据对齐模块保证数据在接收端和发送端顺序的一致性。其中FPGA逻辑设计的重点及难点在于GTX收发器的设计、HD-SDI视频相关模块的设计、数据的封装及解封装的设计等。
　　最后，论文描述了整个系统的调试过程及结果。包括HD-SDI接收/发送模块的测试、误码率的测试、传输实时性测试、彩条测试以及视频测试，最终实现了2路帧率为25fps、分辨率为1080P的SDI高清视频和8路业务数据的实时传输。通过测试表明本文研制的水下双路SDI高清视频光端机具有分辨率高、传输距离远、实时性好等特点。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的背景与意义

1.3 国内外研究现状和发展趋势

1.4 本课题的主要研究内容和工作

1.5 本章小结

第2章 相关技术原理概述

2.1 HD-SDI接口

2.2 高速串行技术

2.3 8B/10B编码/解码技术

2.4 光纤通信技术

2.5 多路复用技术

2.6 本章小结

第3章 系统方案设计与分析

3.1 系统整体结构

3.2 系统方案对比分析

3.3 系统方案设计

3.4 FPGA选型

3.5 本章小结

第4章 系统硬件设计与实现

4.1 供电系统

4.2 HD-SDI均衡电路

4.3 HD-SDI驱动电路

4.4 时钟电路

4.5 串口接收/发送电路

4.6 SFP+光模块电路

4.7 本章小结

第5章 FPGA逻辑设计与仿真

5.1 FPGA系统设计流程

5.2 开发平台及仿真平台介绍

5.3 GTX收发器设计

5.4 SMPTE SD/HD/3G-SDI IP核设计

5.5 逻辑设计实现及仿真

5.6 本章小结

第6章 系统调试

6.1 模块测试

6.2 高速串行链路测试

6.3 光纤衰减测试

6.4 彩条测试

6.5 系统的联调

6.6 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录