CN211089820U - 一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及通信技术，具体涉及一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端，包括数据发送单元、数据接收单元、空间光通信单元及时钟单元；数据发送单元包括数据编码模块、第一FIFO缓存模块、数据发送模块、第一光电转换模块；数据接收单元包括第二光电转换模块、数据接收模块、第二FIFO缓存模块、数据解码模块；空间光通信单元包括准直器及光纤；时钟单元用于控制系统同步传输。该终端采用空间光通信方式，对高速视频进行实时高清传输，打破了穿孔视频传输布线复杂，价格昂贵等缺陷。能够实现视频数据的高清、无损、实时传输；打破了传统视频传输的有线限制，并具有较强的抗干扰性，能够在不同大气信道环境下保持低误码率。

Description

一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，尤其涉及一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端。

背景技术

移动激光通信又称为自由空间光通信(Free-Space Optical Columniation，简称FSO)或称大气光通信，是目前世界上公认的一种先进的通信手段，有可能成为下一代通信网络中一种最为重要的宽带接入手段，无论是在以后的商业网络还是军事网络都将扮演重要的角色。与传统的光纤通信相比，FSO的优势在于使信号脱离了光纤的束缚，具有工作频率高、方向性强、传输码率高、天线尺寸小、保密性强等优点，与有线通信相比，其不受地域限制、应用灵活等特点，是未来人类进行信息交互最便捷，最有效的立体化通信手段之一，在民用及军用领域均具有广泛应用前景和巨大市场潜力的通信系统。

伴随着科技的发展，我们身边智能手机、平板电脑等智能无线产品的数量越来越多，各种科技产品在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，科技不仅方便人们的生活，同时也提出了挑战，无线通信设备的爆炸式增长导致了无线电频谱的日益拥堵，众所周知，无线电频谱是一种宝贵的资源，也是一个国家重要的战略资源。可以预见的是，伴随着5G通信网络的推广和发展，未来几年内，通信容量将会是现在的数百倍乃至上千倍，这必然会导致无线电频谱的稀缺度越来越大。这就是人们常说的无线电频谱危机，在这样一种发展趋势下，传统的无线电已经出现瓶颈。

FSO具有以下几个方面的优势：

1、传输速率高。自由空间光通信的通信速率优势无可比拟，可以达到数千兆之高，是传统无线电通信速率的上百倍乃至上千倍，是目前通信速率最快的通信方式。

2、保密性好。自由空间光通信采用的传输信息的载体是激光，而激光独特的物理特性就是其发散角非常小，方向性很单一，因此不会被窃取信息。

3、电磁兼容性好。自由空间光通信采用的是红外光进行通信，可以应用于一些对电磁环境要求比较高的通信环境，并且不受复杂电磁环境的干扰。

因此，我们采用空间光通信方式，对高速视频进行实时高清传输，打破了穿孔视频传输布线复杂，价格昂贵等缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可靠有效的、基于空间光通信的、实时高清传输的高速视频传输终端。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端，包括数据发送单元、数据接收单元、空间光通信单元及时钟单元；数据发送单元包括数据编码模块、FIFO缓存模块、数据发送模块、第一光电转换模块；数据接收单元包括第二光电转换模块、数据接收模块、FIFO缓存模块、数据解码模块；空间光通信单元包括准直器及光纤；时钟单元用于控制系统同步传输。

在上述的基于空间光通信的高速视频数据传输终端中，数据发送单元和数据接收单元采用Xilinx Artix-7 XC7A35T主芯片，自行搭建FPGA外围电路，制成FPGA开发板，实现视频数据的接收、转化、压缩、编码、光电转换及发送。

在上述的基于空间光通信的高速视频数据传输终端，空间光通信单元采用GCX-L010准直器，实现光的耦合与对准。

本实用新型的有益效果：能够实现视频数据的高清、无损、实时传输；打破了传统视频传输的有线限制，并具有较强的抗干扰性，能够在不同大气信道环境下保持低误码率。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例系统结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例各模块连接关系示意图；

其中，1-发送端开发板，2-发送端准直器，3-光路，4-HDMI数据线，5-光纤，6-接收端开发板，7-接收端准直器；

图3为本实用新型一个实施例FPGA开发板结构图；

图4为本实用新型一个实施例的准直器示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端，包括数据发送单元、数据接收单元、空间光通信单元及时钟单元。

其中，数据发送单元包括数据编码模块、FIFO缓存模块、数据发送模块(高速收发器同步单元、高速收发器)、第一光电转换模块(光模块发送)；数据接收单元包括光第二电转换模块(光模块接收)、数据接收模块(高速收发器同步单元、高速收发器)、FIFO缓存模块、数据解码模块；空间光通信单元主要由准直器及光纤组成；时钟单元控制系统进行同步传输。

并且，数据发送单元和数据接收单元采用Xilinx Artix-7 XC7A35T主芯片，自行搭建FPGA外围电路，制成FPGA开发板，实现视频数据的接收、转化、压缩、编码、光电转换及发送。

并且，空间光通信单元采用GCX-L010准直器，实现光的耦合与对准。

具体实施时，如图1所示，一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端，由数据发送单元、数据接收单元、空间光通信单元及时钟单元构成。数据发送单元包括数据编码模块、FIFO缓存模块、数据发送模块(高速收发器同步单元、高速收发器)、第一光电转换模块(光模块发送)；数据接收单元包括第二光电转换模块(光模块接收)、数据接收模块(高速收发器同步单元、高速收发器)、FIFO缓存模块、数据解码模块；空间光通信单元主要由准直器及光纤组成；时钟单元控制系统进行同步传输。

如图2所示，信号经视频发送端通过HDMI数据线4传输至发送端FPGA开发板1，再通过光纤5传递至发送端准直器2，发送端准直器2通过光路3传递至接收端准直器7，再通过光纤5传至接收端FPGA开发板6，然后通过HDMI数据线4传输至视频接收端。

具体实现过程如下：数据发送单元输入1080P HDMI信号，经8B10B编码使用了FIFO乒乓缓存作为视频信号的输入和输出缓冲，缓冲后的数据通过高速收发器实现并串转换，并且通过激光发射出高速的串行信号，在接收端探测器检测解调光信号，并由第一光模块实现光电转换，转换后的差分电信号输入到高速收发器的接收器，最后由高速串行数据恢复成低速并行数据，并经过信息处理单元恢复出视频数据，最终将信号发射出去，在显示设备上显示出视频图像。

如图3所示，数据发送单元包括Artix-7 FGPA，包括信号转化模块、数据编码模块、数据发送模块(高速收发器同步单元、高速收发器)、第一光电转换模块(光模块发送)。其中，信号转化模块采用芯片ADV7611；数据编码模块由主芯片实现，数据发送模块由芯片中GTP高速收发器实现，第一光电转换模块采用华为SFP+万兆光模块，光信号波长为1550nm，传输速率最大可达到10Gbps。

当HDMI信号输入后，通过ADV7611芯片对HDMI信号进行处理。ADV7611是一款高质量、单输入、高清晰度多媒体接口(HDMI)接收器。经自定义IP核IIC_ADV7611处理后，RGB信号转化为24位YUV信号，得到并行视频数据流，输出至FPGA。

数据编码模块采用8B10B编码，将外部HDMI进来的视频流用FIFO进行缓冲，由于在IP核设置GTP对于外部接口为32位，所以图像应为16位进32位出，以视频VSync信号上升沿时刻算起，当VSync上升沿到来时，将上升沿编码为：32'h55_00_00_bc,32'h55_00_01_bc,当FIFO中的数据量达不到要求时，发送无效数据：32'h55_00_02_bc，32'h55_00_03_bc交替发送。

对于1080P的视屏，16位为一个像素点，他的时钟是148.5Mhz左右，GTP在此工程中设置为5Gbps，在IP核中可以看到，user_clk2为125M，这是相对于32位数据而言，相对于16位数据而言，它相当于250M，即此模块FIFO的写时钟是148.5，FIFO的读时钟是125，但是是32位的读时钟，对于16位数据也就相当于FIFO读时钟是250,148.5和250基本差距有点大就压把FIFO缓存设置大一些，不至于被读空，这个FIFO_VTH的设置和视频输入分辨率和GTP的传输速率相关。

当FIFO中数据达到上述要求后，首先发送1个32位的：32'h55_00_04_bc表明一行就要开始传输，然后发送每行数据行号+bc,紧接着将FIFO中的数据依次发出去，发送完一行数据后，发送32'h55_00_05_bc，表明一行数据发送完成，紧接着发送上述的无效数据：32'h55_00_02_bc，32'h55_00_03_bc交替发送，等待VSync下降沿到来，将其编码为32'h55_00_06_bc，32'h55_00_07_bc发出，到此一行发送结束，以同样的编码将视频流每一行的数据发送给GTP即可。

同步信号以及穿插的无用信号的高24位皆为自定义，低8位为bc，bc是k28.5的控制字符，将其在IP核中进行设置；代码中有coded_ctr信号，这个信号共4bit，每个bit对应coded_data的一个字节，表示发送数据里面某个字节为K码，也就是所说的bc，由于bc在低8位，因此把4bit中的0位置1；k码将来在我们GTP接收到数据后，可以查看数据是否错位，如果错位可以将数据对齐。

在视频数据完成编码后，则要经过数据发送模块将数据发送至第一光电转换模块。

视频数据经过数据编码模块实现8B10B编码后，进入发送缓存区，该缓冲区主要是PMA子层和PCS子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速Serdes进行并串转换。

本项目通过配置GTP核来实现数据的发送。

空间光通信单元主要由准直器组件及光纤组成，可保证激光信号成功从信源端发送及被接收端接收。

光纤准直器(fiber collimator)如图4所示，采用GCX-L010，长度56.1mm，直径26.4mm。它由尾纤与透镜精确定位而成。它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)发送外界，或将外界平行(近似平行)光耦合至光纤内。

视频发送端，接收到光模块传出的光信号后，并通过单模光纤传至发送准直器；发送准直器将光纤内传输光变为平行的准直光，发送至外界(空间中)。

视频接收端，接收准直器接收到空间光后，将其耦合至多模光纤内，由多模光纤将接收到的空间光信号传至光模块。

数据接收单元包括Artix-7 FGPA，包括第二光电转换模块、数据接收模块(高速收发器同步单元、高速收发器)、数据解码模块。数据接收单元与数据发送单元硬件配置相同。

首先经过光电转换模块，将空间光信号转化为电信号，之后配置GTP核对数据进行接收，最后进行解码步骤，将GTP接收并对其的数据进行解码，将10位的数据分为低6位和高4位，然后对低6位进行6B/5B编码，高4位进行4B/3B编码，最后再将5位和3位合在一起。同样的，解码时可以通过对照标准表格查表的方式实现。

在实际调试中，当数据通过逻辑分析仪可以发现有时候发送的32位数据会出现16位的数据位移，这时候我们就可以利用K码来进行数据的帧同步。因为在数据位移时，K码同样会发生错位，通过这一点我们就可以通过计算K码的移位数，以此来进行数据对齐，实现视频信号的帧同步。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种基于空间光通信的高速视频数据传输终端，其特征是，包括数据发送单元、数据接收单元、空间光通信单元及时钟单元；数据发送单元包括数据编码模块、第一FIFO缓存模块、数据发送模块、第一光电转换模块；数据接收单元包括第二光电转换模块、数据接收模块、第二FIFO缓存模块、数据解码模块；空间光通信单元包括准直器及光纤；时钟单元用于控制系统同步传输。

2.如权利要求1所述的基于空间光通信的高速视频数据传输终端，其特征是，数据发送单元和数据接收单元均采用Artix-7 FGPA，数据发送单元包括信号转化模块、数据编码模块、数据发送模块、第一光电转换模块；其中，信号转化模块采用芯片ADV7611，数据编码模块由主芯片实现，数据发送模块由芯片中GTP高速收发器实现，第一光电转换模块采用华为SFP+万兆光模块，光信号波长为1550nm，最大传输速率为10Gbps；数据接收单元包括第二光电转换模块、数据接收模块、数据解码模块。

3.如权利要求1所述的基于空间光通信的高速视频数据传输终端，其特征是，空间光通信单元采用GCX-L010准直器，实现光的耦合与对准。

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