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