论文总字数：34487字

目 录

1 引言 6

1.1课题背景与意义 6

1.2国内外研究现状 6

1.2.1 国内研究现状 6

1.2.2国外研究现状 7

1.3论文的内容与结构 7

2 光纤视频传输系统的总体设计 7

2.1光纤系统概述 7

2.2光纤传输系统基本特点 8

2.3视频传输光纤系统基本结构及工作流程 8

2.4 VGA接口 9

3 系统硬件的设计 11

3.1开发板平台简介 11

3.2 核心部件及接口介绍 11

3.2.1 FPGA 11

3.2.2有源晶分差振 12

3.2.3 DDR3 13

3.2.4光纤接口 14

3.2.5 QSPI Flash 15

3.3 摄像头模块 15

3.3.1 OV5640的上电要求 15

3.3.2 摄像头硬件连接 16

3.4 光纤模块 16

3.4.1 GTP发送和接收处理流程 17

3.4.2 GTP的参考时钟 17

3.4.3 GTP的FPGA TX接口信号 17

3.4.4 GTP的FPGA RX接口信号 18

4 系统软件设计 19

4.1 FPGA开发环境 19

4.2 摄像头采集传输模块 19

4.2.1软件流程图 19

4.2.1上电等待程序 20

4.2.2 OV5640寄存器配置模块 20

4.2.3 摄像头信号选择模块 20

4.2.4 摄像头图像采集模块 20

4.2.5 FIFO控制程序 21

4.2.6 DDR Bank交换程序 22

4.3 VGA 显示模块 22

4.4光纤通信模块 23

4.4.1 GTP数据包准备模块 24

4.4.2 32位数据对齐模块 25

4.4.3 GTP视频数据解析模块 26

5 系统的分析测试 27

5.1摄像头采集实验 27

5.2 GTP光纤通信测试 28

5.3 显示接口测试 29

5.4视频图像GTP光纤传输 31

参考文献 33

附录一：主要程序代码 35

基于FPGA的光纤视频传输系统设计

孔剑辉

，China

Abstract：With the rapid development of computer technology and communication technology, digital video plays an increasingly important role, the video system in the industry, service industry, radio and television, banking and so on the status of each field is also getting higher and higher. As a result, people pay more and more attention to the long-distance transmission of video. In order to realize the long-distance transmission of video, this paper will study and develop the video transmission media, hardware system core components and program modules used in optical fiber and video transmission system. This paper takes the blackboard AX7102 development board as the basic development platform, and collects the image and video from the AN5642 camera module, and then uses the ARTIX7 series of FPGA as the core of the basic model of the various modules of image acquisition, storage, processing, transmission, display and so on. Video decoding and image processing, through the GTP optical fiber transmission, and eventually built a complete sender, the receiving end of the FPGA-based optical fiber video transmission hardware system, completed the expected design goals. The experimental results show that the system can work normally, can be reflected in the camera module video information reflected in the computer monitor, the basic to meet the requirements of long-distance video transmission.

Key words：FPGA;Fiber optic video transmission;ARTIX7;GTP Fiber Optic

1 引言

1.1课题背景与意义

随着计算机技术和多媒体技术的发展以及信息传输技术的进步，传统的通信方式无法满足人们的要求，而视频图像信息具有内容丰富，直观方便被广泛应用于许多场合。由于视频传输要求的实时性高，图像容量大，往往还包含大量复杂的图像算法，因此通常采用多处理架构的嵌入式实时操作系统来完成图像信号的处理^[1]，而随着片上系统时代的到来，FPGA发挥着越来越重要的作用^[2]。FPGA具有速度快，集成度高，可编程等特性，在视频传输方面有着巨大的优势，特别是在涉及到复杂的算法时，优势尤为明显，逐渐为人们所青睐。近年来，光纤视频传输在生活中扮演着越来越重要的角色，广泛应用与道路交通，安全，监控等各个方面，因此在利用光纤进行高质量的数据，视频传输的研究显得尤为重要。因此本文在阅读大量国内外相关文献的基础上，提出并完成了基于FPGA的通过光纤进行的视频传输，利用CMOS摄像头完成视频的获取，利用ARTIX7系列的FPGA开发板完成视频的解码，传输，以及最终的显示，对于在日常生活中的使用有着重要的意义，例如工业生产，安保监控等领域有着借鉴作用。

1.2国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

目前我国光纤视频传输系统的研究方向处于一种从数字化到模拟化的过渡期，不得不承认的事实是我国对数字视频光纤传输系统的研制和过国外发达国家还有不小的差距。中国市场发展速度比较快，需求量也比较大，因此蕴含着巨大的发展潜力。

2007年，叶红军在其硕士论文中通过将视频压缩技术和光纤传输技术相结合,设计了一种基于无损压缩算法的多路数字视频光纤传输系统,系统利用时分复用和无损压缩技术,采用串行数字视频传输的方式,可在一根光纤中同时传输8路以上视频信号^[3]。

2013年，唐清善等人提出了一种基于FPGA的DVI/FPGA的视频光纤传输方案，基于不同视频格式的特性实现了自动识别分辨率功能，且基于编解码方式实现了视频行、场低速信号与视频数据的混合传输，并在FPGA中实现了RGB和YUV的双向转换^[4]。

2013年，廖加文针对大容量高清数字视频通过电缆实现远距离传输比较困难的缺点，提出了非压缩高清数字视频光纤传输设计方案，同时对传输的视频前期还原插值算法进行了研究，针对不同颜色插值算法的缺点，研究了不同插值算法的效果^[5]。

2014年，长沙理工大学的曾鹏飞在其硕士论文中采用信源编码技术，将行、场同步信号以及像素时钟信号编码插入到行消隐信号中发送，与传统的FPGA＋外部SDRAM方式相比提高了速度，也解决了需要大容量的外部SDRAM缓存的问题，实现了单路VGA（或DVI）非压缩高清视频的实时化与数字化的传输^[6]。

2014年，孙风雷，刘树昌等人在研究视频图像传输技术的基本原理基础上，采用一种以FPGA为核心的高清视频图像光纤传输系统采用HDMI接口作为高清数字视频图像数据的输入接口，利用FPGA的高速并行特性完成了高清数字视频图像的采集、预处理以及数据流的缓存控制，并通过HDMI接口输出高清视频图像^[7]。由此可见，中国的光纤视频传输技术虽然起步较晚但是发展前景较好，随着FPGA的发展以及光纤技术的发展，国内还会涌现出更多的能够适应时代潮流的基于FPGA的设计。

1.2.2国外研究现状

视频传输经过多年的发展，逐渐从最开始的数字化，再到模拟化，再到网络化，发生了一系列的变革，随着科技的发展，国外的视频传输领域也在不断取得令人瞩目的成就，其主要成就主要应用于视频监控领域。前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统的发展向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化^[8]。虽然国外的FPGA厂商们都能够找出属于自己的可以编程的解决方案，但是基于片上系统利用率的增加，其功耗也就随之增加，所以功耗问题不得不引起人们的重视，视频传输发展的大方向应该是向着网络化去发展，但这是一条长而艰难的道路，还需要很长的一段时间去实现。

1.3论文的内容与结构

本文对视频光纤传输系统的总体方案和系统结构进行了深入的分析与研究，并在此背景下，针对VGA图像的格式特点，提出并开发了基于FPGA数字视频光纤传输系统，并最终通过实验论证本课题的可行性。本文的主要内容包括：

第1部分 课题的背景与意义，介绍FPGA及光纤视频传输的国内外研究现状以及发展状况。

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