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水下双路SDI高清视频光端机研制

发布时间:2018-04-25 13:01

  本文选题:视频监控 + HD-SDI ; 参考:《杭州电子科技大学》2017年硕士论文


【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。
[Abstract]:There are abundant resources in the ocean. With the depletion of non-renewable land resources, countries have increased the exploitation of marine resources. The great exploitation value of marine resources has promoted the continuous development of marine exploration equipment. High-definition video surveillance is an important part of marine exploration equipment. Through high-definition video surveillance, the underwater world can be more clearly understood, thus promoting the rapid development of deep-sea aquaculture, undersea operations, submarine resource development and other industries. In view of the complexity of marine environment, there is an urgent need for a marine video surveillance system with high image resolution (such as 720p / 1080PU, long transmission distance, good real-time performance and strong anti-jamming ability). The whole system is divided into two parts: deck receiving system and underwater sending system. The underwater transmission system is mainly responsible for the collection of video data and sensor data, and the multiplexing of the data, and then transmits the data to the deck receiving system through optical fiber. At the same time, the demultiplexing of the reverse control data is completed. The deck receiving system is mainly responsible for receiving data and demultiplexing, unencapsulating video data and sensor data, outputting received video data to monitor, and multiplexing the reverse control data to underwater system. In this paper, the research value of underwater high-definition optical terminal is demonstrated by analyzing the current demand and technical situation. Then, this paper introduces the principle and system structure of underwater dual-channel SDI high-definition optical machine, puts forward a design scheme of underwater dual-channel SDI(Serial Digital interface high-definition video optical terminal, and introduces in detail the hardware design and FPGA logic design of the system. The hardware of the system is designed with the FPGA of Kintex-7 series of Xilinx as the main control chip, the HD-SDI equalization / drive circuit to ensure the correct transmission of HD-SDI signal, and the clock of the system to be configured by the clock circuit. The serial transceiver circuit is used to realize the receiving and transmitting of sensor data and control signal, and the SFP optical module circuit is used to complete the logic design of optical-electric signal conversion. Verilog is used as the development language. GTX transceiver and SMPTE SD/HD/3G-SDI IP core are used to receive and transmit HD-SDI signal; reset module is designed to avoid the system from entering metastable state; HD-SDI video synchronization module is designed to ensure the integrity of effective video data. HD-SDI video timing information extraction module is designed to ensure video timing and video data alignment, using data encapsulation and unencapsulation module to complete multi-channel data transmission at the same time. The comma character control module and the data alignment module are used to ensure the consistency of the data sequence between the receiver and the sender. The key and difficulty of FPGA logic design is the design of GTX transceiver and the design of HD-SDI video module, data encapsulation and unencapsulation. Finally, the paper describes the debugging process and results of the whole system. Including HD-SDI receiving / transmitting module test, bit error rate test, transmission real-time test, color bar test and video test, 2 channels of real-time transmission of SDI high-definition video with frame rate of 25fps, resolution of 1080p and 8 channels of service data are finally realized. The test results show that the underwater dual-channel SDI high-definition video optical terminal has the advantages of high resolution, long transmission distance and good real-time performance.
【学位授予单位】:杭州电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN948.6

【参考文献】

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本文编号:1801424

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