一种基于FPGA的光路传输视频流系统的设计

摘要

近年来无线通信技术发展迅猛,给人们的生活带来非常巨大的影响,比如说在移动通信领域已经普及的3G技术以及正在全面推广的4G技术,无线局域网中经常用到的WiFi技术等,都极大的便利了现代人的生活和工作方式。随着白光LED照明技术的发展,如何实现利用LED光传输无线通信信号成为了一大研究热点。本文基于上述思想,设计了一个LED光传输网络视频流的实验方案,并通过实际的软硬件电路将方案付诸实践。
　　本论文的创新点在于结合了LED灯光照明与无线通信的优势,通过LED光来传输以太网数据流,这样既可以解决无线通信中带宽有限,功耗太大等固有的不足,又具有节能环保的巨大优势。
　　本系统利用高速闪烁的LED光传输以太网视频流,其实验原理就是将以太网格式的视频流信息转换成串行信号去驱动LED灯,高低电平控制着灯的亮灭,然后通过光电转换模块将串行信号恢复,最后由串行信号转换为GMII格式以太网数据供后面的接收端接收和播放。实验方案如下:视频发送由PC机上的VLC软件通过网卡传送到网线上;然后通过FPGA电路与以太网PHY芯片为主组成发送板, PHY芯片负责完成网线接口到FPGA接口(GMII格式)数据的转换,FPGA完成数据缓存,报文解析,通道切换与并串转换等;带有以太网数据的串行信号去驱动LED电路,产生高速闪烁的光路,再由光电转换电路完成光信号到串行数据信号的转换;接收板的主芯片包括了FPGA和PHY芯片,FPGA完成数据的恢复和发送,PHY则完成GMII格式数据到RJ45接口数据的转换以方便网线与PC机之间的数据通信;最后,接收PC通过VLC完成对视频的接收和播放。
　　本系统设计完成后,对其进行了整体测试,目前的测试结果均满足甚至超过客户提出的需求。包括:光路传输带宽为20M;视频流可通过UART、UDP端口号设置进行灵活切换;视频流延迟小于0.5秒;视频流可同步清晰播放,播放过程中无丢帧现象或丢帧率为0。
　　目前,本系统目前已经顺利完成联合调试,下一步可以升级系统设计以满足市场需求。同时,本课题内容为其他LED光通信设计者提供了参考。

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第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 课题内容

1.3 课题意义

1.4 论文章节安排

第二章 视频传输系统方案及原理

2.1 系统架构

2.2 以太网简介

2.3 光路传输

2.4 FPGA简介

2.5 本章小结

第三章 FPGA硬件架构及设计

3.1 硬件架构设计

3.2 器件选型

3.3 硬件电路设计

3.4 本章小结

第四章 软硬件协同设计

4.1 发送方FPGA代码设计

4.2 接收方FPGA的VHDL代码设计

4.3 Microblaze中的C代码设计

4.4 上位机发送命令

4.5 本章小结

第五章 调试问题及结论

5.1 以太网帧格式引起的问题

5.2 光路设计中线性范围问题

5.3 Microblaze设计引起的配置信息加载问题

5.4 测试方法及结果

5.5 结果分析

5.6 结论

5.7 本章小结

第六章 测试结果及总结

6.1 论文总结

6.2 创新点及优势

6.6 本章小结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果