康 博

（国家广播电视总局二〇二二台，新疆 喀什 844000）

0 引 言

传统的发射机数据传输系统大多利用I/O查询或单片机中断系统控制整个系统，但这两种方法在数据传输时都需要CPU干预，其处理速度较慢、误码率较高，难以满足多通道、大量的数据传输[1,2]。因此，本文设计基于FPGA的发射机数据稳定传输系统，提高数据传输速率，降低误码率。对于发射机的数据传输系统来说，加入FPGA可保证数据传输的稳定性[3,4]。

1 基于FPGA的发射机数据稳定传输系统硬件设计

本系统的硬件设计主要包括发送数据设备和接收数据设备，这两种设备都具有视频、音频及数据处理的功能，其中FPGA是实现这些功能的核心。

1.1 微控制器FPGA

核心控制程序采用的微控制器包括MCU、DSP以及FPGA，其中MCU的特点是主频较低、数据处理能力不高以及接口资源非常有限。DSP有很强的数据处理能力，主频相比其余处理器较高，但芯片价格也较高，接口可用资源较少。本文系统采用FPGA实现对系统的控制，FPGA器件采用的芯片性价比很高，共有4 608个逻辑单元，内嵌RAM的内存为119 808 bits，包含两个PLL通道和58个差分通道，可供系统灵活设计[5-7]。

利用FPGA可实现接收和发送光信号。光纤的收发程序接收到光信号后，会传送给FPGA模块，FPGA将其还原为模拟视频、音频或数据信号以显示现场状况，并根据现场状况分析，最后使用光纤把控制指令发送回现场。除此之外，控制室的管理人员还可通过MIC键盘将数据和语音信号传给FPGA处理。

目前，系统的数据电平转换设备大多使用RS232和RS485型号转换器传输数据。前者的传输速率可达到250 kb/s，且消耗能量低、工作速率高，能更好地进行ESD保护。后者可实现500 kb/s的高速传输数据。二者的电路结构简单，使用非常方便。

以上设备相结合能满足基于FPGA的发射机数据稳定传输系统中硬件设计的需要，为高速远距离传递信号的实现提供基础。

1.2 视频缓冲放大器及转换芯片的设计

硬件设计中除微控制器外，还包含视频缓冲放大器的设计。传统视频设备所传输的数据容易被识别。本文采用的视频缓冲器可优化接收到的视频信号，空间占用小，具有更优质的性能[8]。并且在DAC影像运行时，放大器可自动停止缓冲，提高视频信号的清晰度。

A/D转换芯片能够收集数据，其质量直接影响采集的视频和音频。发射机转换视频的A/D转换芯片需要方便控制视频信号，如果使用标准的采样时钟，信号就是当时的数字化视频流，接收信号的终端就能收到高清晰度的视频图像[9]。

音频的转换芯片种类繁多，各有其长。要选择性能高、耗能低、适配性好以及有断开功能的芯片。此次选用的音频芯片不仅占用PCB面积低于25 mm2，且能在小功率工作条件下提高录放音的保真程度。

D/A转换器可在设备收到信息后对信息进行取逆处理，还原视频音频信号。D/A转换器要与发送信号的A/D程序相对应，在转换时间、线性程度、转换精度、分辨率大小以及适宜温度等方面高度契合。TLC5602芯片能够满足系统设计需要，在使用时控制方便，与FPGA的数字接口契合，本文将其应用在接收设备上还原信号[10]。音频的D/A转换一并由TI公司TLU320AIC23芯片来完成。

硬件设计中，串并、并串转换程序上的芯片可对信号进行编码和解码，把差分的串行传给至光程序，使信号的传输准确有效。本文选用的收发芯片是+3.3 V直流电源供电，传输时钟频率为10～66 MHz，能把串行的信号传输给光程序，完成数据传输。

2 基于FPGA的发射机数据稳定传输系统软件设计

系统的软件设计是利用神经网络和粒子群算法实现。要想达到数据传输效果最优，需要把数据传输的损失量降到最低。考虑到数据在缓存时存在延时，综合实际情况得到代价函数为：

式中，α(tk)、βi(tk)、γ(tk)以及λ(tk)分别表示各影响因素的权重；u代表数据传输过程的损失量；Ri(tk)表示缓存延时；L(tk)表示数据传输时间。

想要获得最优的传输效果，需要让J(u)变小，但是由于J(u)是非连续的非线性函数，因此不能使用常规方法优化，且函数的自变量维数很高，计算量较大。因此需要找到简单的运算方法来提高计算速度，以保证在规定的时间内找到次优解。神经网络有很好的非线性映射性，绘制出两层的前馈神经网络如图1所示。

图1 多层前馈神经网络

采用图1所示系统的各状态变量来作为输入，输出看作是式（1）中所要求的u，则其映射可表示为：

式中，N表示数据交换节点；(W,p)表示节点在网络中的坐标。

粒子群算法是一种通过概率找到最优的算法，对目标函数的要求不高，很合适存在高维变量的问题。本文选用经过改良的粒子群优化算法可实现输出寻优，迭代所需次数后，求得次优解。

3 实验分析

为验证本文设计系统具有更好的传输性能，设计在相同传输距离下，统计本文系统和传统系统传输的误码率。在传输不同接收光功率情况下，两系统的传输误码率情况如表1所示。

表1 误码率性能比较

从表1中的对比结果可以看出，当传输距离相等时，本文系统的误码率比传统系统的误码率低，说明本文系统的性能得到提升，也验证了本文系统在改善误码率方面具有一定效果。

4 结 论

本文阐述系统的总体构思及软件设计和硬件设计方案。硬件的研发上主要研究了硬件的组成、选择电路以及可实现的功能，着重介绍FPFA光纤传输过程的实现及其余设备的运行情况。在软件方面采用粒子群算法降低数据传输的误码率。经实验表明，本文系统的误码率远低于传统系统，具有应用价值。