引言

数字化视频摄像机等输出设备，一般都以Cameralink的数据格式提供数字视频信号。Cameralink技术是美国国家半导体公司提出的一种新型数字相机接口技术，具有数据传输速度快，通信和控制功能强，接口方便等特点，该技术在视频信号传输设计中得到广泛应用。

光纤技术是20世纪70年代迅速发展起来的新兴技术，主要涉及光纤传感和光纤传输两个方面^[1]。光纤通信因其损耗低、传输频带宽、容量大、抗电磁干扰能力强，以及质量轻、尺寸小等优点，不仅在民用领域取得飞速的发展，在军用方面也受到各发达国家政府和军方的重视和青睐^[2]。

目前，常用的Cameralink视频信号的光纤传输技术中，在光发射端，先要通过解串行的芯片将视频信号转化为并行信号，再对此信号进行编码，最后通过串行化电路转化为光发射模块可以识别的串行信号，在光接收端再做一次与发射端逆向的信号处理，整个过程相对来说比较复杂^[3-4]。为此，本文提出了基于MAX9249/MAX9268的Cameralink视频信号的光纤传输方案，采用单端单片集成的方式实现了Cameralink视频信号的光纤传输，并予以实现和验证。

1   Cameralink视频信号光纤传输技术研究

1.1   Cameralink视频信号光纤传输原理

Cameralink接口采用美国National Semiconductor公司的Channel link技术作为基础，Channel link技术是低电压差分信号(LVDS)技术在数字领域的一种应用，数据传输率大于1.6 Gbit/s。它采用数据线复用的方法，这样能够减少传输电缆的导线数目，从而降低屏蔽要求、减小接插件体积、增加强度，使电缆加工变得容易。Cameralink的信号包括视频、控制、串行通信3个部分，视频部分是Cameralink的核心，由5对差分信号组成，其中包括4对差分数据信号和1对差分锁相时钟信号，差分数据的传输速率一般在1.6 Gbit/s~2.7 Gbit/s之间^[5-6]。

Cameralink视频信号在光纤传输过程中，在发送端先通过串并转换器转换成并行数据，进行数据的复用，成为一组并行数据信号，通过并串转换电路转换成串行数据流，驱动光模块发光。在接收端光接收模块将接收光纤中的光信号转换成差分电信号送入串并转换电路，输出的并行数据通过解码、解复用，输出并行视频数据，再经过并串电路转换成串行数据，输出到Cameralink视频信号接收端。如图 1所示。

图  1  Cameralink视频信号光纤传输流程

Figure  1.  Flow chart of Cameralink video signal optical fiber transmission

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1.2   常见Cameralink视频信号光纤传输系统

目前常见的Cameralink光纤传输方案有2种：基于TLK2711的Cameralink光纤传输方案和基于MAX9259/MAX9260的Cameralink光纤传输方案。

1.2.1   基于TLK2711的Cameralink光纤传输系统

文献[7-8]对目前常见的基于TLK2711的Cameralink光纤传输系统进行了介绍，其原理框图如图 2所示。CameraLink采用LVDS信号传输数据，根据CameraLink标准及硬件接口电路要实现的功能：LVDS信号至CMOS/TTL信号的转换，相机的控制以及图像采集卡与相机间的异步串行通信。采用NI公司的DS90CR286来实现CameraLink硬件接口电路。FPGA实现CameraLink接口芯片和高速收发器芯片TLK2711之间的数据通信。光模块实现电信号和光信号之间的转换，再通过光纤进行数据传输。

图  2  基于TLK2711的Cameralink光纤传输原理

Figure  2.  Cameralink optical fiber transmission principle based on TLK2711

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1.2.2   基于MAX9259/MAX9260的Cameralink光纤传输系统

文献[9-11]为目前常见的基于MAX9259/MAX9260的Cameralink光纤传输系统，其传输原理框图如图 3所示。该方案与1.2.1节中方案的最大区别是用MAX9259/MAX9260代替了TLK2711。这种光纤传输方案的优势在于MAX9259/MAX9260拥有足够位数的并行总线，避免了复杂的复用/解复用，对FPGA性能要求不高。

图  3  基于MAX9259/MAX9260的Cameralink光纤传输原理

Figure  3.  Cameralink optical fiber transmission principle based on MAX9259/MAX9260

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2   基于MAX9249/MAX9268的Cameralink视频信号光纤传输方案

从图 1可以看出Cameralink视频信号光纤传输过程中，最关键的步骤有两部分：第一，在发送端从Cameralink视频信号到光发射模块之间的信号转换过程；第二，在接收端从光接收模块到Cameralink视频信号之间的信号转换过程。由1.2节可以看出，目前常用的传输方案中，这两部分信号转换过程每一个模块都需要相应的电路完成，导致整个传输系统硬件电路比较复杂。因此，本文设计了一种基于MAX9249/MAX9268的Cameralink视频信号光纤传输方案，传输原理如图 4所示，发送端由MAX9249和光发射模块构成，由MAX9249对Cameralink信号进行解串行化、编码、串行化得到CML信号驱动光模块，接收端由光接收模块和MAX9268构成，由光接收模块将光信号转换成CML信号，再通过MAX9268对信号进行解串行化、解码、串行化得到Cameralink信号。

图  4  基于MAX9249/MAX9268的Cameralink光纤传输原理

Figure  4.  Cameralink optical fiber transmission principle based on MAX9249/MAX9268

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从图 4可以看出，该传输方案比图 2、图 3所示方案结构相对简洁，文中将分别从发送端硬件电路、接收端硬件电路和光收发模块选型3个关键方面详细介绍该传输方案。

2.1   发送端硬件电路设计

Cameralink是一种通信应用的视频接口，采用4组LVDS差分数据和1组LVDS差分时钟信号，而光发射模块需要1组串行数据信号驱动。因此，首先需要将4组串行数据转换成多路并行数据；然后对并行数据进行复用，将4路数据的时分合成，使其成为1路信号；再对这路信号进行编码，从而解决串行数据流中逻辑1和逻辑0的平衡，防止串行信号中直流电平的偏移，使其满足光纤信号传输数据的要求，有利于串行信号数据的数据接收与辨识，降低数据的误码率；最后，再将这组信号进行串行化，以驱动光发射模块。

为实现上述一系列功能，选用MAX9249芯片，低电压差分信号系统接口MAX9249串行器利用Maxim公司的多媒体串行连接(GMSL)技术，和GMSL解串器一起为高速视频信号的连接传输构成一个完整的数字信号串行连接。MAX9249支持3通道和4通道数据传输，4通道模式同时处理4路LVDS数据信号，可以处理速度高达2.5 Gb/s的差分信号，因此可以用来处理Cameralink视频信号。

首先需要对MAX9249进行配置：SSEN=low表示为无频偏扩展，DRS=low表示为RXCLKIN输入范围为12.5 MHz到78 MHz(4-channel mode)，BWS=high表示为总线宽度为4-channel mode，MS=low表示模式选择为base mode。在设置了4通道数据传输模式的情况下，芯片内部对4路LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号进行解串行化、编码、串行化。MAX9249内部信号流程如图 5所示，其中RXIN0_-、RXIN0₊、RXIN1_-、RXIN1₊、RXIN2_-、RXIN2₊、RXIN3_-、RXIN3₊为4组LVDS数据输入信号，RXCLKIN_-、RXCLKIN₊为1组LVDS时钟输入信号，由CCD相机接入。OUT_-、OUT₊为差分CML输出信号，送给光模块。

图  5  MAX9249四通道数据传输模式工作流程

Figure  5.  Flow chart of MAX9249 4-channel data transmitting mode

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2.2   接收端硬件电路设计

在接收端需要做的是，将光接收模块输出的1组串行数据转换为4组LVDS差分数据和1组LVDS差分时钟信号。因此，首先需要将光接收模块输出的1组串行数据解串成并行信号，再对信号进行解码、解复用得到4路数据和时钟信号，最后将信号串行化为4组串行差分数据和1组时钟信号。

为实现以上一系列功能，选用GMSL解串器MAX9268芯片。首先需要对MAX9249进行配置：SSEN=low表示为无频偏扩展，DRS=low表示为TXCLKOUT输出范围为12.5 MHz到78 MHz(4-channel mode)，BWS=high表示为总线宽度为4-channel mode，MS=low表示模式选择为base mode。在设置了4通道数据传输模式的情况下，芯片内部对光模块输出的CML信号进行解串行化、解码、串行化，如图 6所示，其中IN_-、IN₊为从光模块得到的CML输入信号，TOUT0_-、TOUT 0₊、TOUT 1_-、TOUT 1₊、TOUT 2_-、TOUT 2₊、TOUT 3_-、TOUT 3₊为4组差分数据输出信号，TXCLKOUT_-、TXCLKOUT₊为1组时钟输出信号，输出到计算机采集卡。

图  6  MAX9268四通道数据传输模式工作流程

Figure  6.  Flow chart ofMAX9268 4-channel data transmitting mode

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2.3   光收发模块的选型

光模块选用国产收发一体模块，供电+3.3 V，最大传输速率为2.5 Gb/s，通过波长1 310 nm实现光纤传输。光纤收发模块实现光信号与电信号之间的双向转换功能，转换过程中不改变数据流的编码，不对数据做其他处理，只用于点对点的连接。在信号的发送端，将由MAX9249电路输出的光模块所需要的PECL，通过电流耦合的方式，连接到光模块的数据发送管脚上，驱动光模块发光。在光信号的接收端，将光模块输出的差分电信号，通过电平匹配电路将模块输出的PECL电平，转换成LVDS电平的电信号，送入到MAX9268电路芯片里，进行数据的处理。

光模块的另一个重要的作用是实现双向光信号的复用。即光模块内部不仅包含光信号的收发功能，还集成了一个波分复用器，根据双向传输所采用的光波长，它能够完成双向光信号的融合和分离，即将发送端的光波长融入到通道光缆中，同时分离出相向而来的光波长，用于光信号的接收。波分复用器的选择要满足双向光波长的要求。

目前为满足高速率传输的需要，一般采用光模块作为光信号的收发电路，光模块本身的电路集成度很高，并封装于一个小的空间里，能够满足系统高频率数据的传输需要。模块内部在光发送端和光接收端具有自动光功率调整电路，适应光信号在大动态范围内的光功率波动，抑制大的光信号幅度，放大小信号的光信号幅度，使发送端输出的光信号和接收端输出的电信号保持在一个比较稳定的范围内。另外，光模块封装在一个密闭的小金属壳体内，可以有效地屏蔽外部电磁信号的干扰。光收发模块在使用时，尽量缩短其输入、输出引脚在PCB板上的走线长度，提高输入、输出信号的稳定性和信号完整性。

3   实验结果与分析

3.1   试验系统搭建

按图 7结构搭建的高速Cameralink视频信号的光纤传输系统，主要由高速视频产生端CCD相机、光发送端、光接收端、光纤跳线和计算机采集端构成。CCD为标准Cameralink数据输出，base模式，1TAP，分辨率8 bit，时钟频率60 MHZ，帧率为120帧/s，计算机采集端安装数据采集卡与光接收端相连，通过图像采集软件进行实时采集测试。

图  7  高速Cameralink视频信号的光纤传输系统结构图

Figure  7.  Structural diagram of high-speed Cameralink video signal optical fiber transmission system

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3.2   试验结果

按照图 7搭建好的系统，通过示波器抓取发送端和接收端高速串行信号的眼图，速率为1.25 Gbit/s，如图 8所示。

图  8  发送端高速串行信号眼图

Figure  8.  Eye diagram of high speed serial signal at transmitting end

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从图 8可看出，发送端高速串行信号最大占空比失真11.17 ps，眼高639 mV，眼睛总抖动37.38 ps，平均速率2.609 5 Gbit/s，即1UI=383.21 ps，输出总抖动=0.098 UI，满足芯片组0.15 UI输出要求，Q因子24.46，发送端工程设计中Q因子值应大于12，因此满足发送端的要求。

从图 9可以看出，接收端高速串行信号的眼图也比较清晰，眼睛张开度大，眼宽246.67 ps、眼高500 mV，眼睛总抖动101.52 ps，1UI=383.21 ps，输入总抖动=0.265 UI满足芯片组保证的0.45 UI抖动容限要求，Q因子8.13，接收端工程设计中Q因子值应大于6，因此满足接收端的要求。

图  9  接收端高速串行信号眼图

Figure  9.  Eye diagram of high speed serial signal at receiving end

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眼图模板测试是衡量高速串行信号传输的重要方法，然而目前还没有一种能够被广泛接受的眼图测试方法，主要困难在于眼图的外形取决于多种因素：传输速率、信号摆幅、摆幅加重去加重、介质特性、抖动、温度特性等。因此，本文选定与该传输方案相近的SAS 3Gb IR, CR, XR模板进行，如图 10所示。传输速率修正为2.609 Gbit/s后进行3 min模板合格性测试，在1、2、3区均无不合格UI出现，测试结果合格，满足系统要求。在计算机采集端用软件实时采集CCD经过所设计的传输系统传来的画面，如图 11所示，分辨率为1 024×1 024。

图  10  接收端高速串行信号眼图模板测试

Figure  10.  Template test of eye diagram of high speed serial signal at receiving end

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图  11  计算机采集端采集的实时画面

Figure  11.  Real-Time picture acquired by computer acquisition end

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可以看出，经过光纤传输后捕获卡采集、计算机显示的图像清晰稳定，能够满足实验室环境下高清视频的清晰稳定传输，经过10 min传输无明显可视的像素噪点，达到了预期设计目标。

4   结论

本文针对目前常用的基于TLK2711和基于MAX9259/MAX9260的Cameralink视频信号光纤传输方案系统过于复杂的问题，设计出一种基于MAX9249/MAX9268的Cameralink视频信号光纤传输方案。用示波器抓取发送端和接收端高速串行信号的眼图可以看出，其眼图都比较清晰，眼睛张开度大，发送端的Q因子为24.46，满足发送端大于12的要求，接收端Q因子为8.13，满足接收端大于6的要求。计算机采集端采集的实时画面可以看出，经过10 min传输无明显可视的像素噪点，满足实验室环境下高清视频的清晰稳定传输。该方案不仅结构简洁、集成度高，而且能够满足高清视频的清晰、稳定传输，信号传输质量满足眼图模板要求。