千兆以太网介质转换器在LED显示屏传输系统中的应用[1]

　1　引　　言

　　LED显示屏是20世纪90年代出现的新型平板显示器件，由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳而受到人们的欢迎。全彩LED显示屏利用三基色原理，通过红、绿、蓝3种LED发光的叠加，产生彩色效果;真彩LED显示器每个单原色有8位灰度值，即单像素由24位RGB二进制数表示。LED控制系统的图像源一般为实时的数字信号，要实现流畅的视频显示，就要把高刷新频率的图像按照LED点阵对应的像素信号进行实时传输，当显示分辨率较大时，对传输系统带宽的需求是巨大的。以太网是生活中常见的网络标准，将现有的以太网技术应用于LED屏幕传输系统，既简化了系统设计难度、减少了设计周期，又有利于形成LED屏幕控制系统的传输标准。目前的千兆网LED控制系统限于使用单一传输介质，不能集合光纤远距离传输和双绞线组网低廉的优点。为了解决此类问题，本文通过研究千兆以太网[1]的相关协议，分析利用两种传输介质实现千兆以太网传输的异同，详细介绍了1000BASE-T，1000BASE-LX物理层信号的传输方式，设计了基于两种标准的介质转换器，并将其应用于LED传输系统。对FPGA主控制器的设计，主要分析了传输帧结构和图像数据的片内缓存方式。该系统在保证传输速率的前提下，节约了LED远距离实时传输系统的成本。

　　2　设计原理
　　2.1　千兆以太网

　　千兆以太网技术目前有两个标准：IEEE802.3z[2]和IEEE802.3ab。IEEE802.3z制定了光纤和短程铜线连接方案的标准，包括：1000BASE-LX、1000BASE-SX和1000BASE-CX。IEEE802.3ab制定了五类双绞线上较长距离连接方案的标准：1000BASE-T。本文选取1000BASE-LX 和1000BASE-T分别为光传输和双绞线传输的代表，讨论802.3z和802.3ab在LED传输系统中的应用以及它们之间的转换过程。

　　2.2　LED传输系统

　　双绞线传输的千兆网LED传输系统[3-5]结构如图1所示，其中数字视频接口从PC主机获得显示视频源;利用数据缓存部分实现了视频源与网络传输的速率匹配;发送端千兆网MAC层对数据进行封装，并构建了顶层传输控制协议;千兆网物理层完成数据的信道编解码、传输时钟的生成以及控制码元在物理信道上的传输;接收端物理层实现传输时钟的提取和信道解码;MAC层进行帧解包，并对数据进行检验;数据按区分配部分将图像数据源按照扫描系统[5-6]的需求分成小区域像素块，并送入扫描系统;扫描系统负责对LED驱动芯片的控制进行区域显示[7-8]。

　　利用光纤传输的千兆网LED传输系统结构与图1类似，具体的实现方法有所区别。两种传输介质分别在构网成本及远距离传输中具有较大优势，灵活的选取传输方式能够提高性价比，为了集合两种传输方式的优点，设计一种LED传输系统介质转换器是必要的。

　　3　设计思想
　　3.1　系统构成

　　千兆网介质转换器结构如图2所示。图像源数据通过两个RJ45接口进入系统，每个接口速率为1Gbit/s。网络变压器将双绞线上的信号转换为码元能够识别的格式。物理层分为3个子层[9]，分别为物理编码子层(PCS)、物理介质连接子层(PMA)和物理介质依赖子层(PMD)。1000BASE-T物理层控制芯片实现的功能包括PMD子层的A/D转换功能;PMA子层的传输时钟恢复功能;以及PCS子层的维特比解码和去扰功能。在数据帧进入主控FPGA 前恢复出两路125M 时钟8bit数据信号。主控FPGA 完成MAC层的功能，将进入的两路数据分别进行一级解包并缓存，将数据以16bit为单位，组成新帧并加入控制信息后转入通用千兆收发器;进入收发器的数据首先经过光纤PCS子层的8B/10B编码，然后送入PMA子层完成并串转换，在经过相应的差分电平转换后进入PMA 子层，即SFP光模块，实现电光转换，并最终以光信号的方式传输于单模光纤。接收端的数据流方向完全相反，数据由光纤端进入，在主控FPGA内将以16bit为单位的帧重新解包并缓存，转换为两路8位帧信号后，按原始双绞线数据格式发回原接收系统。