文 豐，雷武偉，劉東海

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051)

在某遠距離測試任務(wù)中，需要使用數(shù)據(jù)采集編碼器采集多路高速數(shù)字量信號，并將這些信號實時地回傳給地面測試臺進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。由于此任務(wù)測試環(huán)境特殊，測試員不可近距離測試，因此需要將數(shù)據(jù)在遠距離情況下高速地回傳給地面測試臺進行數(shù)據(jù)處理。

基于此任務(wù)中使用的電纜網(wǎng)所處環(huán)境較為惡劣，周圍電磁干擾大，本設(shè)計在數(shù)據(jù)回傳中選用了CYPRESS公司提出的HOTLink高速串行點對點通信協(xié)議，該通信協(xié)議采用了PECL電平標(biāo)準，在協(xié)議定義的物理層內(nèi)容中，用戶還可根據(jù)需求定義應(yīng)用層與鏈路層的協(xié)議[1]，使用方便靈活且可靠性高；而在邏輯中加入了一種具有糾錯能力的BCH編解碼方案，可極大地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集編碼器、地面測試臺及上位機三部分組成。數(shù)據(jù)采集編碼器采集外部高速數(shù)字量信號，并將信號數(shù)據(jù)通過FPGA編幀打包后由HOTLink數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給地面測試臺；地面測試臺接收到數(shù)據(jù)后通過PCI9054轉(zhuǎn)發(fā)給上位機，數(shù)據(jù)將在上位機上實時顯示；上位機通過地面測試臺向數(shù)據(jù)采集編碼器下發(fā)一系列指令使其進行相應(yīng)的動作，指令采用RS-485數(shù)據(jù)形式收發(fā)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

根據(jù)測試任務(wù)，本設(shè)計采用200 m的同軸電纜SFF-50-5連接數(shù)據(jù)采集編碼器與地面測試臺，數(shù)據(jù)采集編碼器以330 Mbit/s的碼率向地面測試臺發(fā)送HOTLink數(shù)據(jù)，并進行大量的實驗?zāi)M測試任務(wù)的現(xiàn)場條件，通過測試臺回讀數(shù)據(jù)的正確性來驗證此方案的可行性與可靠性。

2 硬件電路設(shè)計

HOTLink發(fā)送芯片CY7B923與接收芯片CY7B933是由CYPRESS公司設(shè)計，用于高速點對點串行通信[2]，其內(nèi)部自帶8B/10B編解碼功能，由于8B/10B編碼具有直流平衡、轉(zhuǎn)換密度高等優(yōu)點[3]，因此被大量的應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸中，而CY7B923/933也因其具有高可靠性、低功耗、外圍電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[4]，被廣泛地應(yīng)用于高速遠距離串行通信的場合當(dāng)中。本設(shè)計中CY7B923以及其外圍電路位于數(shù)據(jù)采集編碼器中，主要負責(zé)將FPGA打包編幀后的數(shù)據(jù)進行編碼并通過同軸電纜發(fā)送至地面測試臺，而CY7B933以及其外圍電路位于地面測試臺板卡中，主要負責(zé)接收數(shù)據(jù)采集編碼器發(fā)來的數(shù)據(jù)并解碼后轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA進行后續(xù)處理。

2.1 CY7B923工作原理及發(fā)送電路設(shè)計

CY7B923內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為：FPGA控制使能端ENA和ENN的電平以實現(xiàn)時鐘上升沿寫入數(shù)據(jù)[5]；數(shù)據(jù)寫入后由編碼器進行8B/10B編碼，并在SC/D電平的控制下將輸入數(shù)據(jù)編碼為數(shù)據(jù)碼或控制碼；時鐘發(fā)生器通過內(nèi)部的PLL鎖相環(huán)將CKW時鐘十倍頻后用于驅(qū)動移位寄存器；移位寄存器負責(zé)將編碼器輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)流，并分為3個通道同時輸出，F(xiàn)OTO可關(guān)閉OUTA±和OUTB±通道輸出[6]；自檢邏輯用于通信系統(tǒng)的自檢功能。

圖2 CY7B923內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖3為CY7B923發(fā)送電路圖，F(xiàn)PGA輸出的8位并行數(shù)據(jù)通過控制信號由CY7B923編碼為串行HOTLink數(shù)據(jù)；MODE管腳接地表示CY7B923編碼方式為8B/10B方式；FIFO接地使數(shù)據(jù)僅在OUTA±通道輸出，將5 V直接接到OUTB±和OUTC±上以降低芯片功耗[7]；負載電阻R42和R43連接至GND用于為HOTLink數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動提供負載電流；C34為去耦電容，用于消除電源耦合；TC1-1T為RF變壓器，采用了1∶1的數(shù)字隔離變壓方式，可以將信號的直流部分濾掉，只保留差分信號用于傳輸[8]，更加有效地抑制共模干擾，增加信號的傳輸距離；SMDA05LCC為低電容TVS陣列，不僅可以吸收可能造成器件損壞的脈沖，而且能夠避免數(shù)據(jù)受到不必要的噪聲影響；SMA-KF3為HOTLink長線傳輸所用的連接器。

2.2 CY7B933工作原理及接收電路設(shè)計

CY7B933內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理為：串行差分輸入數(shù)據(jù)流在A/B端口控制下從INA±或者INB±輸入，SYNC時鐘模塊通過內(nèi)部PLL鎖相環(huán)完成時鐘的同步功能；在時鐘同步下，移位寄存器將輸入的串行數(shù)據(jù)流按字節(jié)傳送至解碼寄存器并按位傳送至成幀器[6]；成幀器通過查詢輸入位數(shù)據(jù)流中定義字節(jié)邊界的特殊字符從而準確的進行數(shù)據(jù)組幀；解碼寄存器接收到移位寄存器的數(shù)據(jù)后傳送給解碼器并一直保持數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)被輸出寄存器鎖存；解碼器根據(jù)8B/10B解碼表將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為原始數(shù)據(jù)；輸出寄存器保存輸出數(shù)據(jù)并利用CKR同步輸出數(shù)據(jù)。

圖3 CY7B923發(fā)送電路圖

圖5為CY7B933接收電路圖。HOTLink數(shù)據(jù)經(jīng)過200 m同軸電纜傳輸后由連接器SMA-KF3輸入，經(jīng)過TC1-1T和SMDA05LCC的處理后送至HOTLink數(shù)據(jù)接收芯片CY7B933；R47和R48為阻抗匹配電阻，其阻值為SFF-50-5同軸電纜特性阻抗的一半，由于25 Ω電阻不是標(biāo)準阻值電阻，此處選取24.9 Ω電阻代替；R46和R49組成一個分壓器，為輸入的HOTLink信號提供直流偏置以滿足其電平需求[7]；同時R46與C43組成一個RC濾波器濾除輸入的高噪聲信號；R45為上拉電阻，由于本設(shè)計數(shù)據(jù)選擇INA±通道輸入，故將A/B引腳上拉至5 V。

3 邏輯可靠性設(shè)計

在本任務(wù)HOTLink信號高速遠距離傳輸中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允桥袛嘣O(shè)計成功與否的最重要的標(biāo)準[9]，本次設(shè)計的主控芯片采用了Xilinx公司的6系FPGA——XC6SLX150_3FGG484I。本設(shè)計中硬件電路部分選用的CY7B923/933芯片，具有將數(shù)據(jù)進行8B/10B編解碼功能，而傳統(tǒng)的8B/10B編碼后的數(shù)據(jù)在傳輸環(huán)境惡劣且傳輸速率高的情況下會很大程度地增加數(shù)據(jù)誤碼率[10]。BCH碼是具有糾錯能力的循環(huán)碼，可以隨機地糾正多個錯誤，相較于其他編解碼方式因其編解碼手續(xù)簡單、延時小以及實時性高而被廣泛地應(yīng)用于通信領(lǐng)域中[11]，本設(shè)計結(jié)合了8B/10B編解碼的直流平衡和BCH編解碼的隨機糾錯的優(yōu)點，在數(shù)據(jù)傳至CY7B923芯片之前進行BCH編碼，可有效地降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，極大地增強了其可靠性。

圖5 CY7B933接收電路圖

3.1 BCH編碼設(shè)計

本方案中將輸入的8 bit數(shù)據(jù)分為高4 bit和低4 bit數(shù)據(jù)，先后將高4 bit和低4 bit數(shù)據(jù)送入(7,4)BCH編碼模塊中編碼，(7,4)BCH碼碼長為7 bit，包含4 bit信息位和3 bit校驗位[12]。4個信息位構(gòu)成的信息多項式為：

i(x)=i0+i1x+i2x2+i3x3

(1)

在伽羅華域GF(23)上其最小多項式可表示為：

g(x)=x3+x+1

(2)

假設(shè)BCH編碼后其系統(tǒng)碼為：

c(x)=i(x)x3+q(i(x)x3)g(x)

(3)

式(3)中，q(i(x)x3)g(x)表示i(x)x3除以g(x)后的余數(shù)多項式。因而校驗多項式可表示為：

r(x)=x3i(x)modg(x)=r0+r1x+r2x2

(4)

將式(4)代入式(3)，可得編碼后系統(tǒng)碼多項式為：

c(x)=x3i(x)+r(x)=x3i(x)+x3i(x)modg(x)

(5)

按照此方法得到的系統(tǒng)碼中，將4 bit信息左移3 bit，然后除以g(x)，即可得到3 bit余項，即為3 bit校驗位。由于BCH碼為循環(huán)碼，因此其編碼電路可由如圖6所示編碼電路圖中的線性串行移位寄存器所實現(xiàn)。

圖6 (7,4)BCH編碼電路圖

4 bit信息位依次進入BCH編碼電路后，經(jīng)過3個時鐘周期延遲，依次輸出3 bit校驗位，并在最后一位補0，以保證發(fā)出的信號為8 bit信號。(7,4)BCH編碼流程如圖7所示。

圖7 (7,4)BCH編碼流程框圖

BCH編碼結(jié)束后將8bit數(shù)據(jù)通過FPGA的I/O口輸出至CY7B923的D0～D7端口，隨后進行8B/10B編碼并發(fā)出。

3.2 BCH譯碼設(shè)計

FPGA接收到CY7B933解碼后的8 bit碼，然后進行(7,4)BCH譯碼，譯碼過程主要分為以下步驟：

步驟1求接收到的BCH碼余式，將3.1節(jié)式(2)中g(shù)(x)作為除式，產(chǎn)生余式定義為“部分校正子”[13]；

步驟2根據(jù)式(5)中部分校正子構(gòu)造錯誤位置方程，該方程式的根即為錯誤位置；

步驟3求解錯誤位置方程式的根并進行糾錯。

定義部分校正子為S(x)，接收到的BCH碼多項式為R(x)，錯誤圖樣多項式為E(x)，譯碼后多項式為C(x)[14]，則有如下關(guān)系式：

R(x)=C(x)+E(x)

(6)

C(x)modg(x)=0

(7)

S(x)=R(x)modg(x)=E(x)modg(x)

(8)

部分校正子可以采用如圖8所示譯碼電路圖中的除法電路計算得到，然后根據(jù)部分校正子所構(gòu)造的錯誤位置方程的根進行糾錯。

圖8 (7,4)BCH譯碼電路圖

8 bit碼去掉末位0之后從高位到低位依次進入BCH譯碼電路，經(jīng)過3個時鐘周期延遲，依次輸出3 bit校驗碼，并根據(jù)如表1所示的校驗碼與錯誤信息編碼對應(yīng)關(guān)系表進行誤碼糾正。

4 可靠性結(jié)果驗證

為了驗證本次設(shè)計的可靠性，采用數(shù)據(jù)采集編碼器、地面測試臺與上位機共同搭建的測試系統(tǒng)。地面測試臺與數(shù)據(jù)采集編碼器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用了200 m的同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。測試中將數(shù)據(jù)采集編碼器與同軸電纜放置于60 ℃高溫環(huán)境并向同軸電纜中注入脈沖激勵作為干擾用于模擬任務(wù)環(huán)境，采用的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中“96 14 6F 14 6F”為數(shù)據(jù)幀包頭，“00 00 00 00～00 00 00 09”為包計數(shù)，數(shù)據(jù)為00～59的遞增數(shù)。

表1 校驗碼與錯誤信息編碼對應(yīng)關(guān)系

圖9 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

通過FPGA程序控制HOTLink串行數(shù)據(jù)的傳輸速率，進行如下誤碼率的測試，不同傳輸速率的情況下各測試50次，每次測試數(shù)據(jù)為8 GB，測試結(jié)果見表2。

表2 測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知，硬件電路可以保證以40 Mbit/s的傳輸速率在200 m的同軸電纜中無誤碼傳輸，但隨著傳輸速率的增加，誤碼率會越來越大，遠不及測試任務(wù)要求。但在FPGA程序中加入BCH編解碼后，可以有效地降低數(shù)據(jù)誤碼率，從而滿足任務(wù)對于以330 Mbit/s傳輸速率在200 m的遠距離傳輸?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié)論

本文針對任務(wù)要求以及測試環(huán)境，在硬件上設(shè)計了CY7B923和CY7B933的外圍電路，在邏輯設(shè)計中增加了可糾錯的BCH碼優(yōu)化方案，極大地增強了傳輸鏈路的可靠性。通過大量的測試實驗，驗證了本設(shè)計中HOTLink數(shù)據(jù)在60 ℃高溫且有脈沖激勵干擾情況下可以實現(xiàn)330 Mbit/s傳輸速率在200 m的同軸電纜上無誤碼傳輸，滿足測試任務(wù)要求。