韋美佳

【摘要】? ? 隨著社會(huì)各生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用需求多樣化，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為一種可編程邏輯，成為人們談?wù)摰闹匾掝}。FPGA光纖通信數(shù)據(jù)為計(jì)算機(jī)、通信、汽車電子等設(shè)備設(shè)計(jì)注入了新的技術(shù)的改革和發(fā)展活力，但在長(zhǎng)久的發(fā)展中任舊存在一系列的問(wèn)題?；贔PGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，硬件部分由光纖收發(fā)模塊、GTX收發(fā)器、PCIe總線、PCIe接口控制器和高速存儲(chǔ)設(shè)備組成，軟件部分由經(jīng)測(cè)試驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用配置兩部分組成，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和綜合價(jià)值，本文旨在解決半實(shí)物仿真合作項(xiàng)目中數(shù)據(jù)傳輸速度慢的問(wèn)題，筆者提出使用FPGA實(shí)時(shí)性強(qiáng)的光纖通信高速數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)傳輸，基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)防、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】? ? 光纖通信數(shù)據(jù)? ? 傳輸技術(shù)FPGA 技術(shù)? ? 光纖通信數(shù)據(jù)? ? 傳輸技術(shù)

引言：

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，傳輸容量大的優(yōu)點(diǎn)是光纖傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的光纖技術(shù)采用反射式存儲(chǔ)技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸中造成數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響光纖通信的使用價(jià)值和應(yīng)用。在具體應(yīng)用中，工程造價(jià)高，傳輸距離長(zhǎng)。由美國(guó)馬薩諸塞州波士頓光纖公司開(kāi)發(fā)的塑料光纖，是20 世紀(jì)電信領(lǐng)域最引人注目的項(xiàng)目之一。穿過(guò)馬六甲海峽、印度洋、紅海、地中海，太平洋，旅程長(zhǎng)達(dá)32萬(wàn)公里，項(xiàng)目工程總建設(shè)花費(fèi)140億美元，在光纖通信數(shù)據(jù)傳輸中，F(xiàn)PGA技術(shù)的具體應(yīng)用解決數(shù)據(jù)傳輸這一問(wèn)題。

一、光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

（一）光纖通信技術(shù)

在19 世紀(jì)中期，伴隨著科學(xué)家們開(kāi)始研究光纖通信，光纖通信走入人們的生活視野。法國(guó)物理學(xué)家雅克巴比奈通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，光可以在彎曲的水流中傳導(dǎo)。世紀(jì)末，研究人員引導(dǎo)光的傳輸通過(guò)使用彎曲的石英棒。1950年代和1960年代，許多科學(xué)家試圖解決使用激光作為光纖通信光源的問(wèn)題，第一套光纖電話系統(tǒng) AT&T 和 GTE 被美國(guó)在亞特蘭大于1976年研制，這是光纖通信第一次得到 實(shí)際應(yīng)用。光纖通信由光纖、發(fā)射器、中繼器、接收器和連接器等主要零部件構(gòu)成，通過(guò)發(fā)送端發(fā)送信號(hào)，接收到信號(hào)后，接收器轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，是光纖通信的主要步驟。信號(hào)采用光纖通信技術(shù)在接收端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最終恢復(fù)到原始信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

光纖通信技術(shù)在世界上許多國(guó)家廣泛用于數(shù)據(jù)傳輸，除具有高載頻和光纖作為介質(zhì)的兩大特點(diǎn)外。采用光纖通信技術(shù)，載頻最好，迄今為止，傳輸容量也最大，是其他通信技術(shù)無(wú)法比擬的。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不存在干擾，為了更好地保證光纖通信技術(shù)的抗干擾性能。通常在光纖材料上涂覆一層涂層，阻隔各種干擾。光纖通信技術(shù)的長(zhǎng)光波可以利用全反射進(jìn)行各種數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以保證數(shù)據(jù)的保密性。

（二）基于FPGA的高速傳輸技術(shù)

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展為現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)帶來(lái)了活力，而復(fù)雜、海量的數(shù)據(jù)處理和傳輸任務(wù)對(duì)處理器設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。在雷達(dá)信號(hào)處理、圖像采集、圖像信號(hào)處理等諸多領(lǐng)域，高速高效的數(shù)據(jù)傳輸方式已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要難點(diǎn)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i是現(xiàn)代處理器速度提升的重要限制因素。

通過(guò)在FPGA內(nèi)部集成GTX模塊，可以通過(guò)GTX模塊的高速串行數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)基于FPGA的高速數(shù)據(jù)傳輸。由于GTX收發(fā)器的高度可配置性，基于FPGA的高速傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化信號(hào)完整性、可配置端接、電壓擺幅和接收器眼圖掃描等應(yīng)用。

（三）光纖通信系統(tǒng)解決方案

目前，無(wú)線通信方式、電力載波方式、光纖方式等被廣泛用作通信方式，但這些方式容易受到干擾、地形障礙、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)因素的影響，難以與城市復(fù)雜的地形比擬。由于自動(dòng)化配電網(wǎng)的積極使用以及光纜和光器件的迅速衰落，光纖通信得到了大家的廣泛認(rèn)可，并逐漸成為目前配電網(wǎng)通信的主流。

基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)離不開(kāi)硬件平臺(tái)的支持，因此光纖通信平臺(tái)和傳輸協(xié)議的選擇尤為重要，具體的光纖通信系統(tǒng)解決方案包括：1.光纖通信平臺(tái)。FPGA的設(shè)計(jì)，考慮到規(guī)模龐大、功能復(fù)雜的特點(diǎn)，建議采用IP核設(shè)計(jì)方法，Xilinx的GTX模塊可用于串并轉(zhuǎn)換技術(shù)、通道綁定技術(shù)、線路編碼技術(shù)和預(yù)加重技術(shù)。時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)等技術(shù)可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，同時(shí)更好地保護(hù)信號(hào)完整性。通過(guò)選擇集成光收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換電路和光電轉(zhuǎn)換電路的集成，可以進(jìn)一步降低基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度。2.傳輸協(xié)議。GTX IP核支持標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議的線速、內(nèi)部數(shù)據(jù)寬度、PLL頻率和通用參考時(shí)鐘頻率，允許PCIe總線的協(xié)議集成和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步降低技術(shù)難度。

二、FPGA 技術(shù)發(fā)展

（一）FPGA技術(shù)的大容量低電壓低功耗發(fā)展

采用深亞微米工藝后，器件性能顯著提升，同時(shí)價(jià)格也有所降低，由于便攜式產(chǎn)品的快速發(fā)展，要求FPGA具有低功耗和低電壓的特性。

對(duì)比無(wú)線通信方式，網(wǎng)絡(luò)的距離超過(guò)了一般有線網(wǎng)絡(luò)允許的長(zhǎng)度，作為備份網(wǎng)絡(luò)，即數(shù)字電力線載波和網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生連接移動(dòng)或臨時(shí)節(jié)點(diǎn)故障;電力線載波通信容量小，功能單一，光纖傳輸方式電磁波承載力小，由此可見(jiàn)，F(xiàn)PGA技術(shù)的大容量是發(fā)展的重點(diǎn)。

（二）FPGA技術(shù)系統(tǒng)高密化發(fā)展

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)品成本的逐漸降低，F(xiàn)PGA技術(shù)的應(yīng)用不再僅適用于系統(tǒng)接口器件的現(xiàn)場(chǎng)集成，而是可以靈活應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此前提下，國(guó)際FPGA廠商都在專注于高密度FPGA技術(shù)的發(fā)展中，更加關(guān)注 FPGA技術(shù)IP硬件和軟件，針對(duì)IP核系統(tǒng)的FPGA的開(kāi)發(fā)。

IP核是指具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)、驗(yàn)證、復(fù)用、通用或特殊功能的單元模塊，一般分為硬件IP軟件IP和軟件IP模塊。其中，硬件IP（IP硬件）是指完成版圖設(shè)計(jì)的功能單元模塊，軟件IP（IP軟核）是指用HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)綜合驗(yàn)證的功能單元模塊12。目前帶IP核的系統(tǒng)級(jí)FPGA的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是FPGA廠商將硬件IP核嵌入到FPGA器件中;二是對(duì)IP核庫(kù)進(jìn)行大幅度的擴(kuò)展和優(yōu)化，用戶可以直接使用。經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證的優(yōu)化IP? 核資源可有效完成這些預(yù)定義、定義的復(fù)雜片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（三）FPGA技術(shù)的動(dòng)態(tài)化重組

采用Modular? Design方法實(shí)現(xiàn)FPCA的Dynamic? Part? Reconfiguration。首先，將設(shè)計(jì)的固定邏輯，即運(yùn)行中不需要改變的邏輯，分為固定模塊和必要部分。要修改的模塊被劃分為可重新配置的模塊。其次，模塊的放置和大小有限制，必須遵循一定的規(guī)則，可重構(gòu)模塊的高度必須與設(shè)備的高度相匹配，可重構(gòu)模塊的最小寬度為4，一個(gè)切片CLB包含兩個(gè)相同的切片，并且必須是4 個(gè)切片的倍數(shù);其次，模塊放置、大小均有規(guī)則限制，必須遵循一定說(shuō)明，要求動(dòng)態(tài)化重組模塊的放置高度須與運(yùn)行單元的高度一致，具體為動(dòng)態(tài)化重組模塊的最小寬度為4mm，切片CLB為同一個(gè)切片，是切片的4倍數(shù)。如果可重構(gòu)模塊位于設(shè)備最左側(cè)或最右側(cè)的切片列中，則設(shè)備邊緣的所有IOB都被視為可重構(gòu)模塊資源，為了降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，可重構(gòu)模塊的數(shù)量應(yīng)盡可能少。

動(dòng)態(tài)重配置FPGA是指芯片具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重配置邏輯的功能以及在這些條件下對(duì)電路進(jìn)行重配置的能力。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA在器件編程方面具有獨(dú)特的特性和特點(diǎn)，內(nèi)部邏輯模塊和內(nèi)部布線的變化可以通過(guò)讀取SRAM數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)邏輯重構(gòu)，時(shí)間通常在納秒范圍內(nèi)，有助于FPGA邏輯的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

（四）光纖技術(shù)存在的問(wèn)題

目前，當(dāng)傳輸大數(shù)據(jù)時(shí)，總線速度變慢，傳輸距離有限。因此，反物理仿真系統(tǒng)大多采用現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)的傳輸速度和距離雖然有了很大的提高，但是傳輸協(xié)議比較復(fù)雜，影響傳輸效率，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也比較高。如果太大，會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的延遲，難以保證仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，無(wú)法滿足當(dāng)前半物理仿真系統(tǒng)的性能要求。由此可見(jiàn)，傳輸能力與數(shù)據(jù)傳輸需求的矛盾突出，現(xiàn)代先進(jìn)武器評(píng)估系統(tǒng)的核心是高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。

三、系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

（一）光纖收發(fā)一體模塊

該模塊選用FTLF8524P2BNV-BR光纖收發(fā)一體模塊，由Finisar公司設(shè)計(jì)，SFP封裝，傳輸速率4.25GB/s。只需幾個(gè)FPGA控制信號(hào)即可完成光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通信協(xié)議采用GTX使用的Fibre? Channel協(xié)議結(jié)合IP核，降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。光纖通信時(shí)鐘控制結(jié)合ICS843001-21 FEMTOCLOCKS數(shù)字頻率控制芯片，REFCLK+參考時(shí)鐘進(jìn)行控制，使芯片相位抖動(dòng)頻率小于1ps，滿足光纖通道、千兆以太網(wǎng)、同步光纖的要求，網(wǎng)絡(luò)、高清電視等各個(gè)領(lǐng)域都需要數(shù)據(jù)傳輸。利用M2-M0和N2-N0管腳進(jìn)行分頻，最大限度發(fā)揮時(shí)鐘控制方式的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA可以直接控制6管腳電平，操作簡(jiǎn)單，易于控制。

（二）PCIe總線模塊

PCIe接口控制器采用PCIe2.0模型，頂層設(shè)計(jì)分為PCIe IP模塊、AXI4總線、中斷控制模塊和DMA控制器等，構(gòu)建基于PCIe2×4數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)傳輸上限為16Gbps，可以有效考慮寬帶開(kāi)銷和解碼開(kāi)銷，接口信號(hào)表，使用cfg_do[31：0]函數(shù)進(jìn)行輸出控制，讀取配置空間數(shù)據(jù)，輸入cfg_dwaddr[9：0]即可實(shí)現(xiàn)兩字節(jié)地址配置，根據(jù)功能需求，接口信號(hào)表配置完成后可隨時(shí)查看PCIe IP核配置空間狀態(tài)。

接收測(cè)試：數(shù)據(jù)生成模塊寫入FPGA內(nèi)部后，通過(guò)不同頻率傳輸數(shù)據(jù)，DMA寫中斷操作將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試實(shí)現(xiàn)發(fā)送，數(shù)據(jù)保存并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)錯(cuò)誤情況。

發(fā)送測(cè)試：例如測(cè)試從計(jì)算機(jī)硬盤讀取數(shù)據(jù)文件操作時(shí)，先將數(shù)據(jù)文件從PCIe總線傳輸?shù)紽PGA，在DMA中斷模式下讀取操作數(shù)據(jù)后，在FPGA內(nèi)部寫入數(shù)據(jù)感知模塊后，檢查數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤。

（三）光纖通信模塊測(cè)試

1.硬件設(shè)計(jì)

（1）RS422接口電路設(shè)計(jì)

本文選用RS422通訊作為本專題的測(cè)試口，RS422芯片為ADI公司的ADM3076芯片，是一款低電壓（工作電壓3.3V）芯片，具有15kV ESD保護(hù)，可配置全雙工RS422通訊;半雙工RS485通訊，根據(jù)TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)，ADM3076最多可連接256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RS422芯片經(jīng)DE配置時(shí)，上拉電阻，下接RE端，RS422差分接收A端、B端為接口。

需要更改DE配置上拉 DE端電阻，下接電阻RE 端;A、B端配置為RS422差分接收接口，Z、Y端子配置為RS422差分傳輸接口。

（2）同步時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

同步時(shí)鐘電路為MAX9122/MAX9123，產(chǎn)自TI公司，具有高波特率、低電壓的優(yōu)點(diǎn)，最大波特率可達(dá)500Mbps，供電3.3V，低噪聲模式;如圖3，MAX9122/MAX9123將LVDS端轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VCMOS電平信號(hào)輸出。

2.軟件設(shè)計(jì)

（1）RS422通信邏輯設(shè)計(jì)

首先，需要初始化串口，通過(guò)內(nèi)部邏輯運(yùn)算設(shè)置接收波特率和發(fā)送波特率（本文設(shè)置的波特率為19200bps）。在接收模塊的情況下，內(nèi)部寄存器信號(hào)RX_INT變低時(shí)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)RS422接口的接收邏輯程序，將接收到的數(shù)據(jù)移到末端，每當(dāng)時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)BIT端的接收數(shù)據(jù)，對(duì)通過(guò)計(jì)數(shù)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)NUM達(dá)到12時(shí)，此時(shí)RX_INT信號(hào)變?yōu)楦哳l率，通信接收終止。

（2）時(shí)鐘模塊邏輯設(shè)計(jì)

首先，可以驅(qū)動(dòng)輸入到FPGA的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)配置FPGA，包括是否經(jīng)過(guò)BUF，時(shí)鐘模塊的時(shí)鐘輸出最多可以驅(qū)動(dòng)8路全局時(shí)鐘輸出。經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)步驟，為進(jìn)一步驗(yàn)證時(shí)鐘模塊的仿真效果，分別設(shè)置100MHZ、50MHZ兩路驅(qū)動(dòng)輸出頻率，使之可以識(shí)別時(shí)鐘模塊的狀態(tài)信號(hào)。包括RESET信號(hào)、LOCKED信號(hào)，RESET信號(hào)是時(shí)鐘IP核的參考復(fù)位，當(dāng)RESET 信號(hào)為高頻率時(shí)，時(shí)鐘模塊的IP核將不再工作，LOCKED信號(hào)與之相反。

四、系統(tǒng)調(diào)試

（一）各功能模塊測(cè)試

首先，打開(kāi)發(fā)射和接收電路的電源以測(cè)試電源模塊是否正常，測(cè)量各個(gè)芯片的電壓是否正常。測(cè)試系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，查看用示波器測(cè)量晶振是否開(kāi)始振蕩，頻率是否正確，芯片的輸入時(shí)鐘是否正確。最后，連接模擬視頻信號(hào)，前提是視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊測(cè)試正常;隨后，F(xiàn)PGA芯片中下載A/D轉(zhuǎn)換程序，結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)換，具體測(cè)試方法與模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試方法相同。

（二）整機(jī)測(cè)試

在發(fā)射端，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)輸入到光發(fā)射機(jī)。在接收端，光接收機(jī)的輸出端通過(guò)電纜連接到顯示器，光發(fā)射端和光接收端通過(guò)光纖連接。連接完成后，檢查顯示器是否有標(biāo)準(zhǔn)的視頻彩條信號(hào)。

（三）指標(biāo)測(cè)試

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)傳輸?shù)拇a率很高，會(huì)因?yàn)樾盘?hào)反射而對(duì)接收端機(jī)器產(chǎn)生干擾，將影響誤碼率是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)。本設(shè)計(jì)主要在信號(hào)處理部分采用阻抗匹配的方式，減少信號(hào)的反射，減少對(duì)接收端的干擾。本設(shè)計(jì)主要在信號(hào)處理部分采用阻抗匹配來(lái)減少信號(hào)的反射，以減少其對(duì)接收的影響。

（四）整體測(cè)試及性能評(píng)估

使用Singal? Tap? II測(cè)試系統(tǒng)的最終結(jié)果輸出，結(jié)果如圖1 所示。經(jīng)比較，測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果與PC端數(shù)據(jù)結(jié)果一致，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有正確性。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于FPGA的高速光纖通信數(shù)據(jù)傳輸板，高速光纖通信中的數(shù)據(jù)傳輸涉及通信協(xié)議的驗(yàn)證、通信可靠性和穩(wěn)定性的分析、通信波特率、誤碼率等測(cè)試方面。本文設(shè)計(jì)并測(cè)試了基于FPGA光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，筆者設(shè)計(jì)了成熟的光纖通信解決方案，最終測(cè)試結(jié)果顯示所有技術(shù)指標(biāo)均能滿足課題的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到綜合價(jià)值好，電路簡(jiǎn)單，成本低，可靠性強(qiáng)，集成度高。可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)大容量、高速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。因此，本文的內(nèi)容可以為相關(guān)領(lǐng)域的理論研究，對(duì)實(shí)踐探索提供一定的參考。本文設(shè)計(jì)的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已達(dá)到課題要求，但存在硬件優(yōu)化等問(wèn)題，系統(tǒng)傳輸速度仍有待進(jìn)一步提升。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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