采用FPGA和光纖媒介共同實現(xiàn)高速數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

在電子設(shè)計領(lǐng)域中，通常要對多路寬帶信號進(jìn)行實時采集、處理和傳輸。傳統(tǒng)的信號采集傳輸系統(tǒng)，采用專用集成電路控制A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路。由于專用集成電路時鐘頻率低、靈活性差、實時性低、傳輸速度慢、通用性差等缺點，難以滿足對高速寬帶信號采集和處理的要求。FPGA具有時鐘頻率高、速度快、采集實時性高、控制靈活等特點，與A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路結(jié)合，更適于高速數(shù)字信號處理。光纖傳輸與電氣傳輸相比，具有傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗低、抗電磁干擾性能強、抗輻射能力強、保密性好、重量輕等特點，在通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

文中提出基于FPGA和光纖傳輸?shù)母咚贁?shù)字信號傳輸方案。以帶有收發(fā)器的高性能FPGA為控制核心，控制外圍A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理，通過光纖媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，滿足高速數(shù)字信號實時處理和傳輸?shù)囊蟆?/p>

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

光纖傳輸系統(tǒng)是以光波為信息載體、光纖為傳輸媒介，用光來傳輸信息的傳輸系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，發(fā)送端主要由A/D采集、FPGA數(shù)據(jù)預(yù)處理、光纖發(fā)送模塊組成；接收端主要由光纖接收模塊、FPGA數(shù)據(jù)后處理、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。兩者通過光纖進(jìn)行通訊。

圖1 光纖傳輸系統(tǒng)總體框圖

在發(fā)送端，先將外部輸入的模擬信號進(jìn)行預(yù)處理，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入FPGA進(jìn)行處理。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸以及通信協(xié)議的要求，F(xiàn)PGA將預(yù)處理后的A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、成幀。然后由FPGA內(nèi)部的IP核進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，最后由光收發(fā)模塊完成電光轉(zhuǎn)換后，通過光纖發(fā)送出去。

在接收端，光收發(fā)器模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，完成高速串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；然后，將轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)送入FPG A,FPGA完成信號的解幀、解碼，并進(jìn)行后處理，該過程是發(fā)送端的逆過程。最后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成模擬信號。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 發(fā)送端硬件電路設(shè)計

可編程邏輯器件FPGA是主控芯片，是系統(tǒng)的核心，設(shè)計選用Altera公司帶有收發(fā)器的Arria GX系列芯片EP1AGX50CF48416.芯片內(nèi)部集成了4個收發(fā)器通道，傳輸數(shù)據(jù)率從600 Mbit·s-1到3.152Gbit·s-1,收發(fā)器每通道在2.5 Gbit·s-1時消耗功率僅為125 mW;收發(fā)器可利用固定均衡設(shè)置來均衡串行通道，實現(xiàn)發(fā)送預(yù)加重和接收均衡；收發(fā)器支持串行環(huán)回、反向串行環(huán)回以及偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）產(chǎn)生器和校驗器。專用收發(fā)器接口電路如圖2所示。RREFB14接一個2kΩ/1%的參考電阻，其他未使用的收發(fā)管腳通過10kΩ電阻到電源或地。

圖2 收發(fā)器接口電路

光收發(fā)模塊選用MXP-243S-X型光收發(fā)器，其可處理的數(shù)據(jù)率為1.25 Gbit·s-1,單電源3.3 V供電，差分LVPECL電平輸入和輸出，發(fā)射和接收部分相互獨立。發(fā)射部分差分輸入阻抗100 Ω，傳輸光信號波長1310nm.光發(fā)射器電路圖如圖3所示。發(fā)射的差分?jǐn)?shù)據(jù)接到FPGA的專用收發(fā)器的發(fā)射管腳G4和G5上，控制引腳直接接到普通L/O管腳，并通過上拉電阻接到電源。

2.2 接收端電路設(shè)計

接收端FPGA也選用Altera公司的Arria GX系列芯片EP1AGX20CF48416.光收發(fā)模塊仍選用MXP-243S-X型光收發(fā)器。電路連接只需將圖3中的RD+、RD-端口直接接到光收發(fā)器TLK1501.

圖3 光發(fā)射器電路圖

為了與下級系統(tǒng)匹配，設(shè)計串行收發(fā)器選用TI公司的TLK1501,支持最高1.2 Gbit·s-1的數(shù)據(jù)帶寬。其內(nèi)部集成有8 B/10 B編碼器、并串轉(zhuǎn)換器、差分輸入輸出接口、8 B/10 B解碼器、串并轉(zhuǎn)換器、時鐘管理模塊等。內(nèi)部有自檢環(huán)路，可方便地進(jìn)行自檢，并集成信號丟失檢測，支持熱拔插，其電路如圖4所示。

圖4 光接收器電路圖

R201,R202,R204,R205為50Ω匹配電阻，R203為參考電阻200Ω，R206和R207提供終端匹配所需要的偏置電壓。

3 軟件設(shè)計

設(shè)計采用自頂向下的模塊化設(shè)計方法，用Verilog硬件語言編程，實現(xiàn)FPGA對光纖接口處芯片、A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器等外圍電路的控制。

3.1 發(fā)送端FPGA程序設(shè)計

發(fā)送端FPGA邏輯設(shè)計主要包括采樣存儲邏輯、校驗、成幀及編碼邏輯和光發(fā)送器接口邏輯。

3.1.1 采樣存儲邏輯

采樣存儲邏輯完成數(shù)據(jù)的采集以及實時存儲。其邏輯形式及原理框圖如圖5所示。

圖5 采集存儲邏輯框圖

AT84AS001是ADC芯片。輸入的差分?jǐn)?shù)據(jù)直接接到FPGA的專用差分引腳。采集存儲控制邏輯包括LVDS接收以及數(shù)據(jù)重組等模塊，通過LVDS接收器將雙沿時鐘變?yōu)閱窝?，?shù)據(jù)重組模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)重新排序，還原原始數(shù)據(jù)流。最后在FIFO中進(jìn)行緩存。

3.1.2 校驗、成幀及編碼邏輯

校驗、成幀及編碼邏輯完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC編碼、成幀、8B/10B編碼和并串轉(zhuǎn)換。算法流程如圖6所示。

圖6 校驗、成幀及編碼算法流程圖

3.1.3 光發(fā)送器接口邏輯

光發(fā)送器接口邏輯完成幀數(shù)據(jù)到高速串行數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換。直接利用FPGA內(nèi)部的專用收發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 光發(fā)送器接口邏輯

幀數(shù)據(jù)首先南發(fā)射相位補償FIFO模塊進(jìn)行相位補償，抵消時鐘相位差，然后通過字節(jié)串行器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位，接著進(jìn)行8B/10B編碼，并由串行器轉(zhuǎn)換為高速數(shù)據(jù)流，由專用差分輸出口輸出。

3.2 接收端FPGA程序設(shè)計

發(fā)送端FPGA邏輯設(shè)計主要包括光接收器接口邏輯和解碼、解幀及校驗邏輯。

3.2.1 光接收器接口邏輯

TLK1501有一個狀態(tài)機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)測不同的工作狀態(tài)，即同步捕獲模式、同步模式和誤碼檢測模式。上電或復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入同步捕獲模式，當(dāng)接收到3個連續(xù)的IDLE碼或載波擴(kuò)展碼或1個有效數(shù)據(jù)或錯誤延時，即進(jìn)入同步模式。在同步模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常接收與發(fā)送。在這個模式下，TLK1501接收到一個無效代碼，狀態(tài)機(jī)立即進(jìn)入誤碼檢測模式。檢測模式收到4個連續(xù)無效代碼時，TLK1501立即重新進(jìn)入捕獲模式。TLK1501同步狀態(tài)機(jī)如圖8所示。

圖8 TLK1501同步狀態(tài)機(jī)

光接收器接口邏輯完成高速串行數(shù)據(jù)流到低速并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。使用串行收發(fā)器TLK1501,其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 光接收器接口邏輯

由專用差分端口輸入的高速數(shù)據(jù)經(jīng)時鐘恢復(fù)單元進(jìn)行時鐘恢復(fù)，串并轉(zhuǎn)換后進(jìn)行10B/8B解碼，最后傳給FPGA進(jìn)行解幀操作。

3.2.2 解碼、解幀及校驗邏輯

解碼、解幀及校驗邏輯完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行10B/8B解碼、解幀和CRC校驗，獲得有效數(shù)據(jù)。算法流程如圖10所示。

圖10 解碼、解幀及校驗算法流程圖

4 實驗仿真及波形

圖11是TLK1501穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)效果。由圖可以看出，TLK1501實現(xiàn)了實時穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。

圖11 TLK1501穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)效果圖

圖12是數(shù)據(jù)收發(fā)誤碼測試的仿真波形圖。data_all是到當(dāng)前時鐘為止已測試的數(shù)據(jù)總量，data_err是到當(dāng)前時鐘為止傳輸錯誤的數(shù)據(jù)總量，可以看出，在傳輸了百億個數(shù)據(jù)后，誤碼仍為零。

圖12 數(shù)據(jù)收發(fā)誤碼測試的仿真波形圖

5 結(jié)束語

研究設(shè)計了一種基于FPGA和光纖通訊的高速數(shù)字信號傳輸方案。實驗結(jié)果表明，該方案實現(xiàn)了高速數(shù)字信號的實時傳輸，具有信號傳輸誤碼率低、系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、抗干擾性強的優(yōu)點，由于實際需要，系統(tǒng)在接收端采用TLK1501,這就限制了光纖傳輸?shù)乃俾?，若采用FPGA內(nèi)部的光纖收發(fā)模塊，則可進(jìn)一步提高傳輸速率。