基于FPGA的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李欣，管紹軍，胡曉天

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080）

光纖收發(fā)器與FPGA技術(shù)相結(jié)合的方案是現(xiàn)在光纖通信系統(tǒng)的主流解決方案。目前，在超高速光纖通信中還多采用專用的ASIC芯片，但最近各FPGA廠商也相繼推出了40Gbps、4x10Gbps、100Gbps 和 10x10Gbps 等 FPGA 芯片 ，使基于FPGA超高速光纖通信的實(shí)現(xiàn)成為可能。FPGA的可編程特性，具有ASIC芯片無(wú)法比擬的優(yōu)越性。所以基于FPGA的光纖通信有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖通信系統(tǒng)主要由位同步時(shí)鐘提取模塊、8B/10B編解碼器模塊和NRZI編解器模塊組成，主要功能框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)經(jīng)8B/10編碼后，能在很大程度上平衡位流中0與1的個(gè)數(shù)，而NRZI編碼又做了進(jìn)一步的平衡，主要是為了使信號(hào)狀態(tài)變化趨于頻繁以便位同步時(shí)鐘提取模塊更好、更快的提取出位同步時(shí)鐘。編碼后的信號(hào)為L(zhǎng)VTTL電平信號(hào)，先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為PECL電平信號(hào)，再由光發(fā)送接收模塊轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入光纖傳輸介質(zhì)。經(jīng)光纖傳輸后，在接收端先經(jīng)光發(fā)送接收模塊把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為PECL電平信號(hào)，再由電平轉(zhuǎn)換模塊把PECL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VTTL電平信號(hào)，同時(shí)位同步時(shí)鐘提取模塊提取出同步時(shí)鐘，為解碼模塊提供參考時(shí)鐘。最后，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后數(shù)據(jù)輸出。

圖1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Fiber communication system block schematic diagram

2 位同步時(shí)鐘提取的FPGA實(shí)現(xiàn)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，任何消息都是通過(guò)一連串的碼元序列傳送的，所以接收時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候取樣判決。這就要求接收端必須提供一個(gè)位定時(shí)脈沖序列，該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同，相位與最佳取樣判決時(shí)刻一致。這種提取定時(shí)脈沖序列的過(guò)程稱為位同步。同步性能的好壞直接影響通信系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)同步誤差或失去同步就會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降或通信中斷。

提取位同步信號(hào)有多種方法，其中最常用的是數(shù)字鎖相法。其基本原理[1]是：在接收端利用鑒相器比較接收碼元和本地產(chǎn)生的位同步信號(hào)的相位，若兩者相位不一致（超前或滯后），鑒相器就產(chǎn)生誤差信號(hào)去調(diào)整位同步信號(hào)的相位，直至獲得準(zhǔn)確的位同步信號(hào)為止。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字鎖相法提取位同步時(shí)鐘，主要由鑒相器、分頻器和相位選擇調(diào)整模塊等幾大部分組成。其功能框圖如圖2所示。

圖2 位同步時(shí)鐘提取功能框圖Fig.2 Extraction of bit synchronization signal block schematic diagram

CLK_local是利用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻后得到的高穩(wěn)定度、高頻時(shí)鐘。CLK1是CLK_local經(jīng)N次分頻后得到的，分頻系數(shù)N要求滿足分頻后的時(shí)鐘CLK1等于所要提取出的位同步時(shí)鐘R_clk。Din為接收到的碼元。Valid為超前、滯后鑒相器的使能輸出，Up_Down為超前、滯后鑒相器的比較輸出，Valid為邏輯0時(shí)關(guān)閉模增/減計(jì)數(shù)器，Valid為邏輯1時(shí)開(kāi)啟模增/減計(jì)數(shù)器，如果位同步時(shí)鐘滯后時(shí)Up_Down的輸出為邏輯0，使模增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)，如果位同步時(shí)鐘超前時(shí)Up_Down的輸出為值為邏輯1，使模增/減計(jì)數(shù)器進(jìn)行增計(jì)數(shù)。

接收到的碼元經(jīng)超前、滯后鑒相器后，如果位同步時(shí)鐘滯后則計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，從而通過(guò)多路選擇器后減少一個(gè)單位的延遲，反之如果位同步時(shí)鐘超前則計(jì)數(shù)器進(jìn)行增計(jì)數(shù)，從而通過(guò)多路選擇器后增加一個(gè)單位的延遲。

3 直流平衡8B/10B編/解碼的FPGA實(shí)現(xiàn)

8B/10B編碼（以下簡(jiǎn)稱8B/10B）作為一種高性能的串行數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)，其基本思想就是將一個(gè)字節(jié)寬度的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)映射機(jī)制（Mapping Rule）轉(zhuǎn)化為10為寬度的字符，但是平衡了位流中0與1的個(gè)數(shù)，也就是所謂的直流平衡特性。同時(shí)規(guī)定位流中0或1的游程長(zhǎng)度（Run Length）的最大值不能大于5，以使得傳輸過(guò)程保持足夠高的信號(hào)變換頻率，這樣不僅確保了時(shí)鐘恢復(fù)也使得信息流的直流頻譜分量為零或近乎為零，而正是這些特性使得8B/10B編碼特別適合光纖等介質(zhì)的連接和信息傳輸。

3.1 直流平衡8B/10B編碼

如圖3所示，通信適配接口的輸入由一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)（ABCDEFGH）、一個(gè)控制信號(hào)（Z）以及一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)組成，其中時(shí)鐘采樣以字節(jié)為單位?？刂菩盘?hào)Z是數(shù)據(jù)信號(hào)或控制信號(hào)的標(biāo)示位。輸入數(shù)據(jù)ABCDEFGH被分成兩部分，其中ABCDE經(jīng)5B/6B編碼生成6比特字符abcdei，而FGH經(jīng)3B/4B編碼得到fghj，最后組合輸出得到10比特的傳輸字符abcdeifghj。

圖3 8B/10B編碼模塊圖Fig.3 8B/10B encoding block schematic diagram

3.2 編碼器設(shè)計(jì)

從編碼的種類看，直流平衡8B/10B編碼可分為數(shù)據(jù)字符編碼和控制字符編碼兩種，但是從編碼的組成看，它又可分為3B/4B編碼、5B/6B編碼兩部分。根據(jù)圖3 8B/10B編碼模塊圖將編碼器設(shè)計(jì)劃分為3個(gè)模塊：3B/4B編碼模塊、5B/6B編碼模塊和Dispartity運(yùn)算模塊?；赩erilog語(yǔ)言的8B/10B編碼模塊圖，如圖4所示。

圖4 8B/10B編碼模塊圖Fig.4 8B/10B encoding logic diagram

datain[8:0]為編碼數(shù)據(jù)輸入引腳。datain[4:0]為5位5B/6B編碼數(shù)據(jù)輸入端，即為ABCDE，其中E為最高位，分別用ai、bi、ci、di和 ei表示每一位。 datain[7:5]為 3 位 3B/4B 編碼數(shù)據(jù)輸入端，即FGH，其中H為最高位，分別用fi、gi和hi表示每一位。datain[8]為控制字符編碼標(biāo)示位，用ki表示，ki為1表示為控制字符編碼，為0表示為數(shù)據(jù)字符編碼。dispin為8B/10B編碼前的RD輸入引腳；dispout為8B/10B編碼后的RD輸出引腳。dataout[9:0]為編碼數(shù)據(jù)輸出引腳。dataout[5:0]為8B/10B編碼后5B/6B編碼模塊對(duì)應(yīng)輸出引腳。dataout[6:9]為8B/10B編碼后3B/4B編碼模塊對(duì)應(yīng)輸出引腳。

8B10B編碼器ModelSim仿真波形如圖5所示。其中datain、dispin、dispout和 dataout分別為圖 4編碼模塊圖對(duì)應(yīng)的信號(hào)。 仿真時(shí)選取了 D31.2 （RD+）、D31.0 （RD-）、D28.0（RD+）和 K28.0（RD+）作為仿真輸入信號(hào)。

圖5 8B/10B編碼器仿真波形圖Fig.5 8B/10B encoder simulation wave

4 NRZI編/解碼的FPGA實(shí)現(xiàn)

NRZI（Non-Return to Zero Inverted不歸零反轉(zhuǎn)）編碼是在數(shù)據(jù)位1時(shí)發(fā)生跳變，為0時(shí)保持不變的一種編碼。在光線通信中，由于光纖固有的特性，信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間的置0或置1容易造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，應(yīng)當(dāng)盡量避免這種情況發(fā)生，NRZI編碼能夠很好地解決這一問(wèn)題。前面的8B/10B編碼已經(jīng)在很大程度上緩解了這個(gè)問(wèn)題，但為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，在8B/10B編碼的基礎(chǔ)上加入一級(jí)NRZI編碼。

4.1 NRZI編碼器設(shè)計(jì)

NRZI的編碼規(guī)則是：數(shù)據(jù)位為1時(shí)發(fā)生跳變，為0時(shí)保持當(dāng)前狀態(tài)。圖6為本設(shè)計(jì)采用的NRZI編碼電路。其中，DFF為D觸發(fā)器，XOR為異或門；data_in為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)來(lái)自編碼后的8B/10B碼；clock為NRZI編碼時(shí)鐘，clock時(shí)鐘頻率為data_in碼元速率的2倍頻 （由FPGA倍頻電路實(shí)現(xiàn)）；NRZI_data為NRZI編碼器輸出。

圖6 NRZI編碼電路Fig.6 NRZI encoding logic diagram

下面以一具體實(shí)例說(shuō)明NRZI的編碼過(guò)程。8B/10B碼D30.0（011110 0100）和 D7.1（111000 0100）編碼后的波形圖如圖7所示。經(jīng)NRZI編碼后信號(hào)狀態(tài)變化更加頻繁，這些狀態(tài)變化使得接收器能夠持續(xù)地與輸入信號(hào)向相適應(yīng)，這樣就保證了發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的同步。由于8B/10B碼的有效編碼中都至少有4位“1”，從而保證了傳輸?shù)男盘?hào)至少發(fā)生4此跳變，以利于接收端的時(shí)鐘提取。

圖7 NRZI編碼波形Fig.7 NRZI encoding wave

NRZI編碼器ModelSim仿真波形如圖8所示。data_in輸入數(shù)據(jù)分別為D30.0和D7.1。

圖8 NRZI編碼器仿真波形圖Fig.8 NRZI encoding simulation wave

4.2 NRZI解碼器設(shè)計(jì)

NRZI解碼器設(shè)計(jì)是NRZI編碼器的逆過(guò)程。圖9為本設(shè)計(jì)采用的NRZI解碼電路。其中，DFF為D觸發(fā)器，XOR為異或門。NRZI_data為信號(hào)輸入端，數(shù)據(jù)來(lái)自經(jīng)光纖傳輸?shù)腘RZI碼；clock時(shí)鐘頻率同編碼起時(shí)鐘頻率，即為NRZI_data碼元速率的2倍 （由FPGA倍頻電路實(shí)現(xiàn)）；data_out為解碼器輸出。

圖9 NRZI解碼電路Fig.9 NRZI decoding logic diagram

NRZI解碼器ModelSim仿真波形如圖10所示。NRZI_data輸入數(shù)據(jù)分別為D30.0和D7.1編碼后的數(shù)據(jù)。

圖10 NRZI解碼器仿真波形圖Fig.10 NRZI decoding simulation wave

5 結(jié)束語(yǔ)

文中主要用Verilog語(yǔ)言編寫了位同步時(shí)鐘提取模塊、8B/10B編解碼模塊、NRZI編解碼模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖通信。8B/10B編碼很好地平衡了位流中0和1的個(gè)數(shù)，特別適合光纖介質(zhì)的信息傳輸；NRZI編碼使信號(hào)的狀態(tài)變化更加頻繁，進(jìn)一步增強(qiáng)了發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備的可同步性；位同步時(shí)鐘提取使得發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備保持同步，同時(shí)為接收端解碼器提供可靠的時(shí)鐘參考。這幾大模塊相輔相成，共同維持光纖通信系統(tǒng)可靠、高效的運(yùn)行。

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