基于LVDS總線和8 b/10 b編碼技術(shù)的高速遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)計(jì)

郭虎鋒，陳香香，李 楠

（許繼電氣股份有限公司，許昌 461000）

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)信息傳輸速度的要求也越來(lái)越高，在長(zhǎng)距離的情況下像RS-232、RS-422、RS-485等串行數(shù)據(jù)接口傳輸標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸速度、噪聲、EMIEMC、功耗、成本等方面都難以實(shí)現(xiàn)要求。LVDS是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，它使得信號(hào)能在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以幾百M(fèi)b/s的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗[1-2]。但是LVDS只能滿足短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，為此在設(shè)計(jì)中用到了驅(qū)動(dòng)器和自適應(yīng)均衡器，為保證數(shù)據(jù)傳輸中的直流平衡，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中采用8 b/10 b編碼技術(shù)，這樣LVDS信號(hào)就可以在2 km的光纖上理想傳輸。光纖傳輸系統(tǒng)具有容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在通信傳輸方面有著不可替代的地位，有著很廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較復(fù)雜，不易近距離進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)的情況，設(shè)計(jì)方案主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集單元與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制單元之間的高速長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)框圖如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)采集單元使用FPGA為主控制器，負(fù)責(zé)控制采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)量進(jìn)行采集和調(diào)理，在內(nèi)部對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理編幀后使用8 b/10 b編碼技術(shù)編碼輸出，最后由LVDS模塊驅(qū)動(dòng)發(fā)送。遠(yuǎn)程控制單元使用LVDS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和均衡調(diào)節(jié)，之后由FPGA控制器對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和處理，最后送到上位機(jī)進(jìn)行解析。其中傳輸光纖長(zhǎng)度為2 km。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 LVDS總線長(zhǎng)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

圖2 LVDS模塊框圖Fig.2 LVDS module block diagram

LVDS模塊硬件連接框圖如圖2所示，為一端接口模塊框圖，進(jìn)行通訊的兩端具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)。DS92LV1203和DS92LV1224是2種LVDS芯片，DS92LV1203是可將10位并行CMOS或TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有內(nèi)嵌時(shí)鐘的高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)流的串行器；DS92LV1224則是接收該差分?jǐn)?shù)據(jù)流并將它們轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的解串器，串行器和解串器在應(yīng)用中一般配套使用[3]。CLC006和CLC014分別是高速驅(qū)動(dòng)器和自適應(yīng)均衡器，LVDS信號(hào)在發(fā)送端需要高速驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線遠(yuǎn)距離傳輸后信號(hào)會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，因此在長(zhǎng)距離的接受終端應(yīng)由自適應(yīng)均衡器來(lái)接受并調(diào)節(jié)、均衡。

設(shè)計(jì)中采用的是集收發(fā)于一體的光纖模塊，在發(fā)送端，串行器DS92LV1023將外部并行數(shù)據(jù)串化成串行數(shù)據(jù)，此時(shí)該串行器輸出的差分壓差是100 mV左右，這種小壓差只能傳輸不到10 m的距離，但加上CLC006這款電纜驅(qū)動(dòng)芯片后，其輸出壓差可達(dá)到2 V，這樣就可以驅(qū)動(dòng)地面光纖2 km以上的距離。信號(hào)經(jīng)LVDS芯片后轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS信號(hào)，而光纖模塊要傳輸?shù)氖荓VPECL電平，在設(shè)計(jì)中采用電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)2種電平之間的耦合轉(zhuǎn)換。發(fā)送端部分電路圖如圖3所示。電阻R55、R57、R36、R37就是 為 實(shí) 現(xiàn) LVDS電平和LVPECL電平的耦合而設(shè)計(jì)的電阻網(wǎng)絡(luò)，R38為100 Ω是差分信號(hào)的阻抗匹配電阻。DS92LV1023芯片的TCLK時(shí)鐘輸入為40 Hz～60 Hz，管腳接入FPGA，由FPGA內(nèi)部給出驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。TCLK_R/F管腳是控制DS92LV1023芯片在TCLK的上升沿還是下降沿取數(shù)，F(xiàn)PGA內(nèi)部程序中給TCLK_R/F賦值 ‘1’，在TCLK的上升沿取數(shù)。PWRDN直接接到3.3 V電平上，使DS92LV1023芯片一直處于主動(dòng)工作狀態(tài)。對(duì)R53阻值的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)CLC006驅(qū)動(dòng)能力的調(diào)節(jié)。

接收端部分電路如圖4所示，光纖傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)經(jīng)CLC014自適應(yīng)均衡器均衡接受后送至DS92LV1224解串器進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。DS92LV1224的RCLK接入FPGA的IO口，時(shí)鐘由FPGA輸入。PWRDN和REN管腳直接接到3.3 V電平上，解串器處在主動(dòng)工作狀態(tài)。

3 8 b/10 b編碼技術(shù)

圖3 LVDS接口發(fā)送端硬件電路圖Fig.3 LVDS sender hardware circuit diagram

圖4 LVDS接口接收端硬件電路圖Fig.4 LVDS receiver hardware circuit diagram

在高速串行數(shù)據(jù)傳輸中，當(dāng)數(shù)據(jù)流中有多個(gè)連續(xù)的邏輯‘1’或邏輯‘0’時(shí)，信號(hào)的轉(zhuǎn)換就會(huì)因?yàn)殡妷何浑A段關(guān)系而造成信號(hào)錯(cuò)誤，而直流平衡可以有效克服此問(wèn)題。8 b/10 b編碼特性之一便是可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹绷髌胶?，采? b/10 b編碼方式，可以使發(fā)送數(shù)據(jù)流中的邏輯‘1’和邏輯‘0’數(shù)量基本持平，連續(xù)的邏輯‘1’或邏輯‘0’不會(huì)超過(guò) 5位，即每5個(gè)連續(xù)的邏輯‘1’或邏輯‘0’后必須插入1位‘0’或‘1’，從而保證傳輸信號(hào)的直流平衡。這樣使用8 b/10 b編碼技術(shù)后，10 b中的邏輯 ‘1’和邏輯‘0’的位數(shù)只可能出現(xiàn)以下3種情況：

（1）5 個(gè)邏輯‘1’和 5 個(gè)邏輯‘0’；

（2）6 個(gè)邏輯‘1’和 4 個(gè)邏輯‘0’；

（3）4 個(gè)邏輯‘1’和 6 個(gè)邏輯‘0’。

這3種情況對(duì)應(yīng)的Disparity分別為0、+2、-2[4]。

3.1 編碼原理

8 b/10 b編碼方法是按照一定的編碼規(guī)則把8 bit的數(shù)據(jù)編碼成10 bit的數(shù)據(jù)。8 bit的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)268個(gè)有效編碼列表，包括256個(gè)數(shù)據(jù)編碼和12個(gè)控制字編碼。其中控制字編碼主要用于建立位同步、鏈路診斷、標(biāo)示數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始與結(jié)束。一般首先把8 bit的數(shù)據(jù)分成2部分：低5位（EDCBA）和高3位（HGF），分別按照編碼規(guī)則進(jìn)行5 b/6 b編碼和3 b/4 b編碼，之后合并輸出編碼后的10 bit的數(shù)據(jù)（jhgfiedcba）[5]。編碼原理如圖 5所示。

圖5 8 b/10 b編碼原理圖Fig.5 8 b/10 b encoding principle diagram

介紹編碼規(guī)則之前，先引入RD（running dis-parity）參數(shù)的概念，RD表示數(shù)據(jù)的不平衡度，即表示數(shù)據(jù)中邏輯‘1’和邏輯‘0’的不平衡度，如果邏輯‘1’的個(gè)數(shù)大于邏輯‘0’的個(gè)數(shù)，則用 RD-表示；如果邏輯‘0’的個(gè)數(shù)大于邏輯‘1’的個(gè)數(shù)，則用RD+表示；如果邏輯‘0’的個(gè)數(shù)和邏輯‘1’的個(gè)數(shù)相等，則可用RD+或RD-表示。編碼過(guò)程中，通過(guò)對(duì)RD的極性判斷來(lái)選擇對(duì)應(yīng)碼表中的碼組。

編碼規(guī)則是這樣的，系統(tǒng)復(fù)位后默認(rèn)RD初始極性為 “-”，根據(jù)當(dāng)前的RD極性來(lái)從碼表的2個(gè)10 b中選擇一個(gè)做為當(dāng)前8 b的編碼，即先有RD極性，后對(duì)8 b進(jìn)行編碼，再根據(jù)此10 b編碼決定下一個(gè)RD的極性，決定RD次態(tài)極性的規(guī)則如下：如果編碼后的10 b碼組中‘1’的個(gè)數(shù)與‘0’的個(gè)數(shù)相等，則次態(tài)極性保持不變；如果‘1’的個(gè)數(shù)與‘0’的個(gè)數(shù)不等，則次態(tài)的極性為當(dāng)前極性的反轉(zhuǎn)。無(wú)論是普通數(shù)據(jù)碼組、特殊數(shù)據(jù)碼組還是K控制碼組都符合以上的編碼規(guī)則。表1是RD轉(zhuǎn)換規(guī)則。

表1 RD轉(zhuǎn)換規(guī)則表Tab.1 RD transformation rules table

圖6 8 b/10 b編碼實(shí)現(xiàn)流圖Fig.6 8 b/10 b encoding implementation flow chart

編碼過(guò)程實(shí)現(xiàn)流圖如圖6所示，編碼過(guò)程經(jīng)由5 b/6 b編碼模塊、3 b/4 b編碼模塊和RD控制模塊完成。在5 b/6 b編碼模塊和3 b/4 b編碼模塊中，由變量控制單元和查找表邏輯實(shí)現(xiàn)輸入源碼到碼組的映射，大部分源碼對(duì)應(yīng)2種極性的碼組。在RD控制模塊中，初始RD為上電RD初值（上電或復(fù)位情況下，一般為RD-）或?yàn)樯弦淮?0 b編碼后生成的RD，根據(jù)此RD極性來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的6 b碼組，同時(shí)決定次態(tài)RD；然后根據(jù)5 b/6 b編碼生成的RD極性來(lái)判斷選擇對(duì)應(yīng)的4 b碼組，并生成次態(tài)RD，最后的RD作為下一個(gè)10 b編碼的初始RD。最終把編碼后的6 b與4 b進(jìn)行組合，輸出10 b數(shù)據(jù)。

在FPGA內(nèi)部可以選擇自己編寫(xiě)邏輯使用查找表的方法實(shí)現(xiàn)或者使用內(nèi)部現(xiàn)有的IP核（encode_8 b/10 b）實(shí)現(xiàn)。

3.2 解碼原理

8 b/10 b的解碼過(guò)程相對(duì)編碼過(guò)程較簡(jiǎn)單，是編碼的逆過(guò)程，分別采用6 b/5 b和4 b/3 b來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼，此轉(zhuǎn)換映射是多對(duì)一的關(guān)系。在5 b/6 b和3 b/4 b解碼之后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷是否產(chǎn)生誤碼，如果為有效數(shù)據(jù)則進(jìn)行8 b輸出。解碼流程圖如圖7所示。

圖7 8 b/10 b解碼流程圖Fig.7 8 b/10 b decoding flow chart

在FPGA內(nèi)部可以選擇自己編寫(xiě)邏輯使用查找表的方法實(shí)現(xiàn)或者使用內(nèi)部現(xiàn)有的IP核（decode_8 b/10 b）實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)踐考核，證實(shí)了此設(shè)計(jì)是可行的。在測(cè)試當(dāng)中，現(xiàn)場(chǎng)采集端信號(hào)源模擬產(chǎn)生了00～FF的遞增數(shù)據(jù)，傳輸速度為400 Mb/s，經(jīng)過(guò)2 km長(zhǎng)線傳輸，數(shù)據(jù)衰減現(xiàn)象較弱，數(shù)據(jù)正確無(wú)誤碼。如圖8為上位機(jī)收到的數(shù)據(jù)拆分解包后繪出的圖形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于LVDS總線和8 b/10 b編碼技術(shù)的遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)計(jì)，傳輸中采用光纖為傳輸介質(zhì)，完成了以400 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸碼率在2 km以上遠(yuǎn)距離的理想傳輸。終端采用USB接口，使得設(shè)計(jì)更加通用、方便。此設(shè)計(jì)已經(jīng)成功地投入實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，傳輸性能可靠、穩(wěn)定。

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