基于GTX串行收發(fā)器的高速Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸

張甫愷，崔 明，張維達(dá)

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春 130033)

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基于GTX串行收發(fā)器的高速Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸

張甫愷，崔 明，張維達(dá)

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春 130033)

針對目前Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)當(dāng)中的不足，以實現(xiàn)高帶寬的Cameralink-Full模式數(shù)字圖像實時遠(yuǎn)距離傳輸為目的，對基于GTX串行收發(fā)器的數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究；系統(tǒng)采用GTX串行收發(fā)器代替編解碼芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換功能，再通過數(shù)據(jù)通道的時分復(fù)用提高GTX串行收發(fā)器的傳輸帶寬以及利用異步FIFO數(shù)據(jù)緩存處理等提高數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性；實驗結(jié)果表明，GTX串行收發(fā)器的數(shù)據(jù)誤碼率達(dá)到10-12以下，光纖傳輸系統(tǒng)傳輸帶寬達(dá)到4.19Gb/s。

Cameralink；GTX串行收發(fā)器；圖像傳輸；光纖通訊

0 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)相機拍攝的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量越來越大，這對數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)的帶寬以及傳輸速率提出了更高的要求。光纖技術(shù)具有抗干擾、保密性好以及通信容量大等優(yōu)點，適用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，采用光作為傳輸介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信中。采用高性能的FPGA設(shè)計高速光收發(fā)器具有體積小、功耗低以及設(shè)計生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，近來受到廣泛關(guān)注[1-2]。Xilinx公司在FPGA內(nèi)部集成的GTX(Gigabit Transceiver)串行收發(fā)器，采用CDR、線路編碼、預(yù)加重及相位補償?shù)燃夹g(shù)，可以極大地減小線路噪聲、時鐘失真和信號衰減對數(shù)據(jù)的影響，設(shè)計實現(xiàn)的光纖收發(fā)器串行速率可以達(dá)到12Gb/s[3]。

Cameralink接口是目前工業(yè)數(shù)字相機的主要輸出接口之一，已廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。目前國內(nèi)針對Cameralink接口的光纖傳輸系統(tǒng)普遍集中在Cameralink-Base這種工作模式上，且串行傳輸常采用TLK2711、DS90UR241這些編解碼芯片實現(xiàn)，其傳輸帶寬低且設(shè)計不靈活，對于圖像位數(shù)較高的相機還需要增加光纖數(shù)量來擴展數(shù)據(jù)位數(shù)[4-6]。本文提出利用GTX高速串行收發(fā)器設(shè)計數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)，通過異步FIFO數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)通道時分復(fù)用、圖像數(shù)據(jù)重建等處理，最大限度的提高傳輸帶寬，實現(xiàn)Cameralink-Full模式的數(shù)字圖像傳輸，傳輸帶寬達(dá)到4.19 Gb/s。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)以Kintex7 XCYK325T FFG900作為核心，其包含的GTX高速串行收發(fā)器通道速率最大可達(dá)到XXX.XGb/S；采用125 MHz的差分晶振為高速串行收發(fā)器提供高質(zhì)量的時鐘，100 MHz的普通時鐘作為系統(tǒng)的參考時鐘；發(fā)送端外接芯片DS90CR288將Cameralink接口中的LVDS信號轉(zhuǎn)換成TTL信號，接收端對應(yīng)采用DS90CR287再將FPGA的輸出恢復(fù)成LVDS數(shù)據(jù)，相機觸發(fā)信號及串行通信信號直接利用FPGA的LVDS專用接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)發(fā)送端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)

2 光纖傳輸方案設(shè)計

圖2所示為Cameralink數(shù)字圖像的光纖傳輸設(shè)計方案。在發(fā)送端，經(jīng)DS90CR288轉(zhuǎn)換后的Cameralink圖像數(shù)據(jù)通過異步FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存重建，將圖像數(shù)據(jù)從相機時鐘轉(zhuǎn)換到串行收發(fā)器同步時鐘的時鐘域；由于GTX收發(fā)器的輸入時鐘頻率較高，直接利用其讀取數(shù)據(jù)會造成帶寬的浪費，在FIFO之后加入數(shù)據(jù)通道時分復(fù)用模塊，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)流經(jīng)GTX串行收發(fā)器其轉(zhuǎn)化成高速串行數(shù)據(jù)送入到SFP光模塊中；在接收端，利用高速串行收發(fā)器依照協(xié)議將SFP光模塊傳輸過來的高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，從時分?jǐn)?shù)據(jù)中恢復(fù)出圖像數(shù)據(jù)，再經(jīng)異步FIFO將圖像數(shù)據(jù)從串行收發(fā)器的同步時鐘轉(zhuǎn)換到接收端本地系統(tǒng)時鐘，完成了數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的光纖傳輸。

圖2 Cameralink數(shù)字圖像光纖傳輸設(shè)計方案

2.1 GTX串行收發(fā)器

GTX收發(fā)器是Xilinx公司在FPGA內(nèi)部集成的高速串行收發(fā)模塊，其能提供600 Mbps到12 Gbps的數(shù)據(jù)線路速率，支持各種物理層協(xié)議，包括光纖、以太網(wǎng)、PCIE等常用接口；GTX收發(fā)器由PMA(物理媒介適配層)和PCS(物理編碼子層)構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。其中，PMA子層主要用于數(shù)據(jù)的串行化及解串、PCS子層主要用于CRC校驗及線路編碼，外部提供的GTX參考時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)為整個模塊提供工作時鐘。

圖3 GTX串行收發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

設(shè)計中設(shè)置GTX串行收發(fā)器的數(shù)據(jù)線路速率為10 Gbps，配置的協(xié)議格式為Aurora協(xié)8b10b協(xié)議的4字節(jié)單通道模式，收發(fā)器的參考時鐘為125 MHz(GTX REFFCLK)；設(shè)置外部數(shù)據(jù)寫入為32位數(shù)據(jù)，外部數(shù)據(jù)寫入時鐘為250 MHz(TX USERCLK)，Comma檢測及對齊使用K28.5，使能RX緩沖功能等。光纖收發(fā)器的接收和發(fā)送端口直接與GTX串行收發(fā)器的發(fā)送端和接收端相連，使用時只需要編寫接口及復(fù)位程序即可完成光纖通訊。

2.2 異步FIFO數(shù)據(jù)緩存

由于GTX串行收發(fā)器的參考時鐘需要高精度外部差分晶振布線至專用的GTX時鐘輸入管腳提供，不同數(shù)字相機輸出的像素時鐘往往不同且像素時鐘的精度不高，所以為了提高穩(wěn)定性以及適應(yīng)不同像素時鐘相機，系統(tǒng)采用異步FIFO數(shù)據(jù)緩存的方法來解決圖像數(shù)據(jù)到GTX串行收發(fā)器之間的時鐘域匹配問題。

圖4 異步FIFO數(shù)據(jù)緩存原理

圖4所示為異步FIFO數(shù)據(jù)緩存原理框圖，異步FIFO緩存模塊以相機輸出的像素時鐘作為FIFO的寫輸入時鐘，將奇數(shù)及偶數(shù)行圖像數(shù)據(jù)分別寫入兩個FIFO中；讀FIFO控制器再根據(jù)行、場同步信號以及寫FIFO控制器狀態(tài)產(chǎn)生讀控制信號，以GTX高速串行收發(fā)器的時鐘作為FIFO的讀時鐘，讀出的圖像數(shù)據(jù)再經(jīng)過圖像重建后產(chǎn)生新的行場數(shù)據(jù)，完成了圖像數(shù)據(jù)的時鐘域匹配。

2.3 數(shù)據(jù)通道時分復(fù)用

目前使用的大部分工業(yè)相機像素時鐘低于80 MHz，在異步FIFO緩存中，如果直接采用GTX串行收發(fā)器的外部數(shù)據(jù)寫入時鐘(250 MHz)讀取數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的話，會造成帶寬極大的浪費；并且Cameralink-Full工作模式下一個像素時鐘需要傳輸64位圖像數(shù)據(jù)、行有效信號、列有效信號、數(shù)據(jù)有效信號、以及相機觸發(fā)信號和串行通信信號，共計74位數(shù)據(jù)；GTX串行收發(fā)器的外部數(shù)據(jù)寫入位數(shù)為32位，直接傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)不夠，所以設(shè)計在FIFO異步緩存之后需要加入數(shù)據(jù)時分復(fù)用模塊，通過數(shù)據(jù)通道的時分復(fù)用，達(dá)到數(shù)據(jù)位數(shù)的擴展，時分復(fù)用的原理如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)通道時分復(fù)用原理

以Cameralink-Base數(shù)據(jù)發(fā)送端時分復(fù)用為例，采用數(shù)字鎖相環(huán)將數(shù)據(jù)寫入時鐘(TX USERCLK)三分頻產(chǎn)生異步FIFO讀時鐘(TX DIVCLK)，利用這個時鐘讀取出圖像數(shù)據(jù)，BASE的數(shù)據(jù)一共為28位，除第23位為空閑位不用之外，在連續(xù)的3個寫入時鐘中分別發(fā)送低、中、高9位數(shù)據(jù)，再加上一位指示位(1表示當(dāng)前數(shù)據(jù)為高9位數(shù)據(jù))，通過這樣的數(shù)據(jù)通道時分復(fù)用，可以實現(xiàn)用10位數(shù)據(jù)通道來傳輸Cameralink-Base圖像數(shù)據(jù)，接收端時分?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)的功能就是在連續(xù)3個讀出周期中讀出數(shù)據(jù)，根據(jù)指示位將他們合成，再以分頻時鐘輸出；由于分頻之后的時鐘為83.3 MHz，這樣像素時鐘不大于80 MHz的圖像均可傳輸；而且對于Camera-Full模式的圖像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)通路時分復(fù)用之后，需要30位的數(shù)據(jù)通道，GTX串行收發(fā)器完全能夠完整傳輸數(shù)據(jù)，這樣代表著使用GTX串行收發(fā)器的光纖傳輸系統(tǒng)僅需要單根光纖即可完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

3 實驗結(jié)果分析

實驗首先測試GTX串行收發(fā)器的性能，利用10G帶寬的SFP光模塊連接收發(fā)器的發(fā)送端與接收端；編寫計數(shù)器模塊，以250 MHz的系統(tǒng)頻率產(chǎn)生0x00000000—0x7FFFFFF的32位遞增序列碼，該序列碼經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后發(fā)出，經(jīng)過光纖后，在接收端編寫測試模塊測試所接數(shù)據(jù)是否按照協(xié)議遞增，并給出序列碼狀態(tài)指示位；采用分析工具ChipScope觀測FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)，得到的實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 自定義協(xié)議GTX串行收發(fā)器傳輸實驗測試

從圖6中可以看出，GTX串行收發(fā)器接收端的數(shù)據(jù)與發(fā)送端的序列碼完全相同，說明功能正確，測試時間為10分鐘，一共發(fā)送4.8×1012bit數(shù)據(jù)，序列碼狀態(tài)指示位正常，未見誤碼，可以得到GTX串行收發(fā)器的誤碼率低于10-12。

利用本設(shè)計實現(xiàn)型號為MC1362的MIKROTRON可見相

機的Cameralink數(shù)字圖像的光纖傳輸，實驗中設(shè)置相機的幀頻為500 Hz，分辨率為1 024*1 024，相機工作模式為8*8 bit，數(shù)字圖像的傳輸帶寬為4.19 Gb/s；將相機輸出的Cameralink-Full的接口連接在圖像發(fā)送端上，利用DALSA采集卡采集圖像接收端輸出的圖像，輸出圖像清晰穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文利用GTX串行收發(fā)器代替光纖傳輸系統(tǒng)中常用的編解碼芯片設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)字圖像的光纖傳輸，并通過數(shù)據(jù)通道的時分復(fù)用、異步FIFO數(shù)據(jù)緩存技術(shù)等提高了系統(tǒng)的傳輸帶寬，適應(yīng)性；實驗結(jié)果表明，GTX串行收發(fā)器的傳輸通道誤碼率低，數(shù)字圖像光纖傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定，傳輸圖像效果較好，傳輸帶寬達(dá)到4.19 Gb/s。

[1]肖兒良，韋榮明，彥文超,等.基于Aurora及CameraLink的高速數(shù)字圖像傳輸[J].信息技術(shù)，2015，4(25)：94-101.

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Optical Fiber Transmission for High-speed Cameralink Digital Image Based on GTX Series Transceiver

Zhang Fukai, Cui Ming, Zhang Weida

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)

In order to achieve high-bandwidth real-time Cameralink-Full mode digital image for the purpose of long-distance transmission, the Cameralink digital image optical fiber transmission system based GTX serial transceiver is provided for the shortcomings of current systems. Increase the transmission bandwidth and the suitability of the digital image optical fiber transmission system by using GTX serial transceiver replace encoding and decoding chip to realize the serial data conversion function, time division multiplexing of channels and asynchronous FIFO. Experimental results show that, GTX serial transceivers data error rate of 10-12or less, the transmission bandwidth of the optical fiber transmission system reach 4.19 Gb/s.

Cameralink; GTX serial transceiver; image transmission; fiber optic

2015-12-14；

2016-01-07。

中國科學(xué)院三期創(chuàng)新工程(Y10532B110)。

張甫愷(1989-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事激光及光電通訊技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0192-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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