基于FPGA 的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)探究

徐志強(qiáng)

（中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，朔州 036900）

不管是國(guó)防范圍內(nèi)的導(dǎo)彈制造還是民用范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)目標(biāo)信息的傳輸和處理的實(shí)時(shí)性都有著較高的要求，而這種需求的滿足需要得到高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的支持。為了滿足社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展中的數(shù)據(jù)傳輸需求，有必要不斷提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，因此具有高速性的FPGA 光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

1.1 光纖通信技術(shù)

光纖通信技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，尤其是高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域應(yīng)用范圍。在各種光電器件性能逐步提升和完善的過(guò)程中，光纖通信技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步發(fā)展，不僅擁有更大的傳輸帶寬，而且傳輸速度也有了大大的提升。光電通信系統(tǒng)中的信號(hào)通常是從發(fā)射端發(fā)出，每次發(fā)送前都必須在光發(fā)射機(jī)里進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換處理，沿著光纖傳輸?shù)浇邮斩耍瑐鬏斶^(guò)程中的光損耗需要通過(guò)中繼器來(lái)補(bǔ)償，以此增加傳輸驅(qū)動(dòng)力。傳輸信號(hào)通過(guò)光接收機(jī)再次進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，以原始信號(hào)的形式輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)并行傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)不斷的升級(jí)和改進(jìn)后便得到了高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，從此朝著以高速傳輸為主要發(fā)展方向逐步升級(jí)。高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)硬件要求很高，為了充分滿足這一應(yīng)用需求，需要基于FPGA 結(jié)合可編輯邏輯資源和集成GTX 模塊配置收發(fā)器。在可編程發(fā)送端和CML 串行驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)上完成的電壓擺幅和終端配置具有很好的信號(hào)優(yōu)化作用，以保證數(shù)據(jù)路徑延遲的可行性，還需對(duì)線路的速率進(jìn)行合理的控制。此外，要將out-of-band 信號(hào)和beacon 信號(hào)充分的利用起來(lái)，滿足SATA 設(shè)計(jì)和PCIExpress 設(shè)計(jì)。

1.3 光纖通信技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)勢(shì)

光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)被廣泛的應(yīng)用到了各個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)傳輸中，這種以光纖為介質(zhì)、具備高頻率載波的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有很多優(yōu)勢(shì)，尤其是超大的傳輸容量和極高的載波頻率，這兩點(diǎn)都是當(dāng)前其他通信技術(shù)無(wú)法達(dá)到的。此外，還具有以下兩點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)：

第一，高保密性。現(xiàn)代信息化社會(huì)的數(shù)據(jù)具有共享性，這給人們生活和工作帶來(lái)便利的同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)安全隱患，但光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有很好的保密性，這也是該技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用的主要原因之一[1]。具有長(zhǎng)波光的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以在全反射模式下完成數(shù)據(jù)傳輸，這大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄裕又怨饫w作為傳輸介質(zhì)的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以發(fā)揮光纖的抵御電磁輻射功能，以此避免傳輸過(guò)程中外界電磁輻射對(duì)其造成影響。

第二，抗干擾性好。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，必須設(shè)法避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受外界干擾，以光纖為傳輸介質(zhì)的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)擁有固定的傳輸范圍，所以可以在很大程度上避免在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受到干擾，為了提升光纖通信技術(shù)的抗干擾性，通常在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)在其表面涂抹一層涂覆層。

2 基于FPGA 的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

2.1 光纖通信模塊

基于測(cè)試光纖通信模塊研究數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，關(guān)鍵在于判斷光纖通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)控制器對(duì)數(shù)據(jù)的收發(fā)控制功能是否已失效，與此同時(shí)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，選取高速傳輸時(shí)段的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率。在測(cè)試光纖通信模塊的過(guò)程中，可將FPGA 分為兩個(gè)不同的模式進(jìn)行檢測(cè)，一個(gè)是數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生，一個(gè)是數(shù)據(jù)幀檢測(cè)，當(dāng)中數(shù)據(jù)遞增為16位的是數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生模塊，對(duì)數(shù)據(jù)幀檢測(cè)模塊而言，模塊的輸送是其檢測(cè)工作中最為重要的部分，與此同時(shí)，還要根據(jù)檢測(cè)錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將每一個(gè)錯(cuò)誤位置都明確的標(biāo)記出來(lái)。測(cè)試工作的順利展開離不開對(duì)內(nèi)置自環(huán)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的充分利用，這樣才能有效的避免單一的收發(fā)模板運(yùn)用于光纖通信系統(tǒng)傳輸板上，用LC 連接器將兩個(gè)模塊連接在一起，為數(shù)據(jù)傳輸搭建渠道。測(cè)試工作的主要目的在于探究高速傳輸速率下的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可否實(shí)現(xiàn)無(wú)誤碼數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 PCIe 模塊

PCIe 模塊總線接收測(cè)試：首先要將所有數(shù)據(jù)的編寫工作在FPGA 內(nèi)一并完成，形成一個(gè)完整的模塊后再以多種不同的頻率傳輸數(shù)據(jù)，如果在DMA 編寫中進(jìn)行中斷操作，一定要將所有數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)軟件，對(duì)完成接收后數(shù)據(jù)進(jìn)行速率檢測(cè)，并有效的存儲(chǔ)結(jié)果數(shù)值，以對(duì)比的方式判斷數(shù)據(jù)誤碼情況。

PCIe 模塊總線發(fā)送測(cè)試：將所有有用的數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)磁盤上讀取出來(lái)，以PCle 總線作為渠道，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA，提取數(shù)據(jù)的方式通常都是采用中斷法，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊的編寫需要在內(nèi)部完成，在后期用于誤碼監(jiān)測(cè)。

PCIe 模塊總線接收與發(fā)送的同時(shí)測(cè)試：FPGA 通過(guò)PCIe 模塊從本地磁盤文件里讀取數(shù)據(jù)，將所獲數(shù)據(jù)信息原路回寫到本地磁盤中，通過(guò)一來(lái)一回的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)讀寫速率和誤碼情況進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備模塊

如果在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了寫盤速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳輸速度的情況，很有可能會(huì)出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)被洗掉的問(wèn)題，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，所以測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備模塊與光線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性有著直接的影響關(guān)系[2]。FPGA 在光纖接口部分完成了數(shù)據(jù)編碼和存儲(chǔ)，并在發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中對(duì)傳輸進(jìn)行控制，F(xiàn)PGA在接收部分分為兩個(gè)部分，與發(fā)送部分功能有著一致性的是PC19054，對(duì)于TLK2501數(shù)據(jù)邏輯的控制基于FPGA 的光纖接口位置就可以順利完成，同時(shí)還可以對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解碼分析，從每一個(gè)細(xì)節(jié)處助理數(shù)據(jù)在高速速率下傳輸?shù)木珳?zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，基于FPGA 的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景，由于其自身?yè)碛懈咚傩?、穩(wěn)定性、抗干擾性和精準(zhǔn)性等特征，所以在當(dāng)前已有的實(shí)踐應(yīng)用中取得了較好的效果。希望本文對(duì)有關(guān)領(lǐng)域理論和應(yīng)用的探索可以為今后的實(shí)踐發(fā)展提供一定的參考。