FPGA光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)展研究

韋美佳

【摘要】? ? 隨著社會各生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用需求多樣化，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為一種可編程邏輯，成為人們談?wù)摰闹匾掝}。FPGA光纖通信數(shù)據(jù)為計算機(jī)、通信、汽車電子等設(shè)備設(shè)計注入了新的技術(shù)的改革和發(fā)展活力，但在長久的發(fā)展中任舊存在一系列的問題?；贔PGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，硬件部分由光纖收發(fā)模塊、GTX收發(fā)器、PCIe總線、PCIe接口控制器和高速存儲設(shè)備組成，軟件部分由經(jīng)測試驅(qū)動及應(yīng)用配置兩部分組成，具有較高的實際應(yīng)用價值和綜合價值，本文旨在解決半實物仿真合作項目中數(shù)據(jù)傳輸速度慢的問題，筆者提出使用FPGA實時性強(qiáng)的光纖通信高速數(shù)據(jù)實現(xiàn)傳輸，基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于國防、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】? ? 光纖通信數(shù)據(jù)? ? 傳輸技術(shù)FPGA 技術(shù)? ? 光纖通信數(shù)據(jù)? ? 傳輸技術(shù)

引言：

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過光纖傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，傳輸容量大的優(yōu)點(diǎn)是光纖傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的光纖技術(shù)采用反射式存儲技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸中造成數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等一系列問題，嚴(yán)重影響光纖通信的使用價值和應(yīng)用。在具體應(yīng)用中，工程造價高，傳輸距離長。由美國馬薩諸塞州波士頓光纖公司開發(fā)的塑料光纖，是20 世紀(jì)電信領(lǐng)域最引人注目的項目之一。穿過馬六甲海峽、印度洋、紅海、地中海，太平洋，旅程長達(dá)32萬公里，項目工程總建設(shè)花費(fèi)140億美元，在光纖通信數(shù)據(jù)傳輸中，F(xiàn)PGA技術(shù)的具體應(yīng)用解決數(shù)據(jù)傳輸這一問題。

一、光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

（一）光纖通信技術(shù)

在19 世紀(jì)中期，伴隨著科學(xué)家們開始研究光纖通信，光纖通信走入人們的生活視野。法國物理學(xué)家雅克巴比奈通過實驗證明，光可以在彎曲的水流中傳導(dǎo)。世紀(jì)末，研究人員引導(dǎo)光的傳輸通過使用彎曲的石英棒。1950年代和1960年代，許多科學(xué)家試圖解決使用激光作為光纖通信光源的問題，第一套光纖電話系統(tǒng) AT&T 和 GTE 被美國在亞特蘭大于1976年研制，這是光纖通信第一次得到 實際應(yīng)用。光纖通信由光纖、發(fā)射器、中繼器、接收器和連接器等主要零部件構(gòu)成，通過發(fā)送端發(fā)送信號，接收到信號后，接收器轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)過程，是光纖通信的主要步驟。信號采用光纖通信技術(shù)在接收端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最終恢復(fù)到原始信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

光纖通信技術(shù)在世界上許多國家廣泛用于數(shù)據(jù)傳輸，除具有高載頻和光纖作為介質(zhì)的兩大特點(diǎn)外。采用光纖通信技術(shù)，載頻最好，迄今為止，傳輸容量也最大，是其他通信技術(shù)無法比擬的。數(shù)據(jù)傳輸過程中不存在干擾，為了更好地保證光纖通信技術(shù)的抗干擾性能。通常在光纖材料上涂覆一層涂層，阻隔各種干擾。光纖通信技術(shù)的長光波可以利用全反射進(jìn)行各種數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以保證數(shù)據(jù)的保密性。

（二）基于FPGA的高速傳輸技術(shù)

數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展為現(xiàn)代處理器設(shè)計帶來了活力，而復(fù)雜、海量的數(shù)據(jù)處理和傳輸任務(wù)對處理器設(shè)計提出了巨大挑戰(zhàn)。在雷達(dá)信號處理、圖像采集、圖像信號處理等諸多領(lǐng)域，高速高效的數(shù)據(jù)傳輸方式已成為系統(tǒng)設(shè)計的重要難點(diǎn)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i是現(xiàn)代處理器速度提升的重要限制因素。

通過在FPGA內(nèi)部集成GTX模塊，可以通過GTX模塊的高速串行數(shù)據(jù)傳輸功能實現(xiàn)基于FPGA的高速數(shù)據(jù)傳輸。由于GTX收發(fā)器的高度可配置性，基于FPGA的高速傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)優(yōu)化信號完整性、可配置端接、電壓擺幅和接收器眼圖掃描等應(yīng)用。

（三）光纖通信系統(tǒng)解決方案

目前，無線通信方式、電力載波方式、光纖方式等被廣泛用作通信方式，但這些方式容易受到干擾、地形障礙、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)因素的影響，難以與城市復(fù)雜的地形比擬。由于自動化配電網(wǎng)的積極使用以及光纜和光器件的迅速衰落，光纖通信得到了大家的廣泛認(rèn)可，并逐漸成為目前配電網(wǎng)通信的主流。

基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)離不開硬件平臺的支持，因此光纖通信平臺和傳輸協(xié)議的選擇尤為重要，具體的光纖通信系統(tǒng)解決方案包括：1.光纖通信平臺。FPGA的設(shè)計，考慮到規(guī)模龐大、功能復(fù)雜的特點(diǎn)，建議采用IP核設(shè)計方法，Xilinx的GTX模塊可用于串并轉(zhuǎn)換技術(shù)、通道綁定技術(shù)、線路編碼技術(shù)和預(yù)加重技術(shù)。時鐘恢復(fù)技術(shù)等技術(shù)可以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，同時更好地保護(hù)信號完整性。通過選擇集成光收發(fā)模塊實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換電路和光電轉(zhuǎn)換電路的集成，可以進(jìn)一步降低基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的實現(xiàn)難度。2.傳輸協(xié)議。GTX IP核支持標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議的線速、內(nèi)部數(shù)據(jù)寬度、PLL頻率和通用參考時鐘頻率，允許PCIe總線的協(xié)議集成和實現(xiàn)，進(jìn)一步降低技術(shù)難度。

二、FPGA 技術(shù)發(fā)展

（一）FPGA技術(shù)的大容量低電壓低功耗發(fā)展

采用深亞微米工藝后，器件性能顯著提升，同時價格也有所降低，由于便攜式產(chǎn)品的快速發(fā)展，要求FPGA具有低功耗和低電壓的特性。

對比無線通信方式，網(wǎng)絡(luò)的距離超過了一般有線網(wǎng)絡(luò)允許的長度，作為備份網(wǎng)絡(luò)，即數(shù)字電力線載波和網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生連接移動或臨時節(jié)點(diǎn)故障;電力線載波通信容量小，功能單一，光纖傳輸方式電磁波承載力小，由此可見，F(xiàn)PGA技術(shù)的大容量是發(fā)展的重點(diǎn)。

（二）FPGA技術(shù)系統(tǒng)高密化發(fā)展

隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和產(chǎn)品成本的逐漸降低，F(xiàn)PGA技術(shù)的應(yīng)用不再僅適用于系統(tǒng)接口器件的現(xiàn)場集成，而是可以靈活應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計。在此前提下，國際FPGA廠商都在專注于高密度FPGA技術(shù)的發(fā)展中，更加關(guān)注 FPGA技術(shù)IP硬件和軟件，針對IP核系統(tǒng)的FPGA的開發(fā)。

IP核是指具有知識產(chǎn)權(quán)、驗證、復(fù)用、通用或特殊功能的單元模塊，一般分為硬件IP軟件IP和軟件IP模塊。其中，硬件IP（IP硬件）是指完成版圖設(shè)計的功能單元模塊，軟件IP（IP軟核）是指用HDL語言設(shè)計并經(jīng)過綜合驗證的功能單元模塊12。目前帶IP核的系統(tǒng)級FPGA的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方面：一是FPGA廠商將硬件IP核嵌入到FPGA器件中;二是對IP核庫進(jìn)行大幅度的擴(kuò)展和優(yōu)化，用戶可以直接使用。經(jīng)過測試和驗證的優(yōu)化IP? 核資源可有效完成這些預(yù)定義、定義的復(fù)雜片上系統(tǒng)設(shè)計。

（三）FPGA技術(shù)的動態(tài)化重組

采用Modular? Design方法實現(xiàn)FPCA的Dynamic? Part? Reconfiguration。首先，將設(shè)計的固定邏輯，即運(yùn)行中不需要改變的邏輯，分為固定模塊和必要部分。要修改的模塊被劃分為可重新配置的模塊。其次，模塊的放置和大小有限制，必須遵循一定的規(guī)則，可重構(gòu)模塊的高度必須與設(shè)備的高度相匹配，可重構(gòu)模塊的最小寬度為4，一個切片CLB包含兩個相同的切片，并且必須是4 個切片的倍數(shù);其次，模塊放置、大小均有規(guī)則限制，必須遵循一定說明，要求動態(tài)化重組模塊的放置高度須與運(yùn)行單元的高度一致，具體為動態(tài)化重組模塊的最小寬度為4mm，切片CLB為同一個切片，是切片的4倍數(shù)。如果可重構(gòu)模塊位于設(shè)備最左側(cè)或最右側(cè)的切片列中，則設(shè)備邊緣的所有IOB都被視為可重構(gòu)模塊資源，為了降低設(shè)計的復(fù)雜性，可重構(gòu)模塊的數(shù)量應(yīng)盡可能少。

動態(tài)重配置FPGA是指芯片具有系統(tǒng)動態(tài)重配置邏輯的功能以及在這些條件下對電路進(jìn)行重配置的能力。動態(tài)可重構(gòu)FPGA在器件編程方面具有獨(dú)特的特性和特點(diǎn)，內(nèi)部邏輯模塊和內(nèi)部布線的變化可以通過讀取SRAM數(shù)據(jù)實現(xiàn)邏輯重構(gòu)，時間通常在納秒范圍內(nèi)，有助于FPGA邏輯的動態(tài)重構(gòu)。

（四）光纖技術(shù)存在的問題

目前，當(dāng)傳輸大數(shù)據(jù)時，總線速度變慢，傳輸距離有限。因此，反物理仿真系統(tǒng)大多采用現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)的傳輸速度和距離雖然有了很大的提高，但是傳輸協(xié)議比較復(fù)雜，影響傳輸效率，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載也比較高。如果太大，會出現(xiàn)不可預(yù)知的延遲，難以保證仿真系統(tǒng)的實時性能，無法滿足當(dāng)前半物理仿真系統(tǒng)的性能要求。由此可見，傳輸能力與數(shù)據(jù)傳輸需求的矛盾突出，現(xiàn)代先進(jìn)武器評估系統(tǒng)的核心是高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的競爭力。

三、系統(tǒng)各模塊設(shè)計

（一）光纖收發(fā)一體模塊

該模塊選用FTLF8524P2BNV-BR光纖收發(fā)一體模塊，由Finisar公司設(shè)計，SFP封裝，傳輸速率4.25GB/s。只需幾個FPGA控制信號即可完成光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換。同時，通信協(xié)議采用GTX使用的Fibre? Channel協(xié)議結(jié)合IP核，降低系統(tǒng)實現(xiàn)難度。光纖通信時鐘控制結(jié)合ICS843001-21 FEMTOCLOCKS數(shù)字頻率控制芯片，REFCLK+參考時鐘進(jìn)行控制，使芯片相位抖動頻率小于1ps，滿足光纖通道、千兆以太網(wǎng)、同步光纖的要求，網(wǎng)絡(luò)、高清電視等各個領(lǐng)域都需要數(shù)據(jù)傳輸。利用M2-M0和N2-N0管腳進(jìn)行分頻，最大限度發(fā)揮時鐘控制方式的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA可以直接控制6管腳電平，操作簡單，易于控制。

（二）PCIe總線模塊

PCIe接口控制器采用PCIe2.0模型，頂層設(shè)計分為PCIe IP模塊、AXI4總線、中斷控制模塊和DMA控制器等，構(gòu)建基于PCIe2×4數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)傳輸上限為16Gbps，可以有效考慮寬帶開銷和解碼開銷，接口信號表，使用cfg_do[31：0]函數(shù)進(jìn)行輸出控制，讀取配置空間數(shù)據(jù)，輸入cfg_dwaddr[9：0]即可實現(xiàn)兩字節(jié)地址配置，根據(jù)功能需求，接口信號表配置完成后可隨時查看PCIe IP核配置空間狀態(tài)。

接收測試：數(shù)據(jù)生成模塊寫入FPGA內(nèi)部后，通過不同頻率傳輸數(shù)據(jù)，DMA寫中斷操作將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速率測試實現(xiàn)發(fā)送，數(shù)據(jù)保存并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)錯誤情況。

發(fā)送測試：例如測試從計算機(jī)硬盤讀取數(shù)據(jù)文件操作時，先將數(shù)據(jù)文件從PCIe總線傳輸?shù)紽PGA，在DMA中斷模式下讀取操作數(shù)據(jù)后，在FPGA內(nèi)部寫入數(shù)據(jù)感知模塊后，檢查數(shù)據(jù)是否有錯誤。

（三）光纖通信模塊測試

1.硬件設(shè)計

（1）RS422接口電路設(shè)計

本文選用RS422通訊作為本專題的測試口，RS422芯片為ADI公司的ADM3076芯片，是一款低電壓（工作電壓3.3V）芯片，具有15kV ESD保護(hù)，可配置全雙工RS422通訊;半雙工RS485通訊，根據(jù)TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)，ADM3076最多可連接256個節(jié)點(diǎn)。

RS422芯片經(jīng)DE配置時，上拉電阻，下接RE端，RS422差分接收A端、B端為接口。

需要更改DE配置上拉 DE端電阻，下接電阻RE 端;A、B端配置為RS422差分接收接口，Z、Y端子配置為RS422差分傳輸接口。

（2）同步時鐘電路設(shè)計

同步時鐘電路為MAX9122/MAX9123，產(chǎn)自TI公司，具有高波特率、低電壓的優(yōu)點(diǎn)，最大波特率可達(dá)500Mbps，供電3.3V，低噪聲模式;如圖3，MAX9122/MAX9123將LVDS端轉(zhuǎn)換為LVCMOS電平信號輸出。

2.軟件設(shè)計

（1）RS422通信邏輯設(shè)計

首先，需要初始化串口，通過內(nèi)部邏輯運(yùn)算設(shè)置接收波特率和發(fā)送波特率（本文設(shè)置的波特率為19200bps）。在接收模塊的情況下，內(nèi)部寄存器信號RX_INT變低時，此時驅(qū)動RS422接口的接收邏輯程序，將接收到的數(shù)據(jù)移到末端，每當(dāng)時鐘的上升沿到來時BIT端的接收數(shù)據(jù)，對通過計數(shù)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)計數(shù)NUM達(dá)到12時，此時RX_INT信號變?yōu)楦哳l率，通信接收終止。

（2）時鐘模塊邏輯設(shè)計

首先，可以驅(qū)動輸入到FPGA的時鐘信號來配置FPGA，包括是否經(jīng)過BUF，時鐘模塊的時鐘輸出最多可以驅(qū)動8路全局時鐘輸出。經(jīng)上述實驗步驟，為進(jìn)一步驗證時鐘模塊的仿真效果，分別設(shè)置100MHZ、50MHZ兩路驅(qū)動輸出頻率，使之可以識別時鐘模塊的狀態(tài)信號。包括RESET信號、LOCKED信號，RESET信號是時鐘IP核的參考復(fù)位，當(dāng)RESET 信號為高頻率時，時鐘模塊的IP核將不再工作，LOCKED信號與之相反。

四、系統(tǒng)調(diào)試

（一）各功能模塊測試

首先，打開發(fā)射和接收電路的電源以測試電源模塊是否正常，測量各個芯片的電壓是否正常。測試系統(tǒng)時鐘時，查看用示波器測量晶振是否開始振蕩，頻率是否正確，芯片的輸入時鐘是否正確。最后，連接模擬視頻信號，前提是視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊測試正常;隨后，F(xiàn)PGA芯片中下載A/D轉(zhuǎn)換程序，結(jié)果通過數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)換，具體測試方法與模數(shù)轉(zhuǎn)換測試方法相同。

（二）整機(jī)測試

在發(fā)射端，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的模擬視頻信號輸入到光發(fā)射機(jī)。在接收端，光接收機(jī)的輸出端通過電纜連接到顯示器，光發(fā)射端和光接收端通過光纖連接。連接完成后，檢查顯示器是否有標(biāo)準(zhǔn)的視頻彩條信號。

（三）指標(biāo)測試

數(shù)據(jù)在傳輸過程中，當(dāng)系統(tǒng)傳輸?shù)拇a率很高，會因為信號反射而對接收端機(jī)器產(chǎn)生干擾，將影響誤碼率是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)。本設(shè)計主要在信號處理部分采用阻抗匹配的方式，減少信號的反射，減少對接收端的干擾。本設(shè)計主要在信號處理部分采用阻抗匹配來減少信號的反射，以減少其對接收的影響。

（四）整體測試及性能評估

使用Singal? Tap? II測試系統(tǒng)的最終結(jié)果輸出，結(jié)果如圖1 所示。經(jīng)比較，測試的數(shù)據(jù)結(jié)果與PC端數(shù)據(jù)結(jié)果一致，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有正確性。

五、結(jié)束語

基于FPGA的高速光纖通信數(shù)據(jù)傳輸板，高速光纖通信中的數(shù)據(jù)傳輸涉及通信協(xié)議的驗證、通信可靠性和穩(wěn)定性的分析、通信波特率、誤碼率等測試方面。本文設(shè)計并測試了基于FPGA光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有較高的實際應(yīng)用價值，筆者設(shè)計了成熟的光纖通信解決方案，最終測試結(jié)果顯示所有技術(shù)指標(biāo)均能滿足課題的設(shè)計要求，達(dá)到綜合價值好，電路簡單，成本低，可靠性強(qiáng)，集成度高?？蓱?yīng)用于多個領(lǐng)域，實現(xiàn)大容量、高速、實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。因此，本文的內(nèi)容可以為相關(guān)領(lǐng)域的理論研究，對實踐探索提供一定的參考。本文設(shè)計的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已達(dá)到課題要求，但存在硬件優(yōu)化等問題，系統(tǒng)傳輸速度仍有待進(jìn)一步提升。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]肖文平. 基于FPGA下光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的思考[J].信息系統(tǒng)工程，2018，（05）：24.

[2]章潔. 基于FPGA的高速光纖通信IP核研究設(shè)計[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2015，（5）：2.

[3]馬成國，耿建成，臧明，尚長仲.基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究[J].信息記錄材料，2017，18（06）：95-96.

[4]林香魁. 基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的思考[J].信息與電腦（理論版），2018，（05）：150-152.

[5]余益祥， 艾鑫， 李學(xué)民.基于FPGA的光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析[J].科學(xué)與信息化，2019，（10）：2.