基于JESD204B協議的雷達視頻信號同步傳輸設計與實現

王 林

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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基于JESD204B協議的雷達視頻信號同步傳輸設計與實現

王 林

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

以寬帶測向接收機中多波束比幅測向為背景，設計了基于JESD204B協議的高速背板視頻信號同步傳輸方案。時鐘、JESD204B協議參數的設計合理,實現了2塊多通道視頻幅度采集板與1塊數據處理板之間線速率為6.25 Gbps的高速同步傳輸，解決了多波束比幅測向前多通道視頻信號傳輸同步問題。

多波束比幅測向；JESD204B協議；同步傳輸

0 引 言

隨著雷達技術的發展，接收機對方位的測算精度要求越來越高。對于采用視頻信號多波束比幅測向方法的寬帶測向接收機，通過增加天線元數可以提高測算方位的精度[1]。然而隨著天線元數的增加，視頻幅度采集通道的數量也隨之增加，當采集通道數增加到一定數量時，受印制電路板(PCB)布局密度的限制，采集通道將分布在2塊或者多塊電路板上，此時必然涉及到多板間數據同步傳輸問題。

本文設計了128路定向天線視頻信號的數據傳輸方案，受PCB布線的限制，采集128路定向天線視頻信號的128個模數轉換器(ADC)需平均分配在2塊視頻幅度采集板上。由于視頻幅度采集板發送的視頻幅度數據在接收端數據處理板上需完成多波束比幅測向、空域濾波、指定波束信號跟蹤等多種功能，所以必須考慮到視頻信號數據的同步傳輸及匯總問題。本文通過對系統中時鐘和JESD20B參數的合理設計，實現了2塊視頻幅度采集板與1塊數據處理板之間的多通道視頻信號高速同步傳輸，解決了在進行多波束比幅測向前多通道視頻信號傳輸的同步問題。

1 JESD204B協議及數據同步傳輸

1.1 JESD204B協議

JESD204描述了一種高速模數轉換器與后端數字信號處理設備之間的高速串行接口協議，它在2006年首次提出時，只支持單通道數據率為3.125 Gbps的數據傳輸；其升級版JESD204A增加了多路高速數據傳輸的功能；2011年發布了JESD204A修訂版JESD204B，它在JESD204A基礎上又增加了傳輸確定性延遲的功能，并且它的最高傳輸速率可達12.5 Gbps。在接收機中，JESD204B常用于高速模數轉換器通過串行接口與后端數字信號處理設備之間的高速ADC采集數據傳輸[2-3]。與TTL、CMOS、LVDS、CML標準接口相比，采用JESD204B設計的接口具有較高的傳輸速率和較低的功耗，且在傳輸同樣數據量時，所需要的接口數量較少，這樣可以降低布線難度，減小電路板尺寸。與常用的高速傳輸協議Aurora及RapidIO相比，JESD204B采用子類1和2工作模式傳輸數據時具有確定性延遲特點(數據傳輸同步)，無需額外編寫同步邏輯，減少了調試接口數據同步的工作量。

1.2 JESD204B 的數據編碼與幀同步

JESD204B協議采用工業標準中常用的8B/10B編碼，它用于在每個字節中額外加入2個比特數以保持高速串行通路的直流平衡(使發送的“0”、“1”數量保持一致)，這樣有利于減少傳輸錯誤。除此之外，在編碼過程中可以插入一些控制字符以幫助接收端對串行數據的還原，并且可以在傳輸前期發現數據位的傳輸錯誤，避免傳輸錯誤的發生。數據通過8B/10B編碼后，會以特定的規則組成幀、多幀的數據結構，每幀和每多幀的數據量都可以根據需求自己定義，幀數據通過特定的控制字符進行幀對齊，如圖1所示。圖1中D表示經8B/10B編碼后的傳輸數據，/F/=/K28.7/控制字符用于串行數據流中的幀對齊，/A/=/K28.3/控制字符用于串行數據流中的多幀對齊。

圖1 幀對齊示意圖

1.3 子類1工作模式

本文使用的是JESD204B子類1工作模式，其同步傳輸原理如圖2所示。當數據發送端(TX Device)和數據接收端(RX Device)建立鏈接后，RX Device會拉低TX Device 的SYNC～管腳，使得TX Device進入CGS階段，此時TX Device會向RX Device發送控制/K/=/K28.5/字符請求同步。當RX Device接收到至少4 個/K/字符時就表示鏈接建立成功。此時，TX Device和RX Device共同等待系統參考時鐘信號SYSREF，TX Device檢測到SYSREF后會重新初始化多幀時鐘信號(LMFC)，使其與SYSREF相位同步。RX Device檢測到SYSREF后將重新建立LMFC時鐘信號，使其與SYSREF保持相位同步，并置位SYNC～。TX Device 檢測到SYNC～信號之后，會在下一個LMFC到來之后開始發送對齊序列(ILAS)。RX Device接收到ILAS后，將數據存入緩存區，并在下一個LMFC到來之后釋放緩存區，如圖2所示。這樣使得不同時間到達的數據通過緩存區后都具有固定的LMFC延遲，從而達到數據同步傳輸的目的。

圖2中：/R/=/K28.0/控制字符用于指示多幀的開始；/Q/=/K28.4/控制字符用于指示接收器配置數據開始；/C/ 表示JESD204B鏈接配置數據。

2 方案設計與實現

系統方案設計中寬帶測向接收機測向原理為多波束比幅測向，如圖3所示。多路定向天線的射頻信號經過視頻檢波器(DLVA)轉換成視頻信號傳送到視頻幅度采集板上的各個ADC， ADC采集的數據通過并行總線傳輸給板上的現場可編程門陣列(FPGA)，FPGA將收到的視頻信號數據整合并通過高速收發器(GTX)同步傳輸給數據處理板上的FPGA，經比較各路視頻信號幅度大小給出方位結果。根據JESD204B協議，為保證2塊視頻信號采集板的LMFC相位同步，SYSREF時鐘信號統一由數據處理板產生。同時，3塊電路板上的主時鐘都由數據處理板上的時鐘CLK提供，視頻幅度采集板1和視頻幅度采集板2收到數據處理板分發的時鐘CLK后，通過時鐘分配芯片(Clock Buffer)產生FPGA的主時鐘CLK和GTX參考時鐘GTXREFCLK，而ADC的采樣時鐘AD_CLK由FPGA提供，如圖3所示。

圖2 數據同步示意圖

圖3 同步傳輸設計方案示意圖

設計中采集視頻信號的ADC采樣率為100 MHz，采樣位寬10 bit，ADC數據量合計達到128 Gbps。通過計算可知，每塊視頻幅度采集板可通過12個通道以6.25 Gbps的線速率進行高速傳輸。本方案中JESD204B協議是通過Xilinx公司提供的IP核JESD(6.0)實現板間串行數據同步傳輸的。該IP核默認設置為子類1工作模式，最多支持12 lane的通道綁定等特性。在具體設計時有以下注意點：

(1) 用幀模式傳輸數據，數據幀主要參數有F(每幀數據的字節數)和K(多幀數據所包含的幀數)；

(2) SYSREF時鐘周期必須是多幀數據(F·K)周期的整數倍，且如果多幀數據周期不是4個字節數據周期整數倍時，SYSREF還必須是4個字節數據時鐘周期的整數倍；

(3) 為了獲得確定性延遲(傳輸同步)，SYSREF時鐘信號必須與核時鐘(tx_core_clk)同步。

使用函數信號發生器給2個視頻幅度采集板的第10個通道外加模擬雷達視頻信號，脈寬為200ns，重復周期1μs，信號幅度2V。結果如圖4所示，S1_10和S2_10分別表示數據處理板上接收到的來自視頻幅度采集板1和視頻幅度采集板2的第10個通道的信號幅度數據。結果表明，視頻數據完全同步，達到預期設計要求。

圖4 視頻信號同步結果

3 結束語

本文對JESD204B的同步原理進行了分析，給出了在多波束比幅測向接收機背景下的雷達視頻信號同步傳輸設計與實現結果。結果表明數據處理板收到的視頻信號完全同步，滿足設計需求，為多波束比幅測向接收機提供了很好的技術保障。目前，也實現了3塊AD采集板與1塊數據處理板間的數據高速同步傳輸，這表明此種設計方案具有擴展性。

[1] 顧敏劍.多波束比幅測向系統精度分析[J].船舶電子對抗，2007，30(3):70-73.

[2] 張峰，王戰江.基于JESD204協議的AD采樣數據高速串行傳輸[J].電訊技術，2014,52(2):174-177.

[3] 陳洋，俞育新，奚俊.基于JESD204B協議的相控陣雷達下行同步采集技術應用[J].雷達與對抗，2015,35(2):38-41.

Design and Realization of The Synchronous Transmission of Radar Video Signals Based on JESD204B Protocol

WANG Lin

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

In the background of multi-beam amplitude-comparison direction finding in the broadband direction finding receiver,this paper designs the synchronous transmission scheme for high-speed backplane video signal based on JESD204B protocol.The design of clock and JESD204B protocol parameters is reasonable,which realizes the 6.25 Gbps high-speed synchronous transmission between two multi-channel video amplitude collection boards and one data processing board,solves the synchronous transmission problem of multi-channel video signals before multi-beam amplitude-comparison direction finding.

multi-beam amplitude-comparison direction finding;JESD204B protocol;synchronous transmission

2016-08-20

TN851

A

CN32-1413(2016)05-0098-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.025