光電搜索跟蹤設備實時數據傳輸方法研究

作者/丁玲、胡媛媛、劉楨、王世明、張超、胡冠華，北方自動控制技術研究所

光電搜索跟蹤設備實時數據傳輸方法研究

作者/丁玲、胡媛媛、劉楨、王世明、張超、胡冠華，北方自動控制技術研究所

設計了一種低成本，低延遲，高速全雙工的光電搜索跟蹤設備實時數據傳輸系統。包括發送端編碼，發送端并串轉換，發送端電光轉換，接收端光電轉換，接收端串并轉換，發送端解碼等軟硬件模塊。通過優化設計，采用高性價比器件，實現了光電搜索設備高速數據流的收發一體化。在全雙工工作模式下，數據傳輸率優于1.25Gbps,數據傳輸延遲優于250ns，連續工作24小時誤碼率優于10—9。

光電搜索設備；高速傳輸；光纖通信；編碼

引言

隨著信息化戰爭時代的來臨，光電搜索跟蹤系統由于其高精度、抗干擾、全天候動態獲取目標信息等特點進而實現多目標識別和跟蹤，為作戰指揮、武器控制與火力打擊分配提供及時準確的依據，從而保證了武器系統的快速決策和精確打擊能力。光電搜索跟蹤是建立在高精度伺服控制技術和高速圖像處理技術的基礎上，可見光CCD、紅外熱像儀、激光測距機等傳感器數據需要經過滑環實時的傳輸給監視器或轉臺伺服控制系統，海量數據的實時傳輸技術是實現高速高精度搜索跟蹤的關鍵技術之一。

光電搜索跟蹤系統一般采用光纖傳輸技術，物理層的8 B/10 B編碼、準確的時鐘恢復保證了光纖通信系統實時、無誤地傳輸傳感器信息和各個傳感器控制信息[1]。國內中科院長春光學精密機械研究所，兵器工業集團計算所等單位在此方面進行了充分的研究[2][3]，在傳輸速度上達到1Gbps以上，在傳輸誤碼率方面優于10—9，普遍采用雙光纖單向傳輸，為達到后向兼容性和通用性，采用復雜的傳輸協議，實現標準總線的組網，加大了數據開銷和時間延遲。本系統通過單光纖雙向傳輸、高速數據時分復用等技術實現了數據信息和控制信息的同鏈路傳輸，實現了光電搜索跟蹤大數據量的低延遲、低誤碼率的高速點對點實時傳輸。

1. 光電搜索跟蹤設備數據傳輸系統原理

圖1 光電搜索跟蹤設備數據傳輸原理圖

圖1為光電搜索跟蹤設備數據原理圖，CCD、熱像儀、雷達、激光測距機等傳感器在通過光纖傳輸來的控制指令下，發出數據由數據融合單元將數據傳給數據傳輸單元，數據傳輸單元接收到數據后發送給數據采集板，傳感器的綜合控制，數據傳輸流的控制，命令接收譯碼和傳感器數據發送構成綜合控制采集板，光纖接收單元和高速采集單元接收光纖傳輸來的數據，輸送給顯示終端或識別和跟蹤單元。整個光電搜索跟蹤設備中，傳感器平臺和伺服轉臺通過滑環連接，CCD、熱像儀、雷達、激光測距機等傳感器中CCD和熱像儀傳輸數據量較大。對于高機動穩定跟蹤或快速周視偵查，CCD幀頻在數百幀以上，傳統總線如LVDS、以太網、USB、1394等串行總線速度不夠，而并行總線由于轉臺控制精度和滑環體積等受到限制，只能采用光纖傳輸。在本設計所采用的滑環中只有單芯光纖和供電線路，有效的減小了滑環體積和實現了光電隔離，減少了電磁干擾。

2. 光電搜索跟蹤設備數據傳輸系統結構組成

2.1 分時復用采集結構

圖2 分時復用采集結構原理圖

圖2為分時復用采集結構原理圖。CCD和熱像儀的幀緩存采用FIFO(先進先出堆棧)。數據流總裁和控制單元接收來自上位機的控制命令實現數據流控制，8B/10B編碼模塊采用同步設計，通過K28.5碼實現命令同步，編碼后的數據通過并行串行變換給光電耦合模塊，通過單模光纖傳輸給數據采集板。

2.2 數據信息和控制信息的同鏈路傳輸

圖3 單芯單模光纖雙向傳輸原理圖

單芯單模光纖雙向傳輸原理圖，如圖3所示。數據鏈路通過1550nm激光器調制后由1550nm探測器接收，控制鏈路通過1310nm激光器調制后由1310nm探測器接收，在單模光纖中有效的利用了波分復用和解波分技術，實現了數據信息和控制信息的同鏈路傳輸。

2.3 軟硬件實現

圖4 發送端硬件原理框圖

光電搜索跟蹤設備數據傳輸硬件原理圖，如圖4所示。其中傳感器接口分別為Camera link接口，紅外差分接口，串口，FIFO采用512KB的AL440B,FPGA采用EP3C25F324I，并行和串行轉化芯片為TLK1221。

圖5 發送端軟件原理框圖

光電搜索跟蹤設備數據傳輸發送端軟件原理圖，如圖5所示，在接收到光耦發送來的啟動命令后，打開傳感器并且設置傳感器參數，數據打包單元等待FIFO標志位，當FIFO標志位有效后將數據打包，通過8B/10B編碼后，通過光耦發送數據。

數據接收端采用對應的光模塊，采用PCI接口與計算機接口。

3. 實驗及數據分析

圖6 光電搜索跟蹤設備數據傳輸測試板實物圖

圖6為光電搜索跟蹤設備數據傳輸測試板實物圖，分別為兩塊既能發送數據又能接收收據的電路板，電路板之間采用FC接頭的3米通信光纖。

圖7 數據傳輸實驗

圖7為光電搜索跟蹤設備數據傳輸實驗圖，FPGA中采集的硬件實際運行示波器圖。REFCLK為輸入并行數據時鐘，頻率為125MHz,其中testin為發送的0—255線性變化的數據，testout為接收端通過8B/10B解碼后輸出數據，數據中的尖峰為插入的同步K28.5碼。經測試連續工作24小時誤碼率優于10—9。由于采用的并行時鐘為125MHz,故整個傳輸速率為1.25Gbps。

圖8 數據延遲測試圖

為光電搜索跟蹤設備數據傳輸數據延遲測試，如圖8所示，FPGA中采集的硬件實際運行示波器圖。 其中testin為輸入數據，testout為輸出數據，通過多次測量傳輸延遲在30個REFCLK時鐘周期內，即是傳輸延遲優于250ns。

4. 結論

本文通過對光電跟蹤搜索設備數據傳輸方法的研究，提出用于光電跟蹤搜索設備的光纖單芯雙向波分復用數據傳輸方案，設計了數據傳輸流程，并通過硬件電路進行了驗證，實驗表明，在全雙工工作模式下，數據傳輸率優于1.25Gbps,傳輸延遲優于250ns，連續工作24小時誤碼率優于10—9。

＊ [1] 李 增，高世杰，吳志勇. 高速視頻數據光纖傳輸系統的物理層實現[J]. 計算機工程,VOL（35），NO(11),266—268,2009

＊ [2] Fukaishi M. A 2.125 Gb/s BiCMOS Fiber Channel Transmitter for Seril Data Communications [J]. IEEE Journal of Solid—state Circuits, 1999, 34(9): 1325—1330.

＊ [3] 毛繼志,李建周,許家棟.基于FPGA的高速數傳系統研究[J].微電子學與計算機,2005,22(11):104—107.

＊ [4] 劉愛雄, 高有行. 光纖通信系統中的時鐘信號恢復[J]. 光纖與電纜及其應用技術, 2003, 2(1): 18—21.

＊ [5]戴居豐，賀傳峰，毛陸虹．一種新的光纖通信 8B/10B 編解碼實現方法研究[J]．電路與系統學報，2005，4(2)：31—34