FPGA光纖通信數據傳輸技術進展研究

韋美佳

【摘要】? ? 隨著社會各生產領域應用需求多樣化，現場可編程門陣列（FPGA）作為一種可編程邏輯，成為人們談論的重要話題。FPGA光纖通信數據為計算機、通信、汽車電子等設備設計注入了新的技術的改革和發展活力，但在長久的發展中任舊存在一系列的問題。基于FPGA的光纖通信數據傳輸系統，硬件部分由光纖收發模塊、GTX收發器、PCIe總線、PCIe接口控制器和高速存儲設備組成，軟件部分由經測試驅動及應用配置兩部分組成，具有較高的實際應用價值和綜合價值，本文旨在解決半實物仿真合作項目中數據傳輸速度慢的問題，筆者提出使用FPGA實時性強的光纖通信高速數據實現傳輸，基于FPGA的光纖通信數據傳輸系統，可廣泛應用于國防、軍事、醫療衛生等領域。

【關鍵詞】? ? 光纖通信數據? ? 傳輸技術FPGA 技術? ? 光纖通信數據? ? 傳輸技術

引言：

隨著網絡技術的不斷發展，通過光纖傳輸數據，實現數據傳輸系統，傳輸容量大的優點是光纖傳輸技術的廣泛應用。傳統的光纖技術采用反射式存儲技術，在數據傳輸中造成數據丟失、數據失真等一系列問題，嚴重影響光纖通信的使用價值和應用。在具體應用中，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的塑料光纖，是20 世紀電信領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32萬公里，項目工程總建設花費140億美元，在光纖通信數據傳輸中，FPGA技術的具體應用解決數據傳輸這一問題。

一、光纖通信數據傳輸技術研究

（一）光纖通信技術

在19 世紀中期，伴隨著科學家們開始研究光纖通信，光纖通信走入人們的生活視野。法國物理學家雅克巴比奈通過實驗證明，光可以在彎曲的水流中傳導。世紀末，研究人員引導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 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 實際應用。光纖通信由光纖、發射器、中繼器、接收器和連接器等主要零部件構成，通過發送端發送信號，接收到信號后，接收器轉換技術進行電光轉換的實現過程，是光纖通信的主要步驟。信號采用光纖通信技術在接收端進行光電轉換，最終恢復到原始信號，實現數據傳輸，達到數據傳輸的目的。

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

（二）基于FPGA的高速傳輸技術

數字信號處理技術的飛速發展為現代處理器設計帶來了活力，而復雜、海量的數據處理和傳輸任務對處理器設計提出了巨大挑戰。在雷達信號處理、圖像采集、圖像信號處理等諸多領域，高速高效的數據傳輸方式已成為系統設計的重要難點，傳統數據傳輸的瓶頸是現代處理器速度提升的重要限制因素。

通過在FPGA內部集成GTX模塊，可以通過GTX模塊的高速串行數據傳輸功能實現基于FPGA的高速數據傳輸。由于GTX收發器的高度可配置性，基于FPGA的高速傳輸技術可以實現優化信號完整性、可配置端接、電壓擺幅和接收器眼圖掃描等應用。

（三）光纖通信系統解決方案

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、網絡安全等技術因素的影響，難以與城市復雜的地形比擬。由于自動化配電網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可，并逐漸成為目前配電網通信的主流。

基于FPGA的光纖通信數據傳輸技術離不開硬件平臺的支持，因此光纖通信平臺和傳輸協議的選擇尤為重要，具體的光纖通信系統解決方案包括：1.光纖通信平臺。FPGA的設計，考慮到規模龐大、功能復雜的特點，建議采用IP核設計方法，Xilinx的GTX模塊可用于串并轉換技術、通道綁定技術、線路編碼技術和預加重技術。時鐘恢復技術等技術可以滿足高速數據傳輸的需要，同時更好地保護信號完整性。通過選擇集成光收發模塊實現電光轉換電路和光電轉換電路的集成，可以進一步降低基于FPGA的光纖通信數據傳輸技術的實現難度。2.傳輸協議。GTX IP核支持標準傳輸協議的線速、內部數據寬度、PLL頻率和通用參考時鐘頻率，允許PCIe總線的協議集成和實現，進一步降低技術難度。

二、FPGA 技術發展

（一）FPGA技術的大容量低電壓低功耗發展

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，由于便攜式產品的快速發展，要求FPGA具有低功耗和低電壓的特性。

對比無線通信方式，網絡的距離超過了一般有線網絡允許的長度，作為備份網絡，即數字電力線載波和網絡中發生連接移動或臨時節點故障;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，FPGA技術的大容量是發展的重點。

（二）FPGA技術系統高密化發展

隨著生產規模的不斷擴大和產品成本的逐漸降低，FPGA技術的應用不再僅適用于系統接口器件的現場集成，而是可以靈活應用于系統設計。在此前提下，國際FPGA廠商都在專注于高密度FPGA技術的發展中，更加關注 FPGA技術IP硬件和軟件，針對IP核系統的FPGA的開發。

IP核是指具有知識產權、驗證、復用、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）是指完成版圖設計的功能單元模塊，軟件IP（IP軟核）是指用HDL語言設計并經過綜合驗證的功能單元模塊12。目前帶IP核的系統級FPGA的發展主要體現在兩個方面：一是FPGA廠商將硬件IP核嵌入到FPGA器件中;二是對IP核庫進行大幅度的擴展和優化，用戶可以直接使用。經過測試和驗證的優化IP? 核資源可有效完成這些預定義、定義的復雜片上系統設計。

（三）FPGA技術的動態化重組

采用Modular? Design方法實現FPCA的Dynamic? Part? Reconfiguration。首先，將設計的固定邏輯，即運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，必須遵循一定的規則，可重構模塊的高度必須與設備的高度相匹配，可重構模塊的最小寬度為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;其次，模塊放置、大小均有規則限制，必須遵循一定說明，要求動態化重組模塊的放置高度須與運行單元的高度一致，具體為動態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。如果可重構模塊位于設備最左側或最右側的切片列中，則設備邊緣的所有IOB都被視為可重構模塊資源，為了降低設計的復雜性，可重構模塊的數量應盡可能少。

動態重配置FPGA是指芯片具有系統動態重配置邏輯的功能以及在這些條件下對電路進行重配置的能力。動態可重構FPGA在器件編程方面具有獨特的特性和特點，內部邏輯模塊和內部布線的變化可以通過讀取SRAM數據實現邏輯重構，時間通常在納秒范圍內，有助于FPGA邏輯的動態重構。

（四）光纖技術存在的問題

目前，當傳輸大數據時，總線速度變慢，傳輸距離有限。因此，反物理仿真系統大多采用現場總線或以太網傳輸數據。以太網的傳輸速度和距離雖然有了很大的提高，但是傳輸協議比較復雜，影響傳輸效率，網絡負載也比較高。如果太大，會出現不可預知的延遲，難以保證仿真系統的實時性能，無法滿足當前半物理仿真系統的性能要求。由此可見，傳輸能力與數據傳輸需求的矛盾突出，現代先進武器評估系統的核心是高效數據傳輸技術的競爭力。

三、系統各模塊設計

（一）光纖收發一體模塊

該模塊選用FTLF8524P2BNV-BR光纖收發一體模塊，由Finisar公司設計，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換和電光轉換。同時，通信協議采用GTX使用的Fibre? Channel協議結合IP核，降低系統實現難度。光纖通信時鐘控制結合ICS843001-21 FEMTOCLOCKS數字頻率控制芯片，REFCLK+參考時鐘進行控制，使芯片相位抖動頻率小于1ps，滿足光纖通道、千兆以太網、同步光纖的要求，網絡、高清電視等各個領域都需要數據傳輸。利用M2-M0和N2-N0管腳進行分頻，最大限度發揮時鐘控制方式的優勢，FPGA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，頂層設計分為PCIe IP模塊、AXI4總線、中斷控制模塊和DMA控制器等，構建基于PCIe2×4數據傳輸通道。數據傳輸上限為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]函數進行輸出控制，讀取配置空間數據，輸入cfg_dwaddr[9：0]即可實現兩字節地址配置，根據功能需求，接口信號表配置完成后可隨時查看PCIe IP核配置空間狀態。

接收測試：數據生成模塊寫入FPGA內部后，通過不同頻率傳輸數據，DMA寫中斷操作將數據發送至系統軟件，系統軟件接收數據后，進行數據傳輸速率測試實現發送，數據保存并根據數據進行比較，判斷數據錯誤情況。

發送測試：例如測試從計算機硬盤讀取數據文件操作時，先將數據文件從PCIe總線傳輸到FPGA，在DMA中斷模式下讀取操作數據后，在FPGA內部寫入數據感知模塊后，檢查數據是否有錯誤。

（三）光纖通信模塊測試

1.硬件設計

（1）RS422接口電路設計

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，可配置全雙工RS422通訊;半雙工RS485通訊，根據TIA/EIA標準，ADM3076最多可連接256個節點。

RS422芯片經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）同步時鐘電路設計

同步時鐘電路為MAX9122/MAX9123，產自TI公司，具有高波特率、低電壓的優點，最大波特率可達500Mbps，供電3.3V，低噪聲模式;如圖3，MAX9122/MAX9123將LVDS端轉換為LVCMOS電平信號輸出。

2.軟件設計

（1）RS422通信邏輯設計

首先，需要初始化串口，通過內部邏輯運算設置接收波特率和發送波特率（本文設置的波特率為19200bps）。在接收模塊的情況下，內部寄存器信號RX_INT變低時，此時驅動RS422接口的接收邏輯程序，將接收到的數據移到末端，每當時鐘的上升沿到來時BIT端的接收數據，對通過計數器接收到的數據進行計數。當計數NUM達到12時，此時RX_INT信號變為高頻率，通信接收終止。

（2）時鐘模塊邏輯設計

首先，可以驅動輸入到FPGA的時鐘信號來配置FPGA，包括是否經過BUF，時鐘模塊的時鐘輸出最多可以驅動8路全局時鐘輸出。經上述實驗步驟，為進一步驗證時鐘模塊的仿真效果，分別設置100MHZ、50MHZ兩路驅動輸出頻率，使之可以識別時鐘模塊的狀態信號。包括RESET信號、LOCKED信號，RESET信號是時鐘IP核的參考復位，當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、系統調試

（一）各功能模塊測試

首先，打開發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，前提是視頻模數轉換模塊測試正常;隨后，FPGA芯片中下載A/D轉換程序，結果通過數碼管顯示轉換，具體測試方法與模數轉換測試方法相同。

（二）整機測試

在發射端，標準視頻信號發生器產生的模擬視頻信號輸入到光發射機。在接收端，光接收機的輸出端通過電纜連接到顯示器，光發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準的視頻彩條信號。

（三）指標測試

數據在傳輸過程中，當系統傳輸的碼率很高，會因為信號反射而對接收端機器產生干擾，將影響誤碼率是否滿足系統指標。本設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測試系統的最終結果輸出，結果如圖1 所示。經比較，測試的數據結果與PC端數據結果一致，該系統數據傳輸具有正確性。

五、結束語

基于FPGA的高速光纖通信數據傳輸板，高速光纖通信中的數據傳輸涉及通信協議的驗證、通信可靠性和穩定性的分析、通信波特率、誤碼率等測試方面。本文設計并測試了基于FPGA光纖通信數據傳輸技術具有較高的實際應用價值，筆者設計了成熟的光纖通信解決方案，最終測試結果顯示所有技術指標均能滿足課題的設計要求，達到綜合價值好，電路簡單，成本低，可靠性強，集成度高。可應用于多個領域，實現大容量、高速、實時、準確的數據傳輸。因此，本文的內容可以為相關領域的理論研究，對實踐探索提供一定的參考。本文設計的光纖通信數據傳輸系統已達到課題要求，但存在硬件優化等問題，系統傳輸速度仍有待進一步提升。

參? 考? 文? 獻

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