FPGA光纤通信数据传输技术进展研究

韦美佳

【摘要】    随着社会各生产领域应用需求多样化，现场可编程门阵列（FPGA）作为一种可编程逻辑，成为人们谈论的重要话题。FPGA光纤通信数据为计算机、通信、汽车电子等设备设计注入了新的技术的改革和发展活力，但在长久的发展中任旧存在一系列的问题。基于FPGA的光纤通信数据传输系统，硬件部分由光纤收发模块、GTX收发器、PCIe总线、PCIe接口控制器和高速存储设备组成，软件部分由经测试驱动及应用配置两部分组成，具有较高的实际应用价值和综合价值，本文旨在解决半实物仿真合作项目中数据传输速度慢的问题，笔者提出使用FPGA实时性强的光纤通信高速数据实现传输，基于FPGA的光纤通信数据传输系统，可广泛应用于国防、军事、医疗卫生等领域。

【关键词】    光纤通信数据    传输技术FPGA 技术    光纤通信数据    传输技术

引言：

随着网络技术的不断发展，通过光纤传输数据，实现数据传输系统，传输容量大的优点是光纤传输技术的广泛应用。传统的光纤技术采用反射式存储技术，在数据传输中造成数据丢失、数据失真等一系列问题，严重影响光纤通信的使用价值和应用。在具体应用中，工程造价高，传输距离长。由美国马萨诸塞州波士顿光纤公司开发的塑料光纤，是20 世纪电信领域最引人注目的项目之一。穿过马六甲海峡、印度洋、红海、地中海，太平洋，旅程长达32万公里，项目工程总建设花费140亿美元，在光纤通信数据传输中，FPGA技术的具体应用解决数据传输这一问题。

一、光纤通信数据传输技术研究

（一）光纤通信技术

在19 世纪中期，伴随着科学家们开始研究光纤通信，光纤通信走入人们的生活视野。法国物理学家雅克巴比奈通过实验证明，光可以在弯曲的水流中传导。世纪末，研究人员引导光的传输通过使用弯曲的石英棒。1950年代和1960年代，许多科学家试图解决使用激光作为光纤通信光源的问题，第一套光纤电话系统 AT&T 和 GTE 被美国在亚特兰大于1976年研制，这是光纤通信第一次得到 实际应用。光纤通信由光纤、发射器、中繼器、接收器和连接器等主要零部件构成，通过发送端发送信号，接收到信号后，接收器转换技术进行电光转换的实现过程，是光纤通信的主要步骤。信号采用光纤通信技术在接收端进行光电转换，最终恢复到原始信号，实现数据传输，达到数据传输的目的。

光纤通信技术在世界上许多国家广泛用于数据传输，除具有高载频和光纤作为介质的两大特点外。采用光纤通信技术，载频最好，迄今为止，传输容量也最大，是其他通信技术无法比拟的。数据传输过程中不存在干扰，为了更好地保证光纤通信技术的抗干扰性能。通常在光纤材料上涂覆一层涂层，阻隔各种干扰。光纤通信技术的长光波可以利用全反射进行各种数据传输，这样可以保证数据的保密性。

（二）基于FPGA的高速传输技术

数字信号处理技术的飞速发展为现代处理器设计带来了活力，而复杂、海量的数据处理和传输任务对处理器设计提出了巨大挑战。在雷达信号处理、图像采集、图像信号处理等诸多领域，高速高效的数据传输方式已成为系统设计的重要难点，传统数据传输的瓶颈是现代处理器速度提升的重要限制因素。

通过在FPGA内部集成GTX模块，可以通过GTX模块的高速串行数据传输功能实现基于FPGA的高速数据传输。由于GTX收发器的高度可配置性，基于FPGA的高速传输技术可以实现优化信号完整性、可配置端接、电压摆幅和接收器眼图扫描等应用。

（三）光纤通信系统解决方案

目前，无线通信方式、电力载波方式、光纤方式等被广泛用作通信方式，但这些方式容易受到干扰、地形障碍、网络安全等技术因素的影响，难以与城市复杂的地形比拟。由于自动化配电网的积极使用以及光缆和光器件的迅速衰落，光纤通信得到了大家的广泛认可，并逐渐成为目前配电网通信的主流。

基于FPGA的光纤通信数据传输技术离不开硬件平台的支持，因此光纤通信平台和传输协议的选择尤为重要，具体的光纤通信系统解决方案包括：1.光纤通信平台。FPGA的设计，考虑到规模庞大、功能复杂的特点，建议采用IP核设计方法，Xilinx的GTX模块可用于串并转换技术、通道绑定技术、线路编码技术和预加重技术。时钟恢复技术等技术可以满足高速数据传输的需要，同时更好地保护信号完整性。通过选择集成光收发模块实现电光转换电路和光电转换电路的集成，可以进一步降低基于FPGA的光纤通信数据传输技术的实现难度。2.传输协议。GTX IP核支持标准传输协议的线速、内部数据宽度、PLL频率和通用参考时钟频率，允许PCIe总线的协议集成和实现，进一步降低技术难度。

二、FPGA 技术发展

（一）FPGA技术的大容量低电压低功耗发展

采用深亚微米工艺后，器件性能显著提升，同时价格也有所降低，由于便携式产品的快速发展，要求FPGA具有低功耗和低电压的特性。

对比无线通信方式，网络的距离超过了一般有线网络允许的长度，作为备份网络，即数字电力线载波和网络中发生连接移动或临时节点故障;电力线载波通信容量小，功能单一，光纤传输方式电磁波承载力小，由此可见，FPGA技术的大容量是发展的重点。

（二）FPGA技术系统高密化发展

随着生产规模的不断扩大和产品成本的逐渐降低，FPGA技术的应用不再仅适用于系统接口器件的现场集成，而是可以灵活应用于系统设计。在此前提下，国际FPGA厂商都在专注于高密度FPGA技术的发展中，更加关注 FPGA技术IP硬件和软件，针对IP核系统的FPGA的开发。

IP核是指具有知识产权、验证、复用、通用或特殊功能的单元模块，一般分为硬件IP软件IP和软件IP模块。其中，硬件IP（IP硬件）是指完成版图设计的功能单元模块，软件IP（IP软核）是指用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块12。目前带IP核的系统级FPGA的发展主要体现在两个方面：一是FPGA厂商将硬件IP核嵌入到FPGA器件中;二是对IP核库进行大幅度的扩展和优化，用户可以直接使用。经过测试和验证的优化IP  核资源可有效完成这些预定义、定义的复杂片上系统设计。

（三）FPGA技术的动态化重组

采用Modular  Design方法实现FPCA的Dynamic  Part  Reconfiguration。首先，将设计的固定逻辑，即运行中不需要改变的逻辑，分为固定模块和必要部分。要修改的模块被划分为可重新配置的模块。其次，模块的放置和大小有限制，必须遵循一定的规则，可重构模块的高度必须与设备的高度相匹配，可重构模块的最小宽度为4，一个切片CLB包含两个相同的切片，并且必须是4 个切片的倍数;其次，模块放置、大小均有规则限制，必须遵循一定说明，要求动态化重组模块的放置高度须与运行单元的高度一致，具体为动态化重组模块的最小宽度为4mm，切片CLB为同一个切片，是切片的4倍数。如果可重构模块位于设备最左侧或最右侧的切片列中，则设备边缘的所有IOB都被视为可重构模块资源，为了降低设计的复杂性，可重构模块的数量应尽可能少。

动态重配置FPGA是指芯片具有系统动态重配置逻辑的功能以及在这些条件下对电路进行重配置的能力。动态可重构FPGA在器件编程方面具有独特的特性和特点，内部逻辑模块和内部布线的变化可以通过读取SRAM数据实现逻辑重构，时间通常在纳秒范围内，有助于FPGA逻辑的动态重构。

（四）光纤技术存在的问题

目前，当传输大数据时，总线速度变慢，传输距离有限。因此，反物理仿真系统大多采用现场总线或以太网传输数据。以太网的传输速度和距离虽然有了很大的提高，但是传输协议比较复杂，影响传输效率，网络负载也比较高。如果太大，会出现不可预知的延迟，难以保证仿真系统的实时性能，无法满足当前半物理仿真系统的性能要求。由此可见，传输能力与数据传输需求的矛盾突出，现代先进武器评估系统的核心是高效数据传输技术的竞争力。

三、系统各模块设计

（一）光纤收发一体模块

该模块选用FTLF8524P2BNV-BR光纤收发一体模块，由Finisar公司设计，SFP封装，传输速率4.25GB/s。只需几个FPGA控制信號即可完成光电转换和电光转换。同时，通信协议采用GTX使用的Fibre  Channel协议结合IP核，降低系统实现难度。光纤通信时钟控制结合ICS843001-21 FEMTOCLOCKS数字频率控制芯片，REFCLK+参考时钟进行控制，使芯片相位抖动频率小于1ps，满足光纤通道、千兆以太网、同步光纤的要求，网络、高清电视等各个领域都需要数据传输。利用M2-M0和N2-N0管脚进行分频，最大限度发挥时钟控制方式的优势，FPGA可以直接控制6管脚电平，操作简单，易于控制。

（二）PCIe总线模块

PCIe接口控制器采用PCIe2.0模型，顶层设计分为PCIe IP模块、AXI4总线、中断控制模块和DMA控制器等，构建基于PCIe2×4数据传输通道。数据传输上限为16Gbps，可以有效考虑宽带开销和解码开销，接口信号表，使用cfg_do[31：0]函数进行输出控制，读取配置空间数据，输入cfg_dwaddr[9：0]即可实现两字节地址配置，根据功能需求，接口信号表配置完成后可随时查看PCIe IP核配置空间状态。

接收测试：数据生成模块写入FPGA内部后，通过不同频率传输数据，DMA写中断操作将数据发送至系统软件，系统软件接收数据后，进行数据传输速率测试实现发送，数据保存并根据数据进行比较，判断数据错误情况。

发送测试：例如测试从计算机硬盘读取数据文件操作时，先将数据文件从PCIe总线传输到FPGA，在DMA中断模式下读取操作数据后，在FPGA内部写入数据感知模块后，检查数据是否有错误。

（三）光纤通信模块测试

1.硬件设计

（1）RS422接口电路设计

本文选用RS422通讯作为本专题的测试口，RS422芯片为ADI公司的ADM3076芯片，是一款低电压（工作电压3.3V）芯片，具有15kV ESD保护，可配置全双工RS422通讯;半双工RS485通讯，根据TIA/EIA标准，ADM3076最多可连接256个节点。

RS422芯片经DE配置时，上拉电阻，下接RE端，RS422差分接收A端、B端为接口。

需要更改DE配置上拉 DE端电阻，下接电阻RE 端;A、B端配置为RS422差分接收接口，Z、Y端子配置为RS422差分传输接口。

（2）同步时钟电路设计

同步时钟电路为MAX9122/MAX9123，产自TI公司，具有高波特率、低电压的优点，最大波特率可达500Mbps，供电3.3V，低噪声模式;如图3，MAX9122/MAX9123将LVDS端转换为LVCMOS电平信号输出。

2.软件设计

（1）RS422通信逻辑设计

首先，需要初始化串口，通过内部逻辑运算设置接收波特率和发送波特率（本文设置的波特率为19200bps）。在接收模块的情况下，内部寄存器信号RX_INT变低时，此时驱动RS422接口的接收逻辑程序，将接收到的数据移到末端，每当时钟的上升沿到来时BIT端的接收数据，对通过计数器接收到的数据进行计数。当计数NUM达到12时，此时RX_INT信号变为高频率，通信接收终止。

（2）时钟模块逻辑设计

首先，可以驱动输入到FPGA的时钟信号来配置FPGA，包括是否经过BUF，时钟模块的时钟输出最多可以驱动8路全局时钟输出。经上述实验步骤，为进一步验证时钟模块的仿真效果，分别设置100MHZ、50MHZ两路驱动输出频率，使之可以识别时钟模块的状态信号。包括RESET信号、LOCKED信号，RESET信号是时钟IP核的参考复位，当RESET 信号为高频率时，时钟模块的IP核将不再工作，LOCKED信号与之相反。

四、系统调试

（一）各功能模块测试

首先，打开发射和接收电路的电源以测试电源模块是否正常，测量各个芯片的电压是否正常。测试系统时钟时，查看用示波器测量晶振是否开始振荡，频率是否正确，芯片的输入时钟是否正确。最后，连接模拟视频信号，前提是视频模数转换模块测试正常;随后，FPGA芯片中下载A/D转换程序，结果通过数码管显示转换，具体测试方法与模数转换测试方法相同。

（二）整机测试

在发射端，标准视频信号发生器产生的模擬视频信号输入到光发射机。在接收端，光接收机的输出端通过电缆连接到显示器，光发射端和光接收端通过光纤连接。连接完成后，检查显示器是否有标准的视频彩条信号。

（三）指标测试

数据在传输过程中，当系统传输的码率很高，会因为信号反射而对接收端机器产生干扰，将影响误码率是否满足系统指标。本设计主要在信号处理部分采用阻抗匹配的方式，减少信号的反射，减少对接收端的干扰。本设计主要在信号处理部分采用阻抗匹配来减少信号的反射，以减少其对接收的影响。

（四）整体测试及性能评估

使用Singal  Tap  II测试系统的最终结果输出，结果如图1 所示。经比较，测试的数据结果与PC端数据结果一致，该系统数据传输具有正确性。

五、结束语

基于FPGA的高速光纤通信数据传输板，高速光纤通信中的数据传输涉及通信协议的验证、通信可靠性和稳定性的分析、通信波特率、误码率等测试方面。本文设计并测试了基于FPGA光纤通信数据传输技术具有较高的实际应用价值，笔者设计了成熟的光纤通信解决方案，最终测试结果显示所有技术指标均能满足课题的设计要求，达到综合价值好，电路简单，成本低，可靠性强，集成度高。可应用于多个领域，实现大容量、高速、实时、准确的数据传输。因此，本文的内容可以为相关领域的理论研究，对实践探索提供一定的参考。本文设计的光纤通信数据传输系统已达到课题要求，但存在硬件优化等问题，系统传输速度仍有待进一步提升。

参  考  文  献

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