基于FPGA的高速光纖通信基帶板的設(shè)計(jì)

作者 袁行猛 徐蘭天 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

　　*基金項(xiàng)目：中國(guó)電科技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目《微波毫米波大帶寬大規(guī)模MIMO測(cè)試技術(shù)研究》

　　袁行猛(1988-)，男，助理工程師，研究方向：信號(hào)與信息處理。

摘要：基于FPGA ( Field Programmable Gate Array)的高速光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)出高速光纖通信基帶板。該基帶板使用Xilinx公司的Virtex-6系列芯片，使用FPGA中自帶的Aurora光口協(xié)議的IP核進(jìn)行例化和設(shè)計(jì)，并選用了具有高速數(shù)據(jù)傳輸通信性能的光模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)工作可靠性，其功能完善能與更高的控制系統(tǒng)形成靈活對(duì)接。該基于FPGA的高速光纖通信基帶板是以創(chuàng)新基金項(xiàng)目為依托進(jìn)行的設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)成果能為從事采用FPGA開發(fā)光口的高速數(shù)據(jù)傳輸方面的工程人員提供較好的實(shí)用指導(dǎo)價(jià)值。

0 引言

　　隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，未來(lái)通信無(wú)論是有線通還是無(wú)線通信對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力和數(shù)據(jù)的傳輸通信速率的要求都會(huì)越來(lái)越高，從現(xiàn)在的5G通信的要求中就能明確看到這個(gè)要求，所以尋求一種高速、穩(wěn)定、可靠的通信方式成為現(xiàn)在的主要技術(shù)。光纖通信具有傳輸速度快、損耗低、容量大、占用帶寬低、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于高速數(shù)據(jù)傳輸^[1]。隨著現(xiàn)在Xilinx的FPGA芯片的快速發(fā)展，處理能力與功能日益增強(qiáng)，本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的Virtex6系列芯片，設(shè)計(jì)出具有4通道光口收發(fā)，每個(gè)通道速率高達(dá)6.25 Gb/s的基帶板卡，最終此基帶板總速率能達(dá)到4*6.25 Gb/s。本設(shè)計(jì)利用這兩個(gè)部分優(yōu)勢(shì)，依附于實(shí)際的項(xiàng)目背景設(shè)計(jì)開發(fā)出高速光纖數(shù)據(jù)傳輸基帶板。最終驗(yàn)證測(cè)試本設(shè)計(jì)的可靠與實(shí)用性，滿足項(xiàng)目的需求。

1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出基于FPGA的傳輸速率高達(dá)6.25 Gb/s的光纖數(shù)據(jù)通信板卡，該板卡上集成高性能FPGA和DSP，板卡能通過(guò)預(yù)留主控接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，并通過(guò)DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，F(xiàn)PGA與DSP之間的速率通過(guò)FIFO進(jìn)行匹配，最終由FPGA控制光口的通信以及數(shù)據(jù)的整理功能。由于本設(shè)計(jì)的速率和處理能力要求高，經(jīng)過(guò)分析仿真，采用2個(gè)FPGA和2個(gè)DSP的組合處理架構(gòu)，因此板卡硬件設(shè)計(jì)采用PCB+FPG(2)+DSP(2)+光模塊(4)的架構(gòu)，并且預(yù)留出相應(yīng)的接插件、主控、調(diào)試等接口，設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示，詳細(xì)設(shè)計(jì)的架構(gòu)如圖2所示。

　　在板卡設(shè)計(jì)中選取的FPGA是Xilinx公司的XC6VSX315T-2FF1156型號(hào)作為主控芯片用來(lái)控制光纖接口的主要功能，主要完成光收發(fā)模塊的使能控制、光傳輸?shù)逆溌饭芾硪约皵?shù)據(jù)的傳輸。XC6VSX315T包含49200個(gè)Slices和25344 Block RAM，18個(gè)用戶I/O，可以滿足FPGA外圍電路設(shè)計(jì)和后期擴(kuò)展與增強(qiáng)功能的設(shè)計(jì)^[2]。設(shè)計(jì)中要求的光口傳輸速率是6.25 Gb/s，XC6VSX315T共有5組20個(gè)GTX數(shù)據(jù)收發(fā)接口，GTX通道的傳輸速率最快可達(dá)6.6 Gb/s，滿足技術(shù)指標(biāo)中的信號(hào)傳輸速率的要求^[3]。光收發(fā)模塊選用標(biāo)準(zhǔn)的成熟光收發(fā)模塊，該模塊最高傳輸速度可達(dá)4*6.25 Gb/s。整個(gè)板卡選用特定芯片完成主控與基帶板之間的數(shù)據(jù)交互，從而來(lái)控制板卡的主要功能。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本次設(shè)計(jì)基于FPGA的高速光纖通信基帶板卡時(shí)就采用了Verilog硬件描述語(yǔ)言來(lái)作為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，Verilog語(yǔ)言因其容易操作、簡(jiǎn)單易讀、穩(wěn)定可靠等優(yōu)越點(diǎn)，在電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)(EDA)技術(shù)的迅猛發(fā)展中成為主流語(yǔ)言，也是目前使用最為廣泛的硬件描述語(yǔ)言。因此，在本設(shè)計(jì)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的FPGA邏輯設(shè)計(jì)的基本方式，模塊化相應(yīng)的功能，根據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分，設(shè)計(jì)中總體分成一個(gè)頂層模塊和三個(gè)子模塊。頂層模塊主要調(diào)用各子模塊和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接口，三個(gè)子模塊為全局時(shí)鐘管理模塊、數(shù)據(jù)控制與整理模塊和Aurora 8B10B IP核的調(diào)用模塊。本次光口數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使用的協(xié)議是Xilinx公司提供的一種免費(fèi)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議——Aurora協(xié)議，該協(xié)議已經(jīng)驗(yàn)證是穩(wěn)定可靠的傳輸協(xié)議，已得到實(shí)際應(yīng)用，該協(xié)議核內(nèi)部封裝了高速串行數(shù)據(jù)接口硬核，可編程邏輯器件通過(guò)綁定GTX通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)交互。單個(gè)GTX通道的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)G bit級(jí)別，根據(jù)不同的需求可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的組合使用，從而可實(shí)現(xiàn)幾十G bit，甚至上百G bit速率的數(shù)據(jù)傳輸。因此，本次設(shè)計(jì)中FPGA邏輯設(shè)計(jì)的核心模塊就采用了Aurora 8B10B IP核。

　　通過(guò)例化Aurora 8B10B IP核，生成特定功能需求的模塊，數(shù)據(jù)位寬256位，如圖3所示，是主要的FPGA的功能實(shí)現(xiàn)代碼模塊部分。

　　其中主要實(shí)現(xiàn)部分有：頂層模塊(aurora_8b10b_v8_3_exdes)、全局時(shí)鐘管理模塊(aurora_8b10b_v8_3_CLOCK_MODULE)、光口通信模塊(aurora_8b10b_v8_3)、測(cè)試數(shù)據(jù)控制與產(chǎn)生模塊(aurora_8b10b_v8_3_FRAME_GEN)、工程約束文件(aurora_8b10b_v8_3_exdes.ucf)等。

3 光口的IP核協(xié)議

　　3.1 Aurora協(xié)議

　　Aurora協(xié)議是由Xilinx公司開發(fā)的光纖傳輸中的串行傳輸數(shù)據(jù)的一個(gè)鏈路層協(xié)議。它具有高帶寬、可擴(kuò)展性等突出特點(diǎn)已得到實(shí)際廣泛應(yīng)用^[4]。此外，該協(xié)議的幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)組包效率較高。因此，它非常適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。通常的光口通信鏈路channel中都會(huì)有若干個(gè)子lane通道組成，其中每個(gè)lane又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙工傳輸。所以本設(shè)計(jì)中的Aurora協(xié)議接口就在Xilinx公司的Virtex-6芯片上實(shí)現(xiàn)。

　　Aurora 8B/10B頂層模塊例化了Aurora 8B/10B通道模塊、TX和RX本地鏈路模塊、全局邏輯模塊以及GTP/GTX收發(fā)器。在設(shè)計(jì)中通過(guò)例化IP核會(huì)自動(dòng)生成這些對(duì)應(yīng)模塊，具體的頂層模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　3.2 8B/10B編解碼

　　8B/10B編碼是一種高性能的串行數(shù)據(jù)編碼方式，8B/10B編碼的基本特征就是保證編碼過(guò)程中的DC(直流)平衡，其基本的編碼功能就是將8 bit輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)映射編碼成10 bit的數(shù)據(jù)輸出，這種編碼方式能使數(shù)據(jù)中“1”和“0”的總個(gè)數(shù)平衡下來(lái)，使其總數(shù)最大不超過(guò)2，且連續(xù)的“1”或“0”的個(gè)數(shù)不超過(guò)5位這樣就保證了傳輸過(guò)程中信號(hào)的變換頻率能保持在一個(gè)足夠高的水平上。編碼的方式是將數(shù)據(jù)位中的連續(xù)8位數(shù)據(jù)分解成5位和3位的高低兩組數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)中的低5位信號(hào)和高3位的信號(hào)分別通過(guò)5B/6B編碼和3B/4B編碼變換成6位和4位信號(hào)，然后在合并成一個(gè)10 bit的信號(hào)輸出，以上就是8B/10B編碼的基本編碼思路。正是因?yàn)槠渚哂心茏屆钚畔⒘黝l譜分量為0或近乎為0和確保時(shí)鐘恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，所以光纖數(shù)據(jù)傳輸中采用了8B/10B編碼。

　　編碼的作用是提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因?yàn)?B/10B編碼的以上優(yōu)點(diǎn)以及此編碼的特性，在光纖通信系統(tǒng)中大都采用8B/10B編碼作為主要數(shù)據(jù)編碼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而來(lái)保證光纖通信中的數(shù)據(jù)可靠性，隨著技術(shù)的發(fā)展與實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)展，到目前為止，8B/10B編碼也日漸成熟可靠，優(yōu)點(diǎn)也被充分的利用，也是光口協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)編碼形式，本次數(shù)據(jù)傳輸中仍采用成熟的8B/10B編碼，數(shù)據(jù)的可靠性能得到充分保障^[5]。

4 基帶板功能的驗(yàn)證

　　基帶板設(shè)計(jì)完成后進(jìn)入基帶板測(cè)試驗(yàn)證階段，相應(yīng)的電路連線完成后，在光口插入相應(yīng)的光模塊，用光纖連接完成后，加載程序，然后用Xilinx自帶的觀測(cè)軟件Chipscope觀測(cè)光口的實(shí)際發(fā)送與接收到的數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)端控制為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的傳輸?shù)目煽啃?，手?dòng)編寫了測(cè)試文件，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，如圖5所示做一個(gè)16位累加數(shù)(data_lfsr_r)，然后數(shù)據(jù)整理成16*16的256位數(shù)據(jù)(TX_D)，經(jīng)過(guò)光口的發(fā)送后，在接收端觀測(cè)驗(yàn)證。

　　在Chipscope端觀測(cè)光口鏈路的建立情況以及數(shù)據(jù)的收發(fā)情況，如圖6所示，光口通路的建立情況，圖中CHANNEL_UP顯示為1，說(shuō)明鏈路建立成功，光口正常工作。

　　隨后對(duì)光口的發(fā)送與接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，使整個(gè)基帶板運(yùn)行起來(lái)后，實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸情況，如下圖7所示，發(fā)送的是256位16進(jìn)制數(shù)(tx_d_i)，由于數(shù)據(jù)位寬較大觀測(cè)不方便，根據(jù)我們的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)中的實(shí)際位寬是256位，測(cè)試中發(fā)送的256位數(shù)據(jù)是由低16位數(shù)組合而成，為了觀測(cè)方便取出低16位數(shù)據(jù)(tx_d_i[0:15])觀測(cè)，為了方便比對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)，編寫測(cè)試數(shù)據(jù)，這里設(shè)計(jì)的是連續(xù)發(fā)送的由16位累加數(shù)數(shù)組合而成的256位數(shù)據(jù)，通過(guò)觀測(cè)比對(duì)光口接收數(shù)據(jù)(rx_d_i)發(fā)現(xiàn)，接收到的也是標(biāo)準(zhǔn)累加數(shù)，從而驗(yàn)證光口建立成功，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，也驗(yàn)證了基帶板設(shè)計(jì)的功能完整性，證實(shí)了此次設(shè)計(jì)的合理與實(shí)用性。

　　設(shè)計(jì)的基帶板中包含兩個(gè)高性能的Virtex-6 FPGA和兩個(gè)DSP，F(xiàn)PGA+DSP的聯(lián)合可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速處理，整套基帶板具有完善的數(shù)據(jù)處理與傳輸能力，這樣就設(shè)計(jì)出了一整套功能完善的基帶板卡。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高速光纖通信基帶板，主要基于光口的高速通信，使用Verilog硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的一種滿足項(xiàng)目需求的基帶板，該板卡具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力和高速的傳輸通信能力，通過(guò)實(shí)際上板測(cè)試，驗(yàn)證了板卡設(shè)計(jì)的合理性與正確性，滿足了實(shí)際項(xiàng)目需求，該基帶板的設(shè)計(jì)可以為通信中的高速傳輸板卡的設(shè)計(jì)工作者們提供較高的指導(dǎo)意義。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第58頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。