Aurora協(xié)議的高速傳輸系統(tǒng)的研究與FPGA實(shí)現(xiàn)

基金項(xiàng)目：電子測(cè)量?jī)x器技術(shù)蚌埠市技術(shù)創(chuàng)新中心：高性能5G增強(qiáng)移動(dòng)寬帶通信矢量信號(hào)發(fā)生器（AHZQ3026）

隨著5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代的通信技術(shù)也迎來(lái)了發(fā)展的高潮。此外，隨著智能設(shè)備的普及，對(duì)數(shù)據(jù)流量也帶來(lái)了較大的激增。5G 技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很苛刻。新一代的通信技術(shù)存在大量的研究難題，除了大帶寬、高速率以及sub6G 數(shù)據(jù)分析之外，還有微波和毫米波信號(hào)分析。5G 技術(shù)最大的挑戰(zhàn)就是隨著5G 高速率數(shù)據(jù)傳輸會(huì)導(dǎo)致信號(hào)帶寬以及基帶處理速度都將大幅度的提升，因此對(duì)高速的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理分析就變得越來(lái)越有難度^[1]。

Xilinx 公司的FPGA 內(nèi)部鑲嵌了Rocket IO高速串行收發(fā)器，從而能夠簡(jiǎn)化光口傳輸?shù)挠布娐?。Aurora 協(xié)議是Xilinx 公司對(duì)外免費(fèi)開(kāi)放的一個(gè)高速光口傳輸協(xié)議，不僅方便了設(shè)計(jì)者自行添加上層應(yīng)用，而且能夠適配大多數(shù)嵌有Rocket IO 高速串行收發(fā)器的FPGA。FPGA內(nèi)部攜帶的IP 核可以提供用戶接口方便與FIFO 接口對(duì)接，其他的傳輸協(xié)議需要設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)GTP 接口的邏輯，端口的邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜；與此同時(shí)，Aurora IP 核在初始化時(shí)形成的Aurora 傳輸通道能夠滿足任何大小的數(shù)據(jù)幀，并且當(dāng)傳輸通道被隨意打斷時(shí)，打斷空缺的地方能夠自動(dòng)進(jìn)行填充，從而達(dá)到滿足傳輸過(guò)來(lái)的不連續(xù)信號(hào)的要求。本文利用FPGA 自帶的Aurora 協(xié)議進(jìn)行高速光口傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)此方案進(jìn)行測(cè)試。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Aurora 協(xié)議的高速傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)射頻單元與基帶處理單元之間的Aurora 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。結(jié)構(gòu)圖中Aurora 傳輸協(xié)議是通過(guò)Xilinx 公司的FPGA 自帶的IP 核實(shí)現(xiàn)的，為了能夠滿足Aurora 協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要求，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，此模塊主要作用是傳輸速率的匹配。在信號(hào)的發(fā)射端將采集的IQ 數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成滿足Aurora 協(xié)議傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)和速率；在接收端通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將Aurora 協(xié)議傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)恢復(fù)成規(guī)定的采樣速率的連續(xù)IQ 數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 Aurora協(xié)議

2.1 Aurora協(xié)議簡(jiǎn)介

Xilinx 公司為了實(shí)現(xiàn)高速傳輸開(kāi)發(fā)了Aurora 協(xié)議，它是一種可裁剪的輕量級(jí)鏈路層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)在相應(yīng)的器件內(nèi)部制定相應(yīng)的IP 核。在物理層方面，它提供了透明的接口，將Rocket IO 硬核封裝到了協(xié)議的內(nèi)部，通過(guò)Rocket 的并行綁定，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的完美升級(jí)。與此同時(shí)，Rocket IO 硬核不僅能進(jìn)行上層自定義，還能被工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用。Aurora協(xié)議運(yùn)用的是有線連接的通信模式，協(xié)議中不僅僅是將物理層接口和數(shù)據(jù)格式都定義好了，還將時(shí)鐘校準(zhǔn)、初始化等內(nèi)容也進(jìn)行了相應(yīng)的定義。Aurora 協(xié)議傳輸方式包括流和幀兩種，能滿足不同用戶的使用。Aurora 協(xié)議傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 Aurora協(xié)議傳輸結(jié)構(gòu)

Aurora 協(xié)議內(nèi)部有多種不同的編碼方式，其中8B/10B 和64B/66B 兩種編碼方式最為常用。本文設(shè)計(jì)主要采用的是64B/66B 編碼方式。FPGA 內(nèi)部自帶的Aurora IP 核模塊主要功能有：①通道的傳輸邏輯，主要是負(fù)責(zé)模塊的初始化、GTX 和GTH 收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)、錯(cuò)誤檢測(cè)以及處理控制字符的編解碼；②提供用戶接收接口，將通道傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)送到用戶程序中，從而執(zhí)行控制能力；③提供用戶發(fā)射接口，將用戶程序發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ǖ乐?，從而?zhí)行發(fā)送功能。

本設(shè)計(jì)Aurora 數(shù)據(jù)傳輸方式選擇的為流模式接口設(shè)計(jì)。該模式接口主要包括復(fù)位接口、接收數(shù)據(jù)信號(hào)接口、發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)接口、接收數(shù)據(jù)信號(hào)使能接口、發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)使能接口以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接口。

2.2 Aurora協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸流程

Aurora 協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸方式選擇為Streaming 模式，在該模式中，Aurora64B/66B 通道采用流水線方式處理。此時(shí)接口的數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)桨l(fā)射數(shù)據(jù)接口s_ax_tx_tdata端口，在發(fā)送數(shù)據(jù)有效位s_ax_tx_tvalid 無(wú)效時(shí)，除了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘外，緩存的word 之間會(huì)產(chǎn)生間隙。當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)接口的接收端時(shí)，需要將數(shù)據(jù)立刻讀取，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

圖3 為發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖，從圖中可以看出在第1 個(gè)周期時(shí)s_axi_tx_tvalid 和s_axi_tx_tready 均為0，此時(shí)表示Aurora IP 核和用戶邏輯數(shù)據(jù)傳輸均沒(méi)有準(zhǔn)備好；等到第2 個(gè)周期時(shí)s_axi_tx_tvalid=0 和s_axi_tx_tready=1，表示Aurora IP 核已經(jīng)做好了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，等待用戶邏輯傳輸數(shù)據(jù)；等到第3 個(gè)周期時(shí)s_axi_tx_tvalid=1 和s_axi_tx_tready=1，表示用戶邏輯傳輸數(shù)據(jù)，并且會(huì)將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放到了s_axi_tx_tdata總線上，此時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)從用戶邏輯端傳輸?shù)紸urora IP 核端；在位置1 的周期內(nèi)，s_axi_tx_tready 信號(hào)被拉低，此時(shí)的數(shù)據(jù)是無(wú)效的，在位置2 的周期內(nèi)s_axi_tx_tready 信號(hào)又被拉高，此時(shí)的數(shù)據(jù)是有效的；在位置1 的周期內(nèi)，s_axi_tx_tready 信號(hào)被拉低，此時(shí)的數(shù)據(jù)是無(wú)效的；在位置3 的周期內(nèi)s_axi_tx_tready=1 和s_axi_tx_tvalid=0，此時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 Aurora協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖

圖4 為接收數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖，從圖中可以看出在接收數(shù)據(jù)時(shí)，只要m_axi_rx_tvalid 信號(hào)有效時(shí)，就開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)m_axi_rx_tvalid 信號(hào)無(wú)效時(shí)，不接收信號(hào)。

圖4 Aurora協(xié)議接收數(shù)據(jù)傳輸邏輯圖

3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

為了滿足5G 數(shù)據(jù)傳輸中30 kHz 和60 kHz 兩種載波間隔的基帶數(shù)據(jù)傳輸，在接收端和發(fā)射端采用了兩種采樣率即122.88 MHz 和245.76 MHz，但是AuroraIP 核使用的是245.76 MHz 固定的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入與輸出。因此在對(duì)于122.88 MHz 采樣率的數(shù)據(jù)輸入就需要將兩個(gè)幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后通過(guò)一個(gè)245.76MHz 的幀時(shí)間讀出，隨之輸出一個(gè)無(wú)效的幀數(shù)據(jù)，等待下一幀數(shù)據(jù)的到來(lái)。接收端與之一樣，等到2 個(gè)122.88 MHz 的有效數(shù)據(jù)緩存之后再用245.76 MHz 的頻率輸出。

4 Aurora協(xié)議的FPGA實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

本研究將對(duì)Aurora 協(xié)議高速傳輸功能通過(guò)FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)硬件平臺(tái)來(lái)進(jìn)行功能驗(yàn)證。圖5 是FPGA 硬件開(kāi)發(fā)板，首先介紹一下開(kāi)發(fā)板的性能參數(shù)以及它的開(kāi)發(fā)能力，開(kāi)發(fā)板參數(shù)如表1 所示，開(kāi)發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 FPGA開(kāi)發(fā)板正反面

4.1 頂層模塊設(shè)計(jì)

圖6和圖7給出了設(shè)計(jì)的頂層核Aurora 協(xié)議模塊的結(jié)構(gòu)，Aurora IP 核設(shè)置如圖8 所示。

圖6 程序整體模塊

圖7 Aurora協(xié)議模塊

top：設(shè)計(jì)的頂層文件；

rx_jesd204_01_interface_u1：采集模塊，將采集到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成245.76 MHz 的時(shí)鐘速率；

rx_sfp_01_interface_u1：Aurora 協(xié)議實(shí)現(xiàn)的頂層模塊。

4.2 測(cè)試驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用Vivado2018.3 軟件進(jìn)行代碼編寫(xiě)、編譯及上板驗(yàn)證，該開(kāi)發(fā)軟件內(nèi)部集成了大量的RAM、乘法器以及FIFO 等常用的IP 核，從而能夠大大降低了功能的開(kāi)發(fā)難度。數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換模塊是將外部的異步速率的信號(hào)轉(zhuǎn)換成Aurora 核數(shù)據(jù)時(shí)鐘的信號(hào)。采用Xilinx ku060開(kāi)發(fā)板進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證，使用的FPGA芯片型號(hào)為xcku060-ff va1156。通過(guò)ILA 監(jiān)測(cè)器來(lái)觀察Aurora協(xié)議信號(hào)傳輸功能是否正常。最后通過(guò)DSP 識(shí)別CCCC_CCCC 數(shù)據(jù)頭將IQ 數(shù)據(jù)傳輸給算法庫(kù)進(jìn)行解調(diào)，軟件將解調(diào)結(jié)果顯示出來(lái)。測(cè)試結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

圖9 FPGA捕捉到CCCC_CCCC數(shù)據(jù)頭

圖10 IQ數(shù)據(jù)解調(diào)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究主要完成了Aurora 協(xié)議高速傳輸系統(tǒng)研究和FPGA 實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)射頻RF 單元和基帶BU單元之間的Aurora 協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路，需要將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式匹配到Aurora 協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾势ヅ潆y點(diǎn)主要在于高速處理硬件的實(shí)現(xiàn)。為了匹配不同采樣率的數(shù)據(jù)Aurora 傳輸，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。經(jīng)過(guò)在Xilinx ku060 開(kāi)發(fā)板測(cè)試，驗(yàn)證了Aurora協(xié)議高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，確定了本實(shí)現(xiàn)方案的可行性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）