基于FPGA的高速光纖通信基帶板的設(shè)計

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

　　*基金項目：中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金項目《微波毫米波大帶寬大規(guī)模MIMO測試技術(shù)研究》

　　袁行猛(1988-)，男，助理工程師，研究方向：信號與信息處理。

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，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)際測試驗(yàn)證了本設(shè)計工作可靠性，其功能完善能與更高的控制系統(tǒng)形成靈活對接。該基于FPGA的高速光纖通信基帶板是以創(chuàng)新基金項目為依托進(jìn)行的設(shè)計，具體的設(shè)計成果能為從事采用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)價值。

0 引言

　　隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，未來通信無論是有線通還是無線通信對數(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越來越高，從現(xiàn)在的5G通信的要求中就能明確看到這個要求，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)計選用Xilinx公司的Virtex6系列芯片，設(shè)計出具有4通道光口收發(fā)，每個通道速率高達(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)計利用這兩個部分優(yōu)勢，依附于實(shí)際的項目背景設(shè)計開發(fā)出高速光纖數(shù)據(jù)傳輸基帶板。最終驗(yàn)證測試本設(shè)計的可靠與實(shí)用性，滿足項目的需求。

1 硬件架構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)本次項目設(shè)計需求，本設(shè)計的目標(biāo)是設(shè)計出基于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，板卡能通過預(yù)留主控接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，并通過DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，F(xiàn)PGA與DSP之間的速率通過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)計的速率和處理能力要求高，經(jīng)過分析仿真，采用2個FPGA和2個DSP的組合處理架構(gòu)，因此板卡硬件設(shè)計采用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)計的基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示，詳細(xì)設(shè)計的架構(gòu)如圖2所示。

　　在板卡設(shè)計中選取的FPGA是Xilinx公司的XC6VSX315T-2FF1156型號作為主控芯片用來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Slices和25344 Block RAM，18個用戶I/O，可以滿足FPGA外圍電路設(shè)計和后期擴(kuò)展與增強(qiáng)功能的設(shè)計^[2]。設(shè)計中要求的光口傳輸速率是6.25 Gb/s，XC6VSX315T共有5組20個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，從而來控制板卡的主要功能。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計

　　本次設(shè)計基于FPGA的高速光纖通信基帶板卡時就采用了Verilog硬件描述語言來作為設(shè)計語言，Verilog語言因其容易操作、簡單易讀、穩(wěn)定可靠等優(yōu)越點(diǎn)，在電子自動化設(shè)計(EDA)技術(shù)的迅猛發(fā)展中成為主流語言，也是目前使用最為廣泛的硬件描述語言。因此，在本設(shè)計中，采用標(biāo)準(zhǔn)的FPGA邏輯設(shè)計的基本方式，模塊化相應(yīng)的功能，根據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分，設(shè)計中總體分成一個頂層模塊和三個子模塊。頂層模塊主要調(diào)用各子模塊和設(shè)計數(shù)據(jù)接口，三個子模塊為全局時鐘管理模塊、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綁定GTX通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)交互。單個GTX通道的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)G bit級別，根據(jù)不同的需求可以實(shí)現(xiàn)多個通道的組合使用，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)計中FPGA邏輯設(shè)計的核心模塊就采用了Aurora 8B10B IP核。

　　通過例化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)、全局時鐘管理模塊(aurora_8b10b_v8_3_CLOCK_MODULE)、光口通信模塊(aurora_8b10b_v8_3)、測試數(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)也相對簡單，數(shù)據(jù)組包效率較高。因此，它非常適用于點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。通常的光口通信鏈路channel中都會有若干個子lane通道組成，其中每個lane又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙工傳輸。所以本設(shè)計中的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)計中通過例化IP核會自動生成這些對應(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”的總個數(shù)平衡下來，使其總數(shù)最大不超過2，且連續(xù)的“1”或“0”的個數(shù)不超過5位這樣就保證了傳輸過程中信號的變換頻率能保持在一個足夠高的水平上。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位信號和高3位的信號分別通過5B/6B編碼和3B/4B編碼變換成6位和4位信號，然后在合并成一個10 bit的信號輸出，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)計完成后進(jìn)入基帶板測試驗(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自帶的觀測軟件Chipscope觀測光口的實(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)計的傳輸?shù)目煽啃?，手動編寫了測試文件，用來傳輸數(shù)據(jù)，如圖5所示做一個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)過光口的發(fā)送后，在接收端觀測驗(yàn)證。

　　在Chipscope端觀測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，說明鏈路建立成功，光口正常工作。

　　隨后對光口的發(fā)送與接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，使整個基帶板運(yùn)行起來后，實(shí)時觀測數(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)位寬較大觀測不方便，根據(jù)我們的設(shè)計思路，設(shè)計中的實(shí)際位寬是256位，測試中發(fā)送的256位數(shù)據(jù)是由低16位數(shù)組合而成，為了觀測方便取出低16位數(shù)據(jù)(tx_d_i[0:15])觀測，為了方便比對輸入輸出數(shù)據(jù)，編寫測試數(shù)據(jù)，這里設(shè)計的是連續(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)，通過觀測比對光口接收數(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)計的功能完整性，證實(shí)了此次設(shè)計的合理與實(shí)用性。

　　設(shè)計的基帶板中包含兩個高性能的Virtex-6 FPGA和兩個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)計出了一整套功能完善的基帶板卡。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種基于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硬件描述語言設(shè)計的一種滿足項目需求的基帶板，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，通過實(shí)際上板測試，驗(yàn)證了板卡設(shè)計的合理性與正確性，滿足了實(shí)際項目需求，該基帶板的設(shè)計可以為通信中的高速傳輸板卡的設(shè)計工作者們提供較高的指導(dǎo)意義。

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