作者 袁行猛 徐兰天 我国电子科技集团公司第四十一研讨所(安徽 蚌埠 233010)
*基金项目：我国电科技能立异基金项目《微波毫米波大带宽大规模MIMO测验技能研讨》
袁行猛(1988-)，男，助理工程师，研讨方向：信号与信息处理。
摘要：依据FPGA ( Field Programmable Gate Array)的高速光纤传输体系规划出高速光纤通讯基带板。该基带板运用Xilinx公司的Virtex-6系列芯片，运用FPGA中自带的Aurora光口协议的IP核进行例化和规划，并选用了具有高速数据传输通讯功用的光模块进行数据传输，实践测验验证了本规划作业牢靠性，其功用完善能与更高的操控体系构成灵敏对接。该依据FPGA的高速光纤通讯基带板是以立异基金项目为依托进行的规划，详细的规划效果能为从事选用FPGA开发光口的高速数据传输方面的工程人员供给较好的有用辅导价值。
0 导言
跟着现代通讯的开展，未来通讯无论是有线通仍是无线通讯对数据的处理才能和数据的传输通讯速率的要求都会越来越高，从现在的5G通讯的要求中就能清晰看到这个要求，所以寻求一种高速、安稳、牢靠的通讯方法成为现在的首要技能。光纤通讯具有传输速度快、损耗低、容量大、占用带宽低、抗电磁干扰的长处，十分适用于高速数据传输[1]。跟着现在Xilinx的FPGA芯片的快速开展，处理才能与功用日益增强，本规划选用Xilinx公司的Virtex6系列芯片，规划出具有4通道光口收发，每个通道速率高达6.25 Gb/s的基带板卡，终究此基带板总速率能到达4*6.25 Gb/s。本规划运用这两个部分优势，依附于实践的项目布景规划开宣布高速光纤数据传输基带板。终究验证测验本规划的牢靠与有用性，满意项目的需求。
1 硬件架构规划
依据本次项目规划需求，本规划的方针是规划出依据FPGA的传输速率高达6.25 Gb/s的光纤数据通讯板卡，该板卡上集成高功用FPGA和DSP，板卡能经过预留主控接口完结与上位机之间的通讯，并经过DSP进行数据的收发，FPGA与DSP之间的速率经过FIFO进行匹配，终究由FPGA操控光口的通讯以及数据的收拾功用。因为本规划的速率和处理才能要求高，经过剖析仿真，选用2个FPGA和2个DSP的组合处理架构，因而板卡硬件规划选用PCB+FPG(2)+DSP(2)+光模块(4)的架构，而且预留出相应的接插件、主控、调试等接口，规划的根底架构如图1所示，详细规划的架构如图2所示。
在板卡规划中选取的FPGA是Xilinx公司的XC6VSX315T-2FF1156类型作为主控芯片用来操控光纤接口的首要功用，首要完结光收发模块的使能操控、光传输的链路办理以及数据的传输。XC6VSX315T包括49200个Slices和25344 Block RAM，18个用户I/O，能够满意FPGA外围电路规划和后期扩展与增强功用的规划[2]。规划中要求的光口传输速率是6.25 Gb/s，XC6VSX315T共有5组20个GTX数据收发接口，GTX通道的传输速率最快可达6.6 Gb/s，满意技能指标中的信号传输速率的要求[3]。光收发模块选用规范的老练光收发模块，该模块最高传输速度可达4*6.25 Gb/s。整个板卡选用特定芯片完结主控与基带板之间的数据交互，然后来操控板卡的首要功用。
2 软件架构规划
本次规划依据FPGA的高速光纤通讯基带板卡时就选用了Verilog硬件描绘言语来作为规划言语，Verilog言语因其简略操作、简略易读、安稳牢靠等优胜点，在电子主动化规划(EDA)技能的迅猛开展中成为干流言语，也是现在运用最为广泛的硬件描绘言语。因而，在本规划中，选用规范的FPGA逻辑规划的根本方法，模块化相应的功用，依据功用进行模块区分，规划中整体分红一个顶层模块和三个子模块。顶层模块首要调用各子模块和规划数据接口，三个子模块为大局时钟办理模块、数据操控与收拾模块和Aurora 8B10B IP核的调用模块。本次光口数据传输过程中运用的协议是Xilinx公司供给的一种免费的数据链路层协议——Aurora协议，该协议现已验证是安稳牢靠的传输协议，已得到实践运用，该协议核内部封装了高速串行数据接口硬核，可编程逻辑器件经过绑定GTX通道进行数据的收发交互。单个GTX通道的数据传输速率可达G bit等级，依据不同的需求能够完结多个通道的组合运用，然后可完结几十G bit，乃至上百G bit速率的数据传输。因而，本次规划中FPGA逻辑规划的中心模块就选用了Aurora 8B10B IP核。
经过例化Aurora 8B10B IP核，生成特定功用需求的模块，数据位宽256位，如图3所示，是首要的FPGA的功用完结代码模块部分。
其间首要完结部分有：顶层模块(aurora_8b10b_v8_3_exdes)、大局时钟办理模块(aurora_8b10b_v8_3_CLOCK_MODULE)、光口通讯模块(aurora_8b10b_v8_3)、测验数据操控与发生模块(aurora_8b10b_v8_3_FRAME_GEN)、工程束缚文件(aurora_8b10b_v8_3_exdes.ucf)等。
3 光口的IP核协议
3.1 Aurora协议
Aurora协议是由Xilinx公司开发的光纤传输中的串行传输数据的一个链路层协议。它具有高带宽、可扩展性等杰出特色已得到实践广泛运用[4]。此外，该协议的帧数据结构也相对简略，数据组包功率较高。因而，它十分适用于点对点的数据传输环境。一般的光口通讯链路channel中都会有若干个子lane通道组成，其间每个lane又能完结数据的双工传输。所以本规划中的Aurora协议接口就在Xilinx公司的Virtex-6芯片上完结。
Aurora 8B/10B顶层模块例化了Aurora 8B/10B通道模块、TX和RX本地链路模块、大局逻辑模块以及GTP/GTX收发器。在规划中经过例化IP核会主动生成这些对应模块，详细的顶层模块结构如图4所示。
3.2 8B/10B编解码
8B/10B编码是一种高功用的串行数据编码方法，8B/10B编码的根本特征便是确保编码过程中的DC(直流)平衡，其根本的编码功用便是将8 bit输入数据经过映射编码成10 bit的数据输出，这种编码方法能使数据中“1”和“0”的总个数平衡下来，使其总数最大不超越2，且接连的“1”或“0”的个数不超越5位这样就确保了传输过程中信号的改换频率能保持在一个足够高的水平上。编码的方法是将数据位中的接连8位数据分解成5位和3位的凹凸两组数据，然后将数据中的低5位信号和高3位的信号别离经过5B/6B编码和3B/4B编码改换成6位和4位信号，然后在合并成一个10 bit的信号输出，以上便是8B/10B编码的根本编码思路。正是因为其具有能让指令信息流频谱重量为0或近乎为0和确保时钟康复等长处，所以光纤数据传输中选用了8B/10B编码。
编码的作用是进步数据传输的牢靠性，因为8B/10B编码的以上长处以及此编码的特性，在光纤通讯体系中大都选用8B/10B编码作为首要数据编码方法进行数据传输，然后来确保光纤通讯中的数据牢靠性，跟着技能的开展与实践的运用发展，到现在为止，8B/10B编码也日渐老练牢靠，长处也被充沛的运用，也是光口协议中的规范编码方式，本次数据传输中仍选用老练的8B/10B编码，数据的牢靠功用得到充沛保证[5]。
4 基带板功用的验证
基带板规划完结后进入基带板测验验证阶段，相应的电路连线完结后，在光口刺进相应的光模块，用光纤衔接完结后，加载程序，然后用Xilinx自带的观测软件Chipscope观测光口的实践发送与接纳到的数据。
数据端操控为了验证规划的传输的牢靠性，手动编写了测验文件，用来传输数据，如图5所示做一个16位累加数(data_lfsr_r)，然后数据收拾成16*16的256位数据(TX_D)，经过光口的发送后，在接纳端观测验证。
在Chipscope端观测光口链路的树立状况以及数据的收发状况，如图6所示，光口通路的树立状况，图中CHANNEL_UP显现为1，阐明链路树立成功，光口正常作业。
随后对光口的发送与接纳到数据进行观测，使整个基带板运转起来后，实时观测数据的传输状况，如下图7所示，发送的是256位16进制数(tx_d_i)，因为数据位宽较大观测不便利，依据咱们的规划思路，规划中的实践位宽是256位，测验中发送的256位数据是由低16位数组合而成，为了观测便利取出低16位数据(tx_d_i[0:15])观测，为了便利比对输入输出数据，编写测验数据，这儿规划的是接连发送的由16位累加数数组合而成的256位数据，经过观测比对光口接纳数据(rx_d_i)发现，接纳到的也是规范累加数，然后验证光口树立成功，数据收发正常，也验证了基带板规划的功用完整性，证明了此次规划的合理与有用性。
规划的基带板中包括两个高功用的Virtex-6 FPGA和两个DSP，FPGA+DSP的联合能够进行数据的高速处理，整套基带板具有完善的数据处理与传输才能，这样就规划出了一整套功用完善的基带板卡。
5 定论
本文规划了一种依据FPGA的高速光纤通讯基带板，首要依据光口的高速通讯，运用Verilog硬件描绘言语规划的一种满意项目需求的基带板，该板卡具有高功用的数据处理才能和高速的传输通讯才能，经过实践上板测验，验证了板卡规划的合理性与正确性，满意了实践项目需求，该基带板的规划能够为通讯中的高速传输板卡的规划作业者们供给较高的辅导意义。
参考文献：
[1]赵梓森.光纤通讯的曩昔、现在和未来[J].光学学报,2011,31(9):99-101.
[2]Xilinx.Virtex-6 Family Overview [Z].America: Xilinx Inc,2015.
[3]Xilinx,Virtex-6 FPGA GTX Transceiver Wizard [Z].America:Xilinx Inc,2018.
[4]候春雷,唐碧华,胡鹤飞，等.依据Aurora的MAC层帧结构的规划与完结[J],我国科技论文在线.2010 (1).
[5]章洁.依据FPGA的高速光纤通讯IP核研讨规划[J].数字技能与运用，2015，5:29-30.
本文来源于《电子产品世界》2018年第7期第58页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
