基于FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)字化光纖傳輸系統(tǒng)

　　在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，通常要對(duì)多路寬帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。傳統(tǒng)的信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)，采用專用集成電路控制A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路。由于專用集成電路時(shí)鐘頻率低、靈活性差、實(shí)時(shí)性低、傳輸速度慢、通用性差等缺點(diǎn)，難以滿足對(duì)高速寬帶信號(hào)采集和處理的要求。FPGA具有時(shí)鐘頻率高、速度快、采集實(shí)時(shí)性高、控制靈活等特點(diǎn)，與A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路結(jié)合，更適于高速數(shù)字信號(hào)處理。光纖傳輸與電氣傳輸相比，具有傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗低、抗電磁干擾性能強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、保密性好、重量輕等特點(diǎn)，在通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

　　文中提出基于FPGA和光纖傳輸?shù)母咚贁?shù)字信號(hào)傳輸方案。以帶有收發(fā)器的高性能FPGA為控制核心，控制外圍A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理，通過(guò)光纖媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，滿足高速數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理和傳輸?shù)囊�求�?/p>

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　光纖傳輸系統(tǒng)是以光波為信息載體、光纖為傳輸媒介，用光來(lái)傳輸信息的傳輸系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，發(fā)送端主要由A/D采集、FPGA數(shù)據(jù)預(yù)處理、光纖發(fā)送模塊組成；接收端主要由光纖接收模塊、FPGA數(shù)據(jù)后處理、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。兩者通過(guò)光纖進(jìn)行通訊。

圖1 光纖傳輸系統(tǒng)總體框圖

　　在發(fā)送端，先將外部輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行處理。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸以及通信協(xié)議的要求，F(xiàn)PGA將預(yù)處理后的A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、成幀。然后由FPGA內(nèi)部的IP核進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，最后由光收發(fā)模塊完成電光轉(zhuǎn)換后，通過(guò)光纖發(fā)送出去。

　　在接收端，光收發(fā)器模塊將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，完成高速串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；然后，將轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)送入FPG A，F(xiàn)PGA完成信號(hào)的解幀、解碼，并進(jìn)行后處理，該過(guò)程是發(fā)送端的逆過(guò)程。最后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成模擬信號(hào)。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 發(fā)送端硬件電路設(shè)計(jì)

　　可編程邏輯器件FPGA是主控芯片，是系統(tǒng)的核心，設(shè)計(jì)選用Altera公司帶有收發(fā)器的Arria GX系列芯片EP1AGX50CF48416.芯片內(nèi)部集成了4個(gè)收發(fā)器通道，傳輸數(shù)據(jù)率從600 Mbit·s-1到3.152Gbit·s-1，收發(fā)器每通道在2.5 Gbit·s-1時(shí)消耗功率僅為125 mW;收發(fā)器可利用固定均衡設(shè)置來(lái)均衡串行通道，實(shí)現(xiàn)發(fā)送預(yù)加重和接收均衡；收發(fā)器支持串行環(huán)回、反向串行環(huán)回以及偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）產(chǎn)生器和校驗(yàn)器。專用收發(fā)器接口電路如圖2所示。RREFB14接一個(gè)2kΩ/1%的參考電阻，其他未使用的收發(fā)管腳通過(guò)10kΩ電阻到電源或地。

圖2 收發(fā)器接口電路

　　光收發(fā)模塊選用MXP-243S-X型光收發(fā)器，其可處理的數(shù)據(jù)率為1.25 Gbit·s-1，單電源3.3 V供電，差分LVPECL電平輸入和輸出，發(fā)射和接收部分相互獨(dú)立。發(fā)射部分差分輸入阻抗100 Ω，傳輸光信號(hào)波長(zhǎng)1310nm.光發(fā)射器電路圖如圖3所示。發(fā)射的差分?jǐn)?shù)據(jù)接到FPGA的專用收發(fā)器的發(fā)射管腳G4和G5上，控制引腳直接接到普通L/O管腳，并通過(guò)上拉電阻接到電源。

　　2.2 接收端電路設(shè)計(jì)

　　接收端FPGA也選用Altera公司的Arria GX系列芯片EP1AGX20CF48416.光收發(fā)模塊仍選用MXP-243S-X型光收發(fā)器。電路連接只需將圖3中的RD+、RD-端口直接接到光收發(fā)器TLK1501.

圖3 光發(fā)射器電路圖