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高速光纤串行总线光纤通信论文

1高速光纤串行总线设计

光纤通信简而言之是将原始的电信号转成光信号进行传输,但是实现起来有很多因素要考虑。光纤通信自它的产生之日起,就是为了实现大批量数据的高速传输,主要应用于民用通信领域,在各应用领域都有约定俗成的标准,所以要将它引入过来用以实现通信对抗系统的实时串行总线设计,必须进行精心的设计。

1.1物理链路的设计

首先是并串、串并转换集成电路的选取。在通信领域已经有许多高速并串转换的芯片,但大部分都是面向民用通信领域的通用协议设计的,针对性强,协议架构复杂,不适合串行自定义总线协议的实现。经过一番比对,笔者选取了TI公司的TLK1501芯片。该芯片在应用层是开放式的,应用相对简单,利于自定义总线协议的实现,便于开发调试。它的串行吞吐速率为0.6~1.5Gbps[2],已能满足应用。考虑到PCB布板及实时数据传输的需要,选择800Mbps作为数据传输速率。其次是光模块的选取。光模块现在已经发展到具有支持波分复用的能力,考虑到引导总线实时只传输一种指令,所以选择单一波长的光模块即可。目前主要有三种波长的光模块可以选择:850nm,1310nm,1550nm。850nm多模光模块主要应用于短距离传输,一般500米以内;1310nm,1550nm光模块一般应用在单模光纤。考虑到性价比因素笔者选用了某公司的1310nm波长光模块EO2F-13-311423。该光模块输出功率-7dBm左右,灵敏度-21dBm左右,即使光纤转接有些损耗,整个光纤通路也有比较充裕的动态范围来保证通信的可靠。TLK1501与EO2F-13-311423间的接口电路见图1。

1.2TLK1501设计

TLK1501负责整个物理链路中数据的并串、串并转换,是数据高速传输的关键节点,设计时应注意以下3点。1)时钟的选取TLK1501有8bit/10bit转换机制,这样在FPGA与TLK1501的并行数据端口的16bit数据进入芯片后会转成20bit数据进行传输;反过来推算,16位并行端口的速率应为40MHz。选择40MHz时钟时应注意,发送方和接收方TLK1501对时钟的要求比较高,频差须在0.01%以内,时钟的抖动不能超过40ps。设计时将FPGA送给TLK1501的时钟与并行数据的输送时钟尽可能做到同相位,布线长度也尽量相近。2)收发的同步设计TLK1501只有进入同步状态后才能正常传输数据,它有两种方式发送同步码,一种是TX-EN、TX-ER为00时发送端强制发送同步码;另一种是当LCKREFN为高时,TLK1501内部状态机自动控制发送同步码。本设计采用的是第一种同步设计。FPGA首先控制TX-EN、TX-ER为00,产生IDLE码字,一段时间之后传输正常的数据,接收模块根据接收到的帧同步信号判断链路是否同步。如果链路同步,可以发送正常数据。如果链路失同步,则再产生IDLE码字,等待重新进入同步状态。3)PRBS测试为了使整个光通信链路的调试进展顺利,可以先在每个用户端口对TLK1501的收发进行PRBS回环测试,如回环测试有问题,可能是因为时钟抖动太大,或电源不稳定,需改进设计。在每个用户的TLK1501分别通过测试后,可以进行两个用户间的PRBS测试,验证用户间的两个时钟是否匹配,如两个用户间PRBS测试通过,就可以进行高速光纤串行通信总线的测试了。

1.3传输协议的设计

信息交换帧由帧头、帧长度、命令码、引导信息、校验字、帧尾等字段组成,帧格式定义见表1。帧的基本组成为字,每个字为16bit,即2个字节,正好匹配TLK1501芯片并行数据端口的数据位数,位定义符合TLK1501芯片的数据总线定义。帧头与帧尾各有3个16比特的字,通信时方便用户将完整的一帧内容接收下进行解析。对于一些不能丢帧的指令的通信,如图2所示,可由ACK校验和握手机制[3]来确保重发,图中T1:1~10μs。若ACK校验和错误,则自动重发;累计重发次数超过5次或是T1超时1s,本次传输结束,由上位机决定是否重发。

2高速光纤串行总线测试

两个设备间用光纤互联后可以进行高速光纤串行总线的调试与测试,测试框图见图3。测试时在两个设备间定时发送按协议格式简化的一个帧,包括帧头、帧尾,帧头帧尾中间填充有规律的便于观察统计的测试数据,例:“AA55,55AA,5A5A,0000,0001,0002,0003,0004,5A5A,5AA5,A55A”。图4是利用QUARTUS软件自带的SignalTap抓取的传输数据,从图中的接收数据(ser_data_in)可以看到一个完整的带帧头、帧尾,测试数据正确的帧。测试前,可预先在通信板卡的控制芯片例如DSP的程序中增加一段测试代码,专门用于统计通信的误码率。试验的测试结果比较理想,几万次的通信传输中未发现误码,可见误码率是很低的,可以满足工程应用。

3结束语

高速光纤串行总线在某通信对抗系统中进行了应用,替换以往的实时串行总线后,通信质量稳定,可靠性高,在光纤接口连接紧密的情况下,可以保证误码率极低,而且通信速率大大提高,利于以后整个通信对抗系统能力的提升。因此,今后在研制同类系统时,特别是侦察站与干扰站需要有远距离布置要求的情况下,可以更多地采用高速光纤串行总线,以保证整个系统能力的充分发挥。

作者:张智渊 单位:中国电子科技集团公司第三十六研究所


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