基于FPGA的高速通信系統(tǒng)研究

0 引言
    遠程通信系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)對信號傳輸有兩方面的要求：一方面要求接口靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬；另一方面要求系統(tǒng)的傳輸距離遠。傳統(tǒng)接口如UART，USB，以太網(wǎng)等在傳輸帶寬和傳輸距離上均無法滿足要求。
    低壓差分信號(LVDS)是一種低擺幅的差分信號技術。LVDS的恒流源模式及低擺幅輸出使傳輸速度可以從數(shù)百Mb／s到2 Gb／s以上。差分傳輸方式使LVDS信號對共模輸入噪聲有更強的抵抗能力。LVDS技術功耗低，100Ω的負載電阻功耗僅有1．2 mW。這些特點使得LVDS技術廣泛應用在許多要求高速度與低功耗的領域。
    隨著半導體工藝進步，現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)的性能和集成度在不斷提高，同時成本在下降。FPGA片內(nèi)資源豐富且靈活性強。通過配置邏輯資源和I／O，可以生成支持各種標準的接口，適合完成接口間的通信工作。FPGA的可重構性使相同的硬件環(huán)境可以實現(xiàn)不同的功能，節(jié)約了系統(tǒng)升級和更改的成本。

1 系統(tǒng)構成及原理
    高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由發(fā)送板、接收板和傳輸線三部分組成。

    發(fā)送板主要由接口電路、FPGA和電纜驅(qū)動電路組成，完成的功能是將輸入的各種信號轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)幀通過傳輸鏈路進行傳輸。接收板主要由接收均衡電路、時鐘恢復電路、FPGA和接口電路組成，實現(xiàn)將串行數(shù)據(jù)幀接收并恢復成原始信號的功能。傳輸線選用同軸電纜。與雙絞線相比同軸電纜的抗干擾能力強、傳輸距離遠，與光纜相比同軸電纜的成本低。同軸電纜適合本系統(tǒng)這種傳輸速率低于200 Mb／s，傳輸距離小于300 m的應用場合。
    系統(tǒng)的輸入信號包括串口信號、網(wǎng)絡信號和并行視頻信號等。分別選用MAX232，RTL8201，SN74LVC4245等芯片組成接口電路，將輸入信號轉(zhuǎn)換為FPGA支持的LVTTL／LVCMOS電平信號，起到保護器件和增加信號驅(qū)動能力的作用。
    接收板FPGA首先完成系統(tǒng)輸入信號的接收工作，再將異步時鐘域的信號轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘下，接下來將信號并串轉(zhuǎn)換并添加起始位、停止位和校驗位組成特定的幀格式，然后對其進行8 B／10 B編碼，最后通過差分I／O以LVDS電平輸出。接收板FPGA接收到串行信號后將信號解碼、解幀，抽取出原始數(shù)據(jù)進行恢復，最后通過相應的I／O將恢復后的信號輸出給各接口。
    從FPGA直接輸出的LVDS信號在100 Mb／s傳輸速率下傳輸距離不足10 m，需要使用電纜驅(qū)動電路增加LVDS信號的驅(qū)動能力，同時使用接收均衡電路補償通過電纜傳輸后衰減的信號，達到加強系統(tǒng)長距離傳送能力的目的。
    如果使用1根同軸電纜傳輸時鐘，其余傳輸數(shù)據(jù)，會因為無法保證這些電纜嚴格等長導致接收數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間無法滿足后級電路的要求。另一方面，經(jīng)過傳輸后時鐘信號的Jitter會增加，使FPGA內(nèi)部的PLL無法鎖定時鐘。本系統(tǒng)電纜上傳輸?shù)亩际菙?shù)據(jù)信號，接收端同步時鐘通過時鐘恢復電路從串行數(shù)據(jù)中還原。

2 系統(tǒng)的硬件設計
2．1 FPGA部分電路設計
    系統(tǒng)選用Xilinx公司Spartan3系列的FPGA：S3C500E。它有10 476個邏輯單元，232個I／O，4個時鐘管理模塊(DCM)，存儲器包括360 Kb的塊RAM和73 Kb的離散RAM。所有I／O可以組成92組LVDS差分對，最高輸入輸出速率高到622 Mb／s，所以系統(tǒng)不需要額外的電路實現(xiàn)LVDS接口。DCM模塊可以將輸入時鐘靈活的倍頻或降頻，最高工作頻率達到311 MHz。以上參數(shù)和性能不僅滿足當前的設計需求，而且為系統(tǒng)的升級保留了充足的設計余量。FPGA外圍電路包括時鐘部分和配置部分。時鐘使用電路板上的晶振提供，通過GCLK腳與FPGA相連。GCLK是專用時鐘引腳，這個腳的驅(qū)動能力強，到所有邏輯單元的延時基本相同。配置電路采用主動SPI模式。相比其他模式，主動SPI模式的外圍電路簡單、體積小、成本低。而且SPI FLASH的容量大，除了存儲配置文件，還可以存儲其他用戶數(shù)據(jù)。S3C500E的配置文件大小為2 Mb，本系統(tǒng)采用存儲量為16 Mb的M25P16作為配置存儲器。
2．2 傳輸部分電路設計
    傳輸部分設計包括選擇同軸電纜和設計相應的發(fā)送接收電路。本系統(tǒng)選用的同軸電纜型號為SVY-50-3，成本低、性能好。這款電纜的特征阻抗為50 Ω，速率150 MHz時信號傳輸100 m的最大衰減為18．01 dB。它具有良好的屏蔽特性，可以在復雜的電磁環(huán)境中正常工作。電纜驅(qū)動電路和接收均衡電路分別選用National Semiconductor公司的芯片CLC005和CLC012。CLC005支持LVDS電平輸入，最高傳輸速率達到622 Mb／s，輸出信號峰一峰值從O．7～2 V。CLC012可以自動均衡頻率在50～650 MHz的信號。時鐘恢復器件選用CLC016，它的輸入信號來自CLC-012，輸出時鐘和數(shù)據(jù)接FPGA，恢復的時鐘在數(shù)據(jù)上升沿有效。CLC005和CLC012用于特征阻抗為75 Ω的傳輸系統(tǒng)，針對本系50 Ω特征阻抗的同軸電纜，需要改動外圍電阻配置，否則會因為阻抗不匹配引起信號反射，最終導致信號傳輸質(zhì)量下降。相應的配置方式如圖2所示。

    通過測試，此組傳輸器件可以驅(qū)動LVDS信號通過SVY-50-3型號電纜傳輸至少200 m。信號經(jīng)過傳輸后，在電纜末端衰減嚴重，噪聲和抖動也較嚴重。此時信號眼圖如圖3所示，可以看出信號質(zhì)量差。直接接收此信號，會產(chǎn)生信號電平誤判，而且信號的抖動將導致后級電路無法正常工作。接收均衡器CLC012自動為信號損耗提供補償后，信號上的噪聲和抖動均得到了改善，信號的眼圖如圖4所示。

    LVDS驅(qū)動器由恒流源構成，因此需要做終端匹配。通常情況下在輸入端并聯(lián)100 Ω電阻從而滿足互聯(lián)系統(tǒng)要求的差分阻抗。在強噪聲環(huán)境下，交流耦合連接時可以采用戴維南終端匹配方式提供1．2 V的偏置電壓，同時滿足100 Ω差分阻抗的設計要求。具體方法是將LVDS的+／-端通過130 Ω電阻上拉至VCC，同時下拉82 Ω電阻到地，如圖5所示，電阻精度要求在1％。

2．3 電路PCB設計
    在PCB設計過程中，要注意電路板的布局。模擬電路和數(shù)字電路需要分開，使用單點接地的方式相連。將邊沿速率變化快的VTTL／LVCMOS信號與LVDS信號布在不同信號層上，并用電源和底層隔開，減小耦合到LVDS線路上的串擾。LVDS走線要遵循以下規(guī)則：
    (1)差分對兩根信號從芯片扇出后就盡量靠近(緊耦合)，這樣有助于消除反射，確保耦合的噪聲是共模形式。
    (2)對內(nèi)信號的布線長度要保持一致，以減小信號延時，長度匹配控制在10 mil以內(nèi)。
    (3)對內(nèi)信號保持固定的線間距，避免因為線間距變化導致差分阻抗不連續(xù)。
    (4)差分對間盡量遠離，減少線間串擾，必要時在差分對間放置隔離用的接地過孔。
    (5)盡量減少差分信號線上過孔的個數(shù)，避免走90°拐角，使用圓弧或者45°折線代替。
    (6)LVDS信號不能跨平面分割，否則會因為缺少參考平面而導致阻抗不連續(xù)，要給LVDS信號設置完整的參考平面。
    (7)匹配電阻盡可能靠近接收端。
 
3 系統(tǒng)的邏輯設計
3．1 時鐘部分設計
    時鐘信號由電路板上40 MHz晶振提供。通過數(shù)字時鐘管理單元DCM鐘倍頻得到120 MHz的系統(tǒng)的工作時鐘。使用DCM模塊時，注意DCM的輸入和輸出需要通過BUFG單元與全局時鐘資源相連。全局時鐘資源使用全銅層工藝實現(xiàn)，并設計了專用時鐘緩沖與驅(qū)動結構，使全局時鐘到達芯片內(nèi)部所有邏輯單元的時延和抖動都為最小。DCM在時鐘鎖定后使能LOCK信號，表示時鐘倍頻工作完成，使用這個信號作為FPGA內(nèi)部其他邏輯的復位。
3．2 異步時鐘域變換
    系統(tǒng)輸入信號工作在不同的異步時鐘域，需要在FPGA內(nèi)部將信號變換到同一個時鐘域。
    串口信號速度低，可以使用系統(tǒng)時鐘高速采集的方式。根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，抽樣頻率大于2倍信號最高頻率，就可以從抽樣信號中無失真地恢復原信號。本系統(tǒng)使用高于5倍串口波特率的時鐘去采集串口數(shù)據(jù)。經(jīng)過誤碼儀的大量測試，串口數(shù)據(jù)能夠被正確接收和恢復。
    視頻信號是并行信號，采用高速采集的方法會增加數(shù)據(jù)量，不適合本系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用雙口FIFO完成異步時鐘域轉(zhuǎn)換。S3C500E片內(nèi)的Block RAM資源可以靈活的生成雙口FIFO，與普通邏輯單元生成的雙口FIFO相比，它的穩(wěn)定性高，最高讀寫速度快，產(chǎn)生亞穩(wěn)定狀態(tài)的概率小。雙口FIFO的輸入端連接系統(tǒng)輸入信號的時鐘和數(shù)據(jù)；在輸出端連接系統(tǒng)時鐘數(shù)據(jù)。雙口FIFO的讀取時鐘速度必須高于寫入速度，以避免FIFO存滿后溢出導致有效數(shù)據(jù)丟失。另一方面，慢時鐘域向快時鐘域轉(zhuǎn)換的時候，F(xiàn)IFO會出現(xiàn)讀取空的狀態(tài)，此時將取出無效數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)是FIFO中最后一個數(shù)據(jù)的重復)。無效數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)浇邮斩?，會導致恢復后輸出信號出現(xiàn)誤碼。所以系統(tǒng)將FIFO的空標志empty信號添加到數(shù)據(jù)幀，用于識別無效數(shù)據(jù)。
3．3 數(shù)據(jù)組幀及編碼
    同步傳輸需要將原始數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀再進行發(fā)送，即在數(shù)據(jù)間添加起始位、停止位和校驗位。數(shù)據(jù)幀的起始位過長會影響傳輸效率，過短會增加接收端識別的難度。本系統(tǒng)選用80 b為一幀，起始位為8 b，停止位為2 b，奇校驗位為1 b。接收端邏輯通過對多個數(shù)據(jù)幀分析后，定位數(shù)據(jù)幀的起始位。由于每幀數(shù)據(jù)長度固定，所以找到某一幀的起始位后可以周期性的計算出接下來各幀的起始位置，不再需要反復做識別工作。
    數(shù)據(jù)組幀后信號的平均位速率可能低于CLC012的最低工作頻率，不能直接用于傳輸，還需要對其進行8B／10B編碼。8B／10B技術是將8個數(shù)據(jù)位經(jīng)過某種映射的機制轉(zhuǎn)化為10個數(shù)據(jù)位的字碼，可使發(fā)送的“O”、“1”數(shù)量保持一致，連續(xù)的“1”或“0”基本不超過5位。8 B／10 B編碼技術保證了傳輸?shù)腄C平衡，增加了信息傳輸?shù)目煽啃?。系統(tǒng)使用Xilinx公司提供的8 B／10 B編碼和解碼IP核，減少了系統(tǒng)的開發(fā)周期，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。8 B／10 B編碼及解碼IP的模塊原理圖如圖6和圖7所示。

4 結語
    介紹了一種基于FPGA的高速通信系統(tǒng)，通過電纜驅(qū)動器和接收均衡器，拓展了LVDS信號的傳輸距離。經(jīng)過測試，使用同軸電纜的傳輸距離達到200 m，單個通道傳輸速率達到120 Mb／s。FPGA的可重構性使系統(tǒng)靈活多變，可以適應不同的應用需求。