光纖傳輸技術在雷達信號記錄重演系統(tǒng)中的應用

摘要 介紹基于StratixGx系列FPGA的光纖傳輸技術在雷達信號記錄重演系統(tǒng)中的應用。文中分析了光纖傳輸的優(yōu)點以及技術實現(xiàn)的可能性，著重闡述了光纖傳輸系統(tǒng)的結構組成及具體應用，并給出了主要芯片的型號。經(jīng)驗證，該光纖傳輸技術性能穩(wěn)定。
關鍵詞 記錄重演；光纖傳輸；串行收發(fā)器；數(shù)據(jù)復合和分解

    雷達信號記錄重演設備可將轉瞬即逝的雷達信號場景保存下來，進行反復再現(xiàn)。為精細反復的雷達信號分析、信號處理算法實驗和設備調試提供方便。雷達信號記錄重演設備對加速雷達研制進度、節(jié)約研制成本、降低風險和提升雷達技術發(fā)揮著突出作用。
    記錄重演設備需要記錄的數(shù)據(jù)源主要包括雷達工作時的狀態(tài)信息、時序信號和接收采樣后的I／Q信號等。傳統(tǒng)上這些信號有RS422、TTL、LVDS等眾多接口電平，給記錄重演系統(tǒng)接口電路的設計和維護帶來不便。
    而隨著光纖傳輸技術和高性能FPGA(Field Programmable Gate Arrav)技術的不斷發(fā)展，用一片F(xiàn)PGA即可以實現(xiàn)光纖通道間的數(shù)據(jù)傳輸與處理。同時，光纖傳輸具有傳輸損耗小、抗干擾能力強、傳輸速率高等優(yōu)點。鑒于此，論文將主要介紹基于Altera公司的StratixGX系列FPGA在記錄重演設備中實現(xiàn)光纖傳輸?shù)膽眉霸O計。

1 記錄重演原理簡介
    記錄重演設備主要由數(shù)據(jù)記錄儀和記錄重演電路組成，數(shù)據(jù)記錄儀是大容量存儲的集合體，主要用于信號處理數(shù)據(jù)記錄和回放。用戶如果要將信號場景完整記錄和再現(xiàn)信號場景，則需要通過自己的接口電路實現(xiàn)，這就是記錄重演電路。用記錄儀和記錄重演電路，可以方便地搭建性能優(yōu)越的半實物仿真系統(tǒng)。

    雷達信號記錄重演系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，其分時工作于記錄狀態(tài)和重演狀態(tài)，記錄時數(shù)據(jù)流從左向右，各種被記錄的數(shù)據(jù)通過并行方式進入記錄數(shù)據(jù)接口內，進行數(shù)據(jù)復合重排，被寫入海量存貯器中；重演時數(shù)據(jù)流從右向左，數(shù)據(jù)從海量存貯器讀出，進行記錄數(shù)據(jù)的分解和恢復，被恢復后的各種數(shù)據(jù)和時序信號輸出后供分析使用。

2 光纖傳輸設計及實現(xiàn)
    FPGA在現(xiàn)代電子電路設計中得到越來越廣泛的應用，其容量、功能、可靠性以及響應速度在不斷提高。ALTERA公司的StratixGx系列FPGA除具有傳統(tǒng)FPGA的功能外，還具備了能實現(xiàn)光纖傳輸?shù)母咚俅惺瞻l(fā)器(Transeiver)。StratixGX器件含有4～20個低功耗收發(fā)器，可在整個500 Mbit·s-1～3．1875 Gbit·s-1數(shù)據(jù)速率范圍內工作。設計選用的芯片型號為EP1SGX25DF67216，器件中等價邏輯單元(LE)高達41 250個，片內存儲器達到3．4 MB，可滿足對存儲器要求較多的應用。該器件具有易于調整的動態(tài)預加重、均衡和輸出電壓控制，再加上特殊的封裝、噪聲濾除、優(yōu)異的接收器靈敏度和穩(wěn)定的時鐘數(shù)據(jù)恢復設計，保證了最優(yōu)異的信號完整性，是高速背板接口、芯片之間和通信協(xié)議橋接應用的理想選擇。
2．1 高速串行收發(fā)器原理
    高速串行收發(fā)器內建物理編碼子層(PCS)模塊節(jié)省了寶貴的邏輯資源，簡化了設計支持，能夠方便實現(xiàn)協(xié)議設計。每個收發(fā)器都支持多種協(xié)議標準，包括PCI Express、串行數(shù)據(jù)接口(SDI)、XAUI、SONET、千兆以太網(wǎng)、RapidIO和FiberChannel等。
    在StratixGX器件中，一個高速收發(fā)器塊包含4個收發(fā)通道，這4個收發(fā)通道共用一個發(fā)送鎖相環(huán)，每個通道內部有獨立的接收鎖相環(huán)。高速串行收發(fā)器發(fā)送模塊和接收模塊的原理框圖分別如圖2和圖3所示。

    每個收發(fā)通道其物理接口電平為1．5 V的PCML，通過交流耦合，可以和LVDS、LVPECL、3．3 V-PCML接口相連。
2．2 FPGA硬件電路設計
    FPGA硬件設計主要包括FPGA電源電路設計、配置加載電路設計、時鐘電路設計、光模塊電路選型和高速信號走線等。
    對于高速串行收發(fā)器所在區(qū)域(Bank)的供電電源種類的區(qū)分比較細，具體包括數(shù)字電源(VCCP_B)、接收電源(VCCR_B)、發(fā)送電源(VCCT_B)、護圈電源(VCCG_B)、模擬電源(VCCA_B)。VCCP_B、VCCR_B、VCCT_B、VCCG_B、VCCA_B需要分別單獨接隔離良好的1．5 V，1．5 V，1．5 V，1．5 V和3．3 V的電源網(wǎng)絡，否則光模塊工作會不正常。
    高速串行收發(fā)器所在每個Bank參考電阻管腳RREFB也必須要進行恰當?shù)奶幚?。每個RREFB管腳都要單獨串接一個標稱值為2 kΩ，允許偏差<1％的電阻接地。
    光模塊選廂了Agilent公司的HFCT-5944AL，這款芯片支持單模光纖，工作波長為1 300 nm，可支持的數(shù)據(jù)速率高達2．7 Cbit·s-1，具有良好的EMI性能。由于該芯片差分輸出信號的電平是PECL的，而后面FPGA的高速串行收發(fā)器的差分接收信號電平是PCML的，兩種接口標準的共模電壓不同，所以要采用AC耦合電路來完成兩種電平的轉換。
2．3 高速串行收發(fā)器使用配置
    GXB模塊的使用比較方便，只要在QUARTUSII軟件的MegaWizard中調用ALGXB，設置好參數(shù)即可。需要配置的參數(shù)主要包括數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)率、輸入時鐘、通道寬度、鎖相環(huán)寬度設置、均衡器設置等。在本記錄重演系統(tǒng)中，傳輸協(xié)議選擇為Basic、數(shù)據(jù)率為2 400 Mbit·s-1，輸入時鐘為120 MHz，通道寬度為8位。
2．4 在記錄重演系統(tǒng)中的具體應用
    光纖傳輸在本記錄重演系統(tǒng)中的應用框圖如圖4所示，記錄時信號流程如下：來自外部的I／Q數(shù)據(jù)、時序信號、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)源首先在其系統(tǒng)內完成信號的編碼，然后通過其系統(tǒng)內部的StratixGX芯片將上述數(shù)據(jù)源調制成高速串行數(shù)據(jù)流并通過光模塊實現(xiàn)信號的光電轉換和傳輸。經(jīng)過光纖傳輸過來的外部信號經(jīng)記錄重演系統(tǒng)內部的光模塊和StratixGX芯片完成信號的解碼，恢復出原始的I／Q數(shù)據(jù)、時序信號、狀態(tài)信息等。上述信號進入記錄重演數(shù)據(jù)控制接口模塊完成待記錄信號的編碼和數(shù)據(jù)復合，以滿足海量存貯器記錄數(shù)據(jù)格式的約定要求。重演時信號流程是上述流程。

    圖4中所示的記錄重演數(shù)據(jù)控制接口是記錄重演系統(tǒng)的核心，主要完成記錄／重演工作模式的轉換，實現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)復合、重演數(shù)據(jù)的分解、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)塊標志檢索。

   其原理框圖如圖5所示。

3 結束語
    隨著雷達機載、球載等新的運載平臺的誕生和雷達技術的發(fā)展，雷達信號記錄重演設備在雷達中發(fā)揮著越來越重要的作用。雷達信號記錄重演設備能將轉瞬即逝的雷達數(shù)字回波信號和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息實時記錄，事后能真實重演，實現(xiàn)了豐富的分析和重現(xiàn)功能。文中提出的基于StratixGX系列FPGA的光纖傳輸技術已在記錄重演系統(tǒng)中得到成功的實現(xiàn)和應用，這一技術的應用使記錄重演設備對外接口簡單；數(shù)據(jù)傳輸速率高而且穩(wěn)定；系統(tǒng)維護方便。本文提出的基于FPGA的光纖傳輸技術對于其他應用場合下高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計也具有很好的借鑒作用。