基于FPGA的高速光纤通信数据传输技术的实现

基于FPGA的高速光纤通信数据传输技术的实现

曾昭卓

广州市汇源通信建设监理有限公司510620

摘要：基于FPGA，对高速光纤通信数据传输技术进行研究，了解其层次结构、工作原理及其应用效果。为了更好的满足高速数据传输的需求，进行科学、合理的设计，提高测控通信系统数据传输高速性和准确性。本文通过对高速光纤通信数据传输技术的研究，探讨基于FPGA高速光纤通信系统的设计方法，对于高速光纤通信数据传输的实现具有重要意义和价值。

关键词：FPGA；高速光纤通信；数据传输技术

前言：现代测控通信系统中集合了计算机技术、通信技术和微电子技术等，能够更加高效、高速的处理复杂的数据，保证数据交换、传输的实时与准确，在雷达探测、导弹制导、卫星遥感等多个领域当中发挥着重要的作用。高速光纤通信数据传输技术是现代测控通信系统重要支撑，其应用是高速数据传输的基础条件，充分满足大数据量和数据传输带宽增大条件下的数据传输要求。基于FPGA实现高速光纤通信数据传输技术的应用，进一步提升了传输数据量和可靠性。

1.高速光纤通信数据传输技术

1.1光纤通信技术

在现代测控通信系统中，光纤通信技术是不可或缺的通信技术手段，在高速数据传输当中发挥着十分重要的作用。随着光电器件性能的进一步提升和完善，在很大程度上促进了光纤通信技术的发展，其传输速度更快，且传输容量更大。在光电通信系统当中，经由发射端发送信号，发送前需经过光发射机进行电光转换，经光纤传输至接收端，其过程中需要中继器来补偿光损耗，进而增加驱动能力。由光接收机再行光电转换，进而传输信号再次转换为原始信号，将恢复的信号进行输出[1]。光纤通信系统的工作流程如图1所示：

图1：光纤通信系统的工作流程

光纤通信协议主要包括光纤分布式数据接口（FDDI）、吉比特光纤以太网（GBE）光纤通道（FC），其层次结构如图2（a）、2（b）和2（c）所示：

图2（a）：FDDI层次结构

图2（b）：GBE层次结构

图2（c）：FC层次结构

光纤通信技术的应用，其信道带宽更宽，进而增大了传输容量，同时也增加了中继距离，其具有抗干扰性强、保密性好的优点。在国防、航天航空等多个领域都得到了有效的应用。

1.2高速串行数据传输技术

高速串行数据传输技术是在传统数据并行传输技术之上的升级与改进，开始逐渐朝着高速传输的方向发展。为了充分满足高速串行数据传输技术应用的硬件要求，基于FPGA，集成GTX模块和可编程逻辑资源，配置收发器。利用CML串行驱动器和可编程发送端，配置的终端以及电压摆幅，同时还起到优化信号的作用。合理控制线路速率，保证数据路径的延迟的却行性。应用beacon信号和out-of-band信号，分别支持PCIExpress设计和SATA设计当中，通过接收器眼图扫描进行测试[2]。

1.3PCIe总线技术

PCIe总线技术的应用，增加了总线传输带宽，同时在一定程度上提高了数据传输的速率和可靠性。根联合体、交换开关端点PCIe-PCI桥等组成了PCIe总线拓扑结构如图3所示：

图3：PCIe总线拓扑结构

在根联合体的总线串联作用下，将主存储器、中央处理器、终端等外部涉笔与PCIe总线连接，并通过PCI总线连接外部设备，由交换开关引出PCIe总线上，实现系统设备的互联，由端点设备请求或完成PCIe事务。其数据传输功能是通过PCIe总线协议分层来实现的，由事务层、数据链路层和物理层进行数据的发送和接受，与数据流方向一致[3]。2.基于FPGA高速光纤通信系统的设计

2.1总体设计

基于FPGA高速光纤通信系统的总体设计，由光纤通信功能和PCIe总线功能模块构成系统硬件，高速存储设备功能模块作为系统软件。在系统硬件当中，光纤收发一体模块、GTX收发器、PCIe接口控制器以及PCIe总线共同完成高速串行数据流的传输，促进驱动程序和应用程序的运行。基于FPGA高速光纤通信系统总体设计结构如图4所示：

图4：基于FPGA高速光纤通信系统总体设计结构

FPGA开发的一般流程主要包括设计输入、综合、实现以及验证等各项内容。使用原理图编辑器或文本编辑器进行设计输入，在图形界面当中连接设计符号，描述门和网表结构以及整个系统结构。然后综合处理，降低抽象描述层次，形成具体的逻辑单元和网表，然后进行标准化处理。测试其逻辑功能，实现功能仿真。然后在具体的FPGA上，配置逻辑网表文件。最后进行器件编程，经在线调试后生成bit文件[4]。

2.2光纤通信设计

系统与外部设备需要通过光纤通信进行数据传输，基于FPGA技术，构建光纤收发一体模块，进而控制光纤收发器来控制电信号的发送与接收。集成数据

链路层和物理层的通信协议，进而简化光纤模块通信流程。控制用户切口即可杜宇数据传输与通信起到控制作用。控制光纤通信时钟，选择晶体振荡器（25MHz）作为参考时钟，其稳定性良好，调节时钟频率，在同步光纤网络、光纤通道、千兆以太网、串行ATA当中得到有效的应用，充分满足光纤通信的需求。

2.3PCIe总线系统设计

PCIe总线系统主要是由PCIeIP、中断控制、配置信息以及DMA控制器等各个模块共同组成，形成完善的PCIe总线系统。在PCIe总线接口控制逻辑设计当中，在数据传输控制、PCIeEndpointBlockIP、配置、状态信息控制、中断控制以及DMA读写控制各模块当中实现逻辑设计，基于FPGA，结合GTX模块与光纤收发器，采用PCIeIP核的方式，具体实现光纤通信和PCIe总线。基于RAID技术，设计并构建高速数据存储设备。经由系统测试平台进行测试与验证，进而了解高速光纤通信性能、数据储存设备性能以及PCIe总线技术性能，评价光纤通信系统的整体性能，确认其在现代测控通信系统应用的可行性，满足高速数据传输的需求[5]。

结论：基于FPGA的高速光纤通信数据传输技术的实现，通过总体设计、光纤通信设计PCIe总线系统设计，进一步提高了数据传输的高速、稳定和准确，优化测控通信系统的运行程序，全面提高数据传输的效率和质量，其具有传输容量大抗干扰性强以及保密性好的优点，在多个行业领域都得到了有效的应用，这对于现代测控通信系统的发展具有积极的影响。

参考文献：

[1]王怀侠，王永，王首浩.基于DSP+FPGA数据传输系统的实现[J].电子测量技术，2013，36（11）:98-101.

[2]谢君尧，郑呈斌，蒋瑜.基于FPGA的高速光纤传输系统物理层研究[J].信息技术，2016，（01）:124-128.

[3]孙风雷，刘树昌，刘鹏，等.基于FPGA高清视频图像的光纤传输系统研究[J].吉林大学学报(信息科学版)，2014，32（02）:125-130.

[4]陈平，杨建，王炬城.基于FPGA的高速光纤数据传输板卡设计[J].信息通信，2015，（01）:79-80.

[5]郭琦，贾旭东，伍文聪，等.基于FPGA技术的外部主站与RTDS高速通信系统[J].南方电网技术，2015，9（06）:61-67.