基于FPGA的實(shí)時(shí)數字化光纖傳輸系統

摘要 提出一種實(shí)時(shí)數字化光纖傳輸系統，該系統分為發(fā)送端和接收端。發(fā)送端用A／D轉換器將輸入的模擬信號數字化，再用FPGA對數據進(jìn)行處理，并通過(guò)光纖傳輸。同時(shí)，FPGA還控制A／D轉換器的工作。接收端用串行收發(fā)器TLK1501對接收數據進(jìn)行解碼處理，還原有效信號。實(shí)驗表明，該系統實(shí)時(shí)性好、信號傳輸誤碼率低、工作性能穩定、抗干擾性強，系統具有可行性和有效性。
關(guān)鍵詞 光纖傳輸；FPGA；A／D轉換器；TLK1501；實(shí)時(shí)性

在電子設計領(lǐng)域中，通常要對多路寬帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。傳統的信號采集傳輸系統，采用專(zhuān)用集成電路控制A／D轉換器等外圍電路。由于專(zhuān)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(mǎn)足對高速寬帶信號采集和處理的要求。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轉換器等外圍電路結合，更適于高速數字信號處理。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、抗輻射能力強、保密性好、重量輕等特點(diǎn)，在通信領(lǐng)域被廣泛應用。
文中提出基于FPGA和光纖傳輸的高速數字信號傳輸方案。以帶有收發(fā)器的高性能FPGA為控制核心，控制外圍A／D轉換器和數據處理，通過(guò)光纖媒介進(jìn)行數據傳輸，滿(mǎn)足高速數字信號實(shí)時(shí)處理和傳輸的
要求。

1 系統總體設計方案
光纖傳輸系統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。光纖傳輸系統總體框圖如圖1所示，發(fā)送端主要由A／D采集、FPGA數據預處理、光纖發(fā)送模塊組成；接收端主要由光纖接收模塊、FPGA數據后處理、D／A轉換模塊組成。兩者通過(guò)光纖進(jìn)行通訊。

在發(fā)送端，先將外部輸入的模擬信號進(jìn)行預處理，再通過(guò)A／D轉換器轉化為數字信號送入FPGA進(jìn)行處理。根據數據傳輸以及通信協(xié)議的要求，FPGA將預處理后的A／D數據進(jìn)行編碼、成幀。然后由FPGA內部的IP核進(jìn)行并串轉換，最后由光收發(fā)模塊完成電光轉換后，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轉化為電信號，完成高速串行數據到并行數據的轉換；然后，將轉換后的并行數據送入FPG A，FPGA完成信號的解幀、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轉換器將接收到的數據恢復成模擬信號。

2 硬件電路設計
2．1 發(fā)送端硬件電路設計
可編程邏輯器件FPGA是主控芯片，是系統的核心，設計選用Altera公司帶有收發(fā)器的Arria GX系列芯片EP1AGX50CF48416。芯片內部集成了4個(gè)收發(fā)器通道，傳輸數據率從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置來(lái)均衡串行通道，實(shí)現發(fā)送預加重和接收均衡；收發(fā)器支持串行環(huán)回、反向串行環(huán)回以及偽隨機二進(jìn)制序列(PRBS)產(chǎn)生器和校驗器。專(zhuān)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。

光收發(fā)模塊選用MXP-243S-X型光收發(fā)器，其可處理的數據率為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立。發(fā)射部分差分輸入阻抗100 Ω，傳輸光信號波長(cháng)1310nm。光發(fā)射器電路圖如圖3所示。發(fā)射的差分數據接到FPGA的專(zhuān)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。