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