基于FPGA的光纤通信数据传输技术分析
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摘 要 光纤通信数据传输技术广泛应用于各个领域，其技术要求也在不断提高。本文设计了一种基于FPGA的光纤通信数据传输系统，硬件部分由光纤收发一体模块、GTX收发器、PCIe总线、PCIe接口控制器及高速存储设备组成；软件部分则由驱动程序与应用程序两部分组成，经检测后，具有较高的实践应用价值与综合价值。
关键词 FPGA；光纤通信；数据传输技术
光纤通信技术利用光波承载通信数据，通过光纤传输数据，是一种频带宽且传输容量很大的通信技术，在各个领域有广泛的应用。传统光纤通信技术主要是以反射内存技术作为基础，因此，数据传输过程中会出现一定问题，基本FPGA（现场可编程逻辑门阵列）技术构建光纤通信数据传输系统有效解决了这一问题，采用基于FPGA的GTX模块能够有效实现高速串行数据传输技术。
1 系统总体方案
第一，解决光纤通信平台问题。采用Xilinx公司设计的集成了FGPA的GTX模块解决光纤通信平台问题，该模块具备了串并转换、通道绑定、线路编码、预加重、时钟恢复等技术，能够在保障信号完整性的基础上满足数据高速传输需求。采用光纤收发一体模块集成电光转换与光电转换两个电路，能够降低基于FPGA光纤通信数据传输技术的实现难度。第二，解决传输协议问题。GTX IP核能够有效支持标准传输协议对应的线速率、PLL频率、内部数据宽度、参考时钟频率等参数，能够真正集成数据传输协议，并构建PCIe总线，降低通信技术实现难度。第三，总体设计方案。基于FPGA的光纤通信数据传输系统硬件部分由光纤收发一体模块、GTX收发器、PCIe总线、PCIe接口控制器及高速存储设备组成；软件部分则由驱动程序与应用程序两部分组成，其开发流程为：设计输入、设计综合、布线、器件编程[1]。
2 系统各模块设计
2.1 光纤收发一体模块
该模块选择Finisar公司所设计的FTLF8524P2BNV-BR光纤收发一体模块，采用SFP进行封装，传输速率达4.25Gb/s，只需要选择少量FPGA控制信号就能够同时完成光电转换与电光转换。通信协议采用GTX所使用的Fibre Channel协议，结合IP核，降低了系统实现难度。光纤通信时钟控制采用ICS843001-21 FEMTOCLOCKS型号数字频率控制芯片，结合REFCLK+参考时钟进行控制，芯片相位抖动频率低于1ps，能够较好满足光纤通道、千兆级以太网、同步光纤网络以及高清电视等多个领域的数据传输需求。同时，采用M2-M0、N2-N0管脚对倍频进行分频处理，最大化发挥时钟控制模式的优势，FPGA能够直接控制6个管脚电平，操作更为简便，可控性更强。
2.2 PCIe总线模块
PCIe接口控制器采用PCIe2.0型号，顶层设计时划分为PCIe IP模块、AXI4总线、中断控制模块以及DMA控制器等部分，构建一个基于PCIe2.0标准的×4数据传输通道，数据传输上限为16Gbps，能够有效兼顾宽带开销与解码开销，接口信号表，采用函数进行输出控制，能够输出读配置空间数据，输入后，能够实现双字节地址配置，根据功能需求完成接口信号表配置后，就能够随时对PCIe IP核配置空间状态进行检查。DMA控制器采用总线DMA模式进行PCIe总线通信，能够避免传输过程中的内存占用所导致的系统运行困难等问题。该控制器的功能在于配置DMA数据传输长度及发送引擎进而组织并传输数据包，能够保障数据传输的准确性[2]。
接收测试：FPGA内部完成数据生成模块编写后，经由不同频率传输数据，DMA写中断操作将数据发送至系统软件中，系统软件接收后即可实现传输数据速率测试，并存储数据，根据数据比对结果，判断数据误码情况。
发送测试：如在测试计算机硬盘中的数据文件读取操作时，先由PCIe总线将数据文件发送至FPGA，DMA中断模式读取操作数据后，在FPGA内部完成数据检测模块编写，再对数据进行检测，判断是否有误码。
接收与发送一体化测试：FPGA经PCIe总线读取计算机磁盘文件后，将接收到的数据在本地磁盘上进行回写操作，采用一来一回的数据传输模式，对比数据，检测读写速率与数据误码问题。
2.3 高速存储设备
基于FPGA构建的光纤通信数据传输技术中，高速存储设备是一个重要部分，数据生成、检测等均需要通过数据存储操作完成，采用RAID 0结构、SSD硬盘构建高速存储设备，能够使磁盘阵列更为简单、实用，操作性更为简便，能够兼顾软RAID结构与硬RAID结构，两块物理盘进行同时读写操作，使单位时间内的磁盘读写速率快速提高至2倍，保障了数据传输速率。这一模式使FPGA能够在光纤接口部分对数据进行编码与存储，再利用数据发送环节完成传输控制操作。数据接收时，FPGA包括两部分，PC19054接口能够和发送部分保持功能一致性，光纤接口部分则由FPGA对TLK2501接收数据逻辑进行控制，从而完成数据实时解码与存储操作，最大程度确保了高速速率数据传输时的实时性与准确性。
2.4 光纤通信模块测试
对该模块进行测试，将FPGA分别采用数据帧生成与数据帧检测两个模块进行测试，数据帧生成模块生成16位递增数据后，由检测模块开始检测这些需要输送的数据，检测到的所有错误数据均进行计数与位置标记。采用内置自环数据传输技术检测，就能够使光纤通信系统传输板能够实现收发一体模块，LC连接器会直接连接两个模块，并传输数据。通过检测操作能够测试系统在传输数据时，能否实现高速率传输与无误码传输兼顾的优势。检测结果显示，基于FPGA构建的这一光纤通信数据传输技术能够实时、准确、高速率地传输数据[3]。
3 结束语
本文设计了一种基于FPGA的光纤通信数据传输技术系统，经检测后，其实践应用价值较高，综合价值良好，电路简单、成本低、可靠性强、集成度高，能够运用于多个领域，实现大容量、高速率、实时准确的数据传输。
参考文献
[1] 石金成，张小辉，黄玉刚，等.基于FPGA的两路千兆以太网光纤传输系统[J].光通信技术，2013，37（7）：15-17.
[2] 肖文平.基于FPGA下光纤通信数据传输技术的思考[J].信息系统工程，2018，（05）：26.
[3] 林香魁.基于FPGA的光纖通信数据传输技术的思考[J].信息与电脑（理论版），2018，（05）：150-152.
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