基于FPGA的光纖通信接口設(shè)計(jì)

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院：信息與通信工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程設(shè)計(jì)(論文)題目：基于FPGA的光纖通信接口設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師: 2014 年 3 月 29 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1選題依據(jù)：.課題設(shè)計(jì)的背景、目的和意義（現(xiàn)場可編程門陣列）有著單片機(jī)和無法比擬的優(yōu)勢。的時鐘頻率高，內(nèi)部時延小：全部的控制邏輯都可由硬件完成，速度快，效率高，適于大數(shù)據(jù)量的高速傳輸控制：的組成形式靈活，而且可集成外圍控制，譯碼和接口等各種電路。FPGA是一種具有豐富的可編程引腳的可編程邏輯器件。具有時鐘頻率高，內(nèi)部時延小，運(yùn)行速度快，組成形式靈活的特點(diǎn)，并能夠控制較為復(fù)雜的

2、外圍器件。可以解決電路系統(tǒng)小型化，低功耗，高可靠性過程中遇到的問題，因此成為目前高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要使用的控制芯片。 光纖收發(fā)器與技術(shù)相結(jié)合的方案是現(xiàn)在光纖通信系統(tǒng)的主流解決方案。目前，在超高速光纖通信中還多采用專用的芯片，但最近各產(chǎn)商也相繼推出了40，4x,100和等FPGA芯片，使基于超高速光纖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。的可編程特性，具有芯片無法比擬的優(yōu)越性，所以基于的光纖通信有很大的現(xiàn)實(shí)意義。. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1光纖通信技術(shù)光纖通信的誕生與發(fā)展是電信史上的一次重要革命。近幾年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電信管理體制的改革以及電信市場的逐步全面開放，光纖通信的發(fā)展又一次呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的新局面。

3、光纖通信作為一門新興技術(shù)，其近年來發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，同時也是未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。光纖通信是現(xiàn)代通信網(wǎng)的主要傳輸手段，它的發(fā)展歷史只有三四十年，已經(jīng)歷三代。短波長多模光纖，長波長多模光纖和長波長單模光纖是光纖通信史上的重大變革，美，日，英，法等多個國家已宣布不再建設(shè)電纜通信線路，而致力于發(fā)展光纖通信。中國光纖通信已進(jìn)入普及階段。光通訊是通訊發(fā)展的必然方向，光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，達(dá)到通信目的的一種最新通信技術(shù)。通信的發(fā)展過程是以不斷提高載波頻率來擴(kuò)大通信容量的過程，光頻作為

4、載頻已達(dá)到通信載波頻率的上限，光是一種頻率極高的電磁波，因此用光作為載波進(jìn)行通信容量極大，是過去通信方式的千百倍，具有極大的吸引力，光通信是人們早就追求的目標(biāo)，也是通信發(fā)展的必然方向。對光纖通信而言，超高速度，超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標(biāo)，未來的告訴通信網(wǎng)將是全光網(wǎng)。全光網(wǎng)是光纖通信技術(shù)發(fā)展的最高階段，也是理想階段.傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的全光化，但在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處仍采用電器件，限制了目前通信網(wǎng)干線總?cè)萘康倪M(jìn)一步提高。因此，真正的全光網(wǎng)已成為一個非常重要的課題，全光網(wǎng)絡(luò)也是人們不懈追求的夢想。1.2.2 的發(fā)展歷程20實(shí)際60年代中期，公司大量生產(chǎn)了通用，如分別面向商用和軍用的74

5、系列和54系列。這些通用甚至沿用至今，任是電子工程師門電路板上不可或缺的一部分。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了可編程邏輯器件（），如和，它們與相比，具有可重配置性和較短的開發(fā)時間，但實(shí)現(xiàn)的功能和電路都相對簡單。為了彌補(bǔ)這一需要公司推出了第一塊可編程邏輯器件，并且在其后的幾十年間，得到了巨大的發(fā)展。1.2.3 的產(chǎn)生和發(fā)展 是硬件描述語言的一種，用于數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該語言允許設(shè)計(jì)者進(jìn)行各種級別的邏輯設(shè)計(jì)，進(jìn)行數(shù)字邏輯系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證，時序分析，邏輯綜合。它是目前應(yīng)用最廣泛的一種硬件描述語言。是在1983年由公司的 首創(chuàng)的。 后來成為的主要設(shè)計(jì)者和公司的第一個合伙人。在1984至1985年，設(shè)計(jì)出了第一

6、個名為的仿真器；1986年，他對的發(fā)展又作出了另一個巨大貢獻(xiàn)，即提出了用于快速門級仿真的算法。隨著算法的成功，語言得到迅速發(fā)展。2001年3月， 13642001標(biāo)準(zhǔn)的公布，以及2005年10月 8002005標(biāo)準(zhǔn)的公布，使得語言在綜合，仿真驗(yàn)證和IP模塊重用等性能方面都有大幅度的提高，更加拓寬了的發(fā)展前景。適合系統(tǒng)級，算法級，寄存器傳輸級，邏輯級，門級，電路開關(guān)級設(shè)計(jì)，而是語言的擴(kuò)展和延伸，更適用于可重用的可綜合和可重用的驗(yàn)證用IP設(shè)計(jì)，以及特大型基于IP的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。1.3參考文獻(xiàn)1郭玉斌.光纖通信技術(shù)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20082孫學(xué)康，張金菊.光纖通信技術(shù)M.北京：

7、北京郵電大學(xué)出版社，20043蔣文波等.光纖通信技術(shù)的發(fā)展研究J.光子技術(shù)，2006，3（11）：1231454夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200855吳厚航深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGAM北京：北京航空航天大學(xué)出版社，201026徐文波, 田耘Xilinx FPGA開發(fā)實(shí)用教程M北京：清華大學(xué)出版社，20127王磊，裴麗. 光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和未來J.中國科技信息，2006，3(4) 8何淑貞，王曉梅. 光通信技術(shù)的新飛躍J. 網(wǎng)絡(luò)電信，2004，11(2) 9辛化梅，李忠. 論光纖通信技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展N. 山東師范大學(xué)學(xué)報(bào),2003-4-110李超. 淺談光纖通

8、信技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢N. 沿海企業(yè)與科技，2007-711齊亮.基于的光纖通信系統(tǒng)偏振模色散自適應(yīng)均衡器的設(shè)計(jì)J.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2011，13（2）：2-3 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告設(shè)計(jì)方案：.本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容 光纖通信可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高速遠(yuǎn)距離通信，在信號處理及通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而現(xiàn)代高性能的內(nèi)部大多集成有可以實(shí)現(xiàn)與光纖收發(fā)模塊無縫連接的高速數(shù)據(jù)收發(fā)器。因此利用的高速數(shù)據(jù)收發(fā)器和光纖收發(fā)模塊可以構(gòu)建快速數(shù)據(jù)傳輸通道，已成為實(shí)時信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄巍１驹O(shè)計(jì)課題在了解光纖傳輸基本概念及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上基于的高速數(shù)據(jù)收發(fā)器設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)通信接口電路，并設(shè)計(jì)相關(guān)軟件

9、及傳輸協(xié)議，調(diào)試驗(yàn)證高速光纖通信電路設(shè)計(jì)的正確性，為高速光纖通信的進(jìn)一步應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。 2.1.1光纖通信的基本原理 光纖通信是利用光作為信息載體、以光纖作為傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波的頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或?qū)Рü艿膿p耗低得多，所以說光纖通信的容量要比微波通信大幾十倍。光纖是用玻璃材料構(gòu)造的，它是電氣絕緣體，因而不需要擔(dān)心接地回路，光纖之間的串繞非常?。还獠ㄔ诠饫w中傳輸，不會因?yàn)楣庑盘栃孤┒鴵?dān)心傳輸?shù)男畔⒈蝗烁`聽；光纖的芯很細(xì)，由多芯組成光纜的直徑也很小，所以用光纜作為傳輸信道，使傳輸系統(tǒng)所占空間小，解決了地下管道擁擠的問題。 典型的

10、光纖通信系統(tǒng)方框圖如下圖1所示：圖1 數(shù)字光纖通信系統(tǒng)方框圖從圖中可以看出，數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)送機(jī)、光纖與光接收機(jī)組成。發(fā)送端的電端機(jī)把信息（如話音）進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號去調(diào)制發(fā)送機(jī)中的光源器件，則就會發(fā)出攜帶信息的光波。即當(dāng)數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖；當(dāng)數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)送一個“空號”（不發(fā)光）。光波經(jīng)低衰耗光纖傳輸后到達(dá)接收端。在接收端，光接收機(jī)把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機(jī)，而電端機(jī)再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來的信息。就這樣完成了一次通信的全過程。其中光發(fā)送機(jī)的調(diào)制方式有兩種：直接調(diào)制也稱內(nèi)調(diào)制（一般速率小于等于2.5時）

11、；間接調(diào)制也稱外調(diào)制（一般速率大于2.5時）。2.1.2 的基本概念，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在、等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 的基本結(jié)構(gòu)采用了邏輯單元陣列這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線三個部分。加電時，芯片將中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程中，配置完成后，進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，能夠反復(fù)使用。的編程無須專用的編程器，只須用通用的、編程器即可。當(dāng)需要修改功能時，只需換一片即可。這樣，同一

12、片，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，的使用非常靈活。2.1.3 軟件概述 軟件是公司推出的集成開發(fā)環(huán)境，不僅包括邏輯設(shè)計(jì)所需的一切，還具有大量簡便易用的內(nèi)置式工具和向?qū)В沟迷O(shè)計(jì)輸入，功耗分析，時序驅(qū)動設(shè)計(jì)收斂，仿真等關(guān)鍵步驟變得容易而直觀。此外， 具有界面友好，操作簡單的特點(diǎn)，再加上的占有很大的市場，使其成為非常通用的FPGA工具軟件。作為高效的設(shè)計(jì)工具集合，與第三方軟件揚(yáng)長補(bǔ)短，使軟件功能越來越強(qiáng)大，為用戶提供了更加豐富的平臺。的開發(fā)工具也在不斷的升級，由早期的系列逐步發(fā)展到目前的13.2系列，集成了開發(fā)需要的所有功能。的主要功能包括設(shè)計(jì)輸入，綜合，仿真，實(shí)現(xiàn)和下載，涵蓋了開

13、發(fā)的全過程，從功能上講，其工作流程無需借助任何第三方軟件。. 研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案 光纖通信系統(tǒng)主要由位同步時鐘提取模塊，編解碼器模塊和編解碼器模塊組成，主要功能框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后，能在很大程度上平衡位流中0與1的個數(shù)，而編碼又做了進(jìn)一步的平衡，主要是為了使信號狀態(tài)變化趨于頻繁以使位同步時鐘提取模塊更好，更快的提取出位同步時鐘。編碼后的信號為電平信號，先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電平信號，再由光發(fā)送接收模塊轉(zhuǎn)換為光信號送入光纖傳輸介質(zhì)。經(jīng)光纖傳輸后，在接收端先經(jīng)光發(fā)送接收模塊把光信號轉(zhuǎn)換為PECL電平信號，再由電平轉(zhuǎn)換模塊把電平信號轉(zhuǎn)換為電平信號，同時位同步時鐘提取模塊提取出同步時

14、鐘，為解碼模塊提供參考時鐘。最后，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后輸出。圖3 光纖通信系統(tǒng)主要功能框圖 本設(shè)計(jì)擬利用公司的軟件編寫相應(yīng)的程序，通過綜合優(yōu)化，功能仿真，時序約束，仿真測試等過程，生成對應(yīng)的文件。然后將根據(jù)生成的文件設(shè)計(jì)光纖通信接口。在完成通信接口設(shè)計(jì)之后，還要測試所設(shè)計(jì)的光纖接口是否能完成對應(yīng)的收發(fā)等功能。 本設(shè)計(jì)主要用語言編寫位同步時鐘提取模塊，編解碼模塊，編解碼模塊等來實(shí)現(xiàn)光纖通信。編碼很好的平衡了位流中0和1的個數(shù)，特別適合光纖介質(zhì)的信息傳輸；編碼使信號的狀態(tài)變化更加頻繁，進(jìn)一步增強(qiáng)了發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備的可同步性；位同步時鐘提取使得發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備保持同步，同時為接收端解碼器提供可靠

15、的時鐘參考。這幾大模塊相輔相成，共同維持光纖通信系統(tǒng)可靠，高效的運(yùn)行。設(shè)計(jì)的初步是要通過查閱相關(guān)的資料和文獻(xiàn)熟知語言的基本語法及實(shí)例應(yīng)用，其次要了解的基本結(jié)構(gòu)及開發(fā)流程，接著要能熟練的掌握和應(yīng)用的開發(fā)軟件。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要了解光纖通信的基本原理。.進(jìn)度安排2014.12.12015.02.20 查閱相關(guān)資料，了解課題的目的、背景和意義2015.02.212015.03.01 根據(jù)資料撰寫開題報(bào)告2015.03.012015.03.16 修改并提交開題報(bào)告2015.03.172015.04.04 光纖通信系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)2015.04.052015.04.13 基于程序設(shè)計(jì)技術(shù)的完成2015.04.142015.05.14 光纖通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化2015.05.152015.06.14 軟件整體優(yōu)化，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告2015.06.152015.06.17 報(bào)告送審，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。2015.06.182015.06.20 畢業(yè)答辯 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見：基于的光纖通信