基于FPGA的高速光电接口模块设计
《2024年基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》范文
《基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，高性能的通信接口和数据处理能力已成为电子系统不可或缺的部分。
在此背景下，FPGA （现场可编程门阵列）因其灵活性和可编程性，在各种高速通信接口和数据处理任务中扮演着越来越重要的角色。
本文将详细介绍基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块的设计。
二、设计需求及背景在现代的电子系统中，PCIE总线以其高带宽、低延迟的特点，已经成为主流的高速数据传输总线。
而光纤通信模块以其高速度、远距离传输的能力，被广泛应用于高速数据传输和通信网络中。
因此，基于FPGA设计一个兼容PCIE总线的接口以及光纤通信模块，具有重要的实用价值。
三、系统架构设计我们的系统架构主要包括三个部分：FPGA核心处理模块、PCIE总线接口模块和光纤通信模块。
其中，FPGA核心处理模块负责数据的处理和控制，PCIE总线接口模块负责数据的输入输出，光纤通信模块则负责数据的远距离传输。
四、FPGA核心处理模块设计FPGA核心处理模块是整个系统的核心，负责数据的处理和控制。
我们采用先进的FPGA芯片，通过硬件描述语言（HDL）进行设计。
该模块包括数据接收、数据处理、数据发送等部分，能够高效地完成数据的处理和控制任务。
五、PCIE总线接口模块设计PCIE总线接口模块是系统与外部设备进行数据交换的关键部分。
我们采用PCI Express协议进行设计，该协议支持热插拔、即插即用等特性，能够提供高带宽、低延迟的数据传输。
该模块包括PCI Express物理层、数据链路层和事务层等部分，能够实现对数据的接收和发送。
六、光纤通信模块设计光纤通信模块负责数据的远距离传输。
我们采用光电器件和光纤网络技术进行设计，包括光发射器、光接收器、光纤网络等部分。
该模块能够将数据转换为光信号进行传输，再通过光接收器将光信号转换为电信号进行处理。
七、系统测试与验证我们通过仿真测试和实际测试对系统进行了验证。
《基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》范文
《基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》篇一一、引言随着信息技术和电子系统的快速发展，FPGA（现场可编程门阵列）技术在现代通信系统中的角色日益凸显。
尤其是在数据传输效率及实时性要求日益提升的当下，对高效且可靠的接口设计有着更为严格的要求。
其中，基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计，成为了众多科研和工程项目中的关键技术。
本文将详细探讨这一设计的技术原理、实现方法和应用前景。
二、PCIE总线接口设计1. 设计原理PCIE总线是一种高速串行计算机扩展总线标准，具有高带宽、低延迟等优点。
在FPGA上实现PCIE总线接口，需要对其协议进行深入理解，并利用FPGA的并行处理能力进行优化设计。
设计过程中，需考虑总线的物理层、数据链路层以及传输协议等关键因素。
2. 实现方法在FPGA上实现PCIE总线接口，首先需要确定接口的物理层标准，如数据传输速率、电压等。
接着，通过Verilog或VHDL等硬件描述语言进行逻辑设计，实现数据的接收、发送、地址分配等功能。
此外，还需要对接口进行仿真验证和实际测试，确保其稳定性和可靠性。
三、光纤通信模块设计1. 设计原理光纤通信以其高速度、大容量、抗干扰能力强等优点在通信领域得到了广泛应用。
光纤通信模块的设计主要涉及光模块的驱动、光信号的传输和接收等部分。
在FPGA上实现光纤通信模块，需要将其与光纤模块进行无缝连接，并利用FPGA的高速处理能力对光信号进行实时处理。
2. 实现方法光纤通信模块的设计包括光模块的选择、驱动电路的设计、FPGA与光模块的接口连接等部分。
在FPGA上实现时，需考虑如何优化光模块与FPGA之间的数据传输路径，以提高传输效率和减少延迟。
同时，还需对光信号的接收和发送进行同步处理，以确保通信的可靠性。
四、整体设计与优化在完成PCIE总线接口和光纤通信模块的设计后，需要进行整体设计与优化。
这包括将两者进行无缝连接，实现数据的实时传输和处理。
《基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》范文
《基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》篇一一、引言随着现代电子技术的飞速发展，高速、高带宽的数据传输需求日益增长。
为了满足这种需求，我们提出了基于FPGA（现场可编程门阵列）的PCIE总线接口和光纤通信模块设计。
这一设计不仅可以实现高效的数据传输，还具备可编程性和灵活性，为各种应用场景提供了强大的支持。
二、设计背景与目标在当前的电子系统中，数据传输的速度和效率是关键因素。
PCIE总线作为一种高速串行总线，具有高带宽、低延迟等优点，被广泛应用于各种高性能计算机和服务器中。
而光纤通信以其高速、稳定、抗干扰的特性，在长距离数据传输中具有独特的优势。
因此，结合FPGA的高性能计算能力和可编程性，我们设计了这一模块，旨在实现高速、高效、灵活的数据传输。
三、设计原理与组成1. PCIE总线接口设计：PCIE总线接口是整个设计的核心部分，负责数据的接收和发送。
我们采用FPGA中的硬核PCI Express IP，结合其内置的协议引擎和PHY层接口，实现了与主机系统的连接。
通过配置FPGA的逻辑单元，我们可以灵活地调整接口的参数和功能，以满足不同的应用需求。
2. 光纤通信模块设计：光纤通信模块负责与外部设备进行高速数据传输。
我们选择了高性能的光纤收发器芯片，并设计了与之相匹配的FPGA逻辑电路。
通过光纤收发器芯片的高速串行通信接口，实现了与外部设备的连接。
同时，我们还设计了光模块的驱动和控制电路，以确保其正常工作和数据传输的稳定性。
3. FPGA逻辑电路设计：FPGA逻辑电路是整个设计的核心控制部分，负责协调PCIE总线接口和光纤通信模块的工作。
我们通过编写硬件描述语言（HDL）代码，实现了对FPGA的逻辑配置和控制。
这些代码包括接口协议的解析、数据的缓存和处理、以及与外部设备的通信等。
四、工作流程与实现1. 初始化：系统上电后，FPGA首先进行初始化配置，包括设置PCIE总线接口和光纤通信模块的参数和工作模式等。
基于FPGA的高速串行数据收发接口设计
基于FPGA的高速串行数据收发接口设计随着信息技术的不断发展，高速串行数据收发接口已经成为许多应用领域中的关键技术。
而基于FPGA的高速串行数据收发接口设计，可以充分发挥FPGA的并行计算和可编程性优势，实现高速数据传输和处理。
本文将介绍基于FPGA的高速串行数据收发接口的设计原理、关键技术和应用。
一、设计原理在高速串行数据收发接口中，主要涉及到以下几个方面的技术：物理接口、时钟同步、帧同步、数据编码和解码、差分信号传输等。
1.物理接口物理接口是指FPGA与外部设备之间进行数据传输的接口。
常见的物理接口包括LVDS、USB、PCIe等。
在设计中，需要选择合适的物理接口，并实现与FPGA之间的连接。
2.时钟同步时钟同步是指接收端与发送端的时钟信号保持同步，以确保数据的准确传输。
常见的时钟同步技术包括PLL锁相环、FIFO缓存等。
在设计中，需要使用适当的时钟同步技术，保证数据的稳定传输。
3.帧同步帧同步是指接收端能够正确识别数据帧的起始和结束标志，以及数据帧中的各个字段。
在设计中，通过使用标志位或者特定的编码格式，可以实现帧同步，保证数据的正确接收和解析。
4.数据编码和解码数据编码和解码是指将要传输的数据进行编码，以提高传输速率和抗干扰能力。
常见的数据编码和解码算法包括差分编码、曼彻斯特编码、8b/10b编码等。
在设计中，需要根据具体的应用需求，选择合适的数据编码和解码算法。
5.差分信号传输差分信号传输是指将发送端的信号分为正负两路进行传输，以提高传输速率和抗干扰能力。
差分信号传输可以有效抑制共模干扰和噪声，提高信号的可靠传输。
二、关键技术在基于FPGA的高速串行数据收发接口设计中，需要关注以下几个关键技术。
1.时钟和数据恢复由于传输中的时钟和数据可能存在相位偏移和抖动等问题，因此需要使用时钟和数据恢复技术来保持时钟的稳定，并将数据恢复到正确的状态。
2.信号完整性由于传输线上会存在反射、串扰等问题，需要采取合适的电路设计和布线策略，以提高信号的抗干扰能力和抗噪声能力，保证数据的可靠传输。
基于FPGA的高速光通信测试系统设计李平
基于FPGA的高速光通信测试系统设计李平发布时间：2021-12-04T10:17:55.018Z 来源：基层建设2021年第26期作者：李平[导读] 信号质量检测对运行的维护光传网系统有重要的作用，与传统通信宽带的硬件设计相比，基于可编程逻辑设计工具FPGA构建的高速光通信测试系统，更能满足通信系统的要求，其中以MAC控制为核心的FPGA芯片天津七一二通信广播股份有限公司天津 300000摘要：信号质量检测对运行的维护光传网系统有重要的作用，与传统通信宽带的硬件设计相比，基于可编程逻辑设计工具FPGA构建的高速光通信测试系统，更能满足通信系统的要求，其中以MAC控制为核心的FPGA芯片，可以确保通信系统的合理管控，满足了通信系统中低延迟、高精准的要求，在设计上该系统在稳定程度以及功耗、传输距离上有着很好的性能，基于此本文展开如下研究。
关键词：可编程逻辑设计工具；光通信；MAC-PHY；芯片设计引言文中研究了使用FPGA[1]技术实现的VLC，尤其是MAC与PHY层之间的通信，并介绍了MAC层的有限状态机（FSM）和其他基于FPGA的硬件设计，以及在嵌入式开发板上的系统实现方法。
1 光通信控制系统设计下面详细讨论光通信控制系统的MAC控制器的设计，该系统包含多个集成组件，以实现MAC控制器的功能。
图1为基于FPGA芯片的光通信控制系统架构。
图1 光通信控制系统架构文中的研究工作主要集中在FPGA控制器的设计上，图2为MAC控制器的框架。
图2 FPGA MAC控制器在图2的框架中，传输数据指令由PC发出，将数据包从RS-232发送器发送到MAC控制器，然后通过特定的MAC-PHY接口[5]将数据进一步传递到PHY层。
为了简化系统设计的验证，分别为发送器和接收器实现了两个MAC控制器。
这些控制器比较容易在FPGA板上实现，以下是每个接口的设计细节。
1.1 RS-232接口RS-232是串行数据传输标准，其正式定义了数据终端设备（例如计算机终端）和数据电路终端设备（例如调制解调器）之间的信号连接[8]。
《2024年基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》范文
《基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计》篇一一、引言随着信息技术的飞速发展，数据传输的速度和效率成为了系统性能的关键因素。
FPGA（现场可编程门阵列）以其高度的可定制性和并行处理能力，在高速数据传输和处理领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍基于FPGA的PCIE总线接口和光纤通信模块设计，探讨其设计原理、实现方法和应用前景。
二、PCIE总线接口设计1. 设计原理PCIE（Peripheral Component Interconnect Express）总线是一种高速串行计算机扩展总线标准，具有高带宽、低延迟、支持即插即用等特点。
FPGA作为PCIE设备的核心控制器，需要设计相应的接口电路以实现与主机的通信。
2. 实现方法在FPGA中，PCIE总线接口的设计主要包括物理层设计、数据链路层设计和事务层设计。
物理层设计负责信号的收发和电气特性的匹配；数据链路层设计负责数据的封装、解封和流控制；事务层设计则负责处理数据传输过程中的各种事务请求。
3. 优势与挑战PCIE总线接口的设计具有高带宽、低延迟、可扩展性强等优势，能够满足高速数据传输的需求。
然而，设计过程中也面临着诸多挑战，如信号完整性问题、时钟同步问题、协议复杂性等。
需要采用先进的EDA工具和设计方法，以确保设计的可靠性和稳定性。
三、光纤通信模块设计1. 设计原理光纤通信模块是一种基于光纤的高速数据传输模块，具有传输距离远、传输速率高、抗干扰能力强等优点。
在FPGA系统中，光纤通信模块负责将数据通过光纤传输到其他设备或系统。
2. 实现方法光纤通信模块的设计主要包括光模块电路设计、光纤接口设计和FPGA控制逻辑设计。
光模块电路设计负责将电信号转换为光信号或将光信号转换为电信号；光纤接口设计负责实现光纤与光模块之间的物理连接；FPGA控制逻辑设计则负责控制光模块的发送和接收过程。
3. 关键技术光纤通信模块设计的关键技术包括光模块的选择与配置、光纤类型的选择、光信号的调制与解调、光纤接口的电气特性等。
基于FPGA的高速数据传输接口设计与实现
基于FPGA的高速数据传输接口设计与实现摘要：随着信息技术的不断发展，高速数据传输接口的设计和实现变得越来越重要。
本文基于现场可编程门阵列（FPGA）技术，设计并实现了一种高速数据传输接口。
通过对FPGA的编程，我们能够实现灵活、可定制的接口，满足不同应用场景的需求。
本文详细介绍了接口设计的原理、方法和实现过程，并进行了性能测试和评估。
实验结果表明，该高速数据传输接口具有良好的性能和稳定性，能够满足高速数据传输的要求。
关键词：FPGA，高速数据传输接口，灵活性，性能测试1. 引言随着现代科技的快速发展，数据传输速度的需求不断提高。
为了满足这一需求，研究人员提出了各种高速数据传输接口的设计方案。
然而，由于传统硬件的限制，这些接口往往无法满足实际应用的要求。
因此，本文采用了FPGA技术，设计并实现了一种高速数据传输接口，以提升数据传输速度和灵活性。
2. 接口设计原理本文采用了基于FPGA的设计方法，通过对FPGA的编程，实现了高速数据传输接口的设计。
FPGA具有可编程性和并行处理能力，可以根据应用需求进行灵活定制。
通过将数据传输接口的相关功能逻辑实现在FPGA中，可以大大提高传输速度和稳定性。
3. 接口设计方法本文采用了一种基于时钟同步的数据传输方法。
通过将数据传输分为发送端和接收端两个模块，利用时钟信号进行同步，确保数据的准确传输。
发送端将需要传输的数据编码成数字信号，通过FPGA的输出引脚进行传输；接收端通过FPGA的输入引脚接收数字信号，并解码还原成原始数据。
4. 接口实现过程本文采用Verilog HDL语言进行FPGA的编程。
首先，根据接口设计原理和方法，编写发送端和接收端的功能模块；然后，通过逻辑综合、布局布线和时序分析等步骤，生成FPGA的比特流文件；最后，将比特流文件下载到FPGA芯片中，完成接口的实现。
5. 性能测试与评估为了评估所设计的高速数据传输接口的性能，我们进行了一系列的性能测试。
基于fpga的信号处理板高速通信接口研制
哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要随着半导体器件的发展，模数转化器的采样速率大大提高，信号处理系统的数字化程度提高，系统内部有大量的数据需要实时传输。
因此，无论民用还是国防工业，都对总线的数据传输速率提出了更高的要求。
目前常用通信协议的传输速率达不到系统要求，而通信行业专用的高速传输协议对系统来说硬件开销过于巨大，因此需要一种结构简单，同时又具有很高数据传输速率的接口来承担数据传输功能。
本课题旨在为某雷达信号处理板提供高速通信接口，实现主机通过该接口实时地接收信号处理板发来的数据，用以进行处理或加以记录。
由于雷达对实时性有很高的要求，前端会持续产生高速采样数据源源不断地发送给主机。
因此信号处理板与主机间的通信接口需要具有高速、稳定等特点。
本课题设计的通信接口就具有高速、稳定的特点。
该接口可用于机箱间或板间通过光纤接口进行数据传输。
课题在基于实际应用的条件下简要分析了OSI-RM参考模型，并根据课题的实际需要对模型进行一些调整。
在参考OSI-RM参考模型的基础上，分别在FPGA和处理器中用硬件和软件实现参考模型的各层次功能，并对部分模块进行了仿真测试。
在本课题中使用硬件描述语言编写逻辑实现物理层和数据链路层结构。
而在信号处理板和主机分别采用C语言和C#语言实现了网络-传输层的通信协议。
最后通过系统联合调试的结果可以分析，该接口具有高效、可靠、稳定等特点，可以应用于实际系统中。
关键词：高速数据传输；FPGA；RocketIO；TS201；滑动窗口哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractWith the development of semiconductor device, the sampling rate of AD has greatly increased, the digitalization of signal processing system has increased and large amount of real-time data needs to be transferred within the system. Hence, higher quality of data transmission rate is demanded for both civil and national defense industry. Currently, the transferring speed of regular communication protocol could not meet the increasing demand of system. And the protocol with high rate of transfer which is special designed for field of communication costs too much that. Thus we need a new type of interface which has simple structure and high rate of data transfer to fulfill the demand of signal process system.This article aims to provide a method to realize the high rate of communication interface for radar signal processing system, so that the host computer can receive the real time data from signal processing system through this interface. In addition, the data could be used in further processing or recording. The ADC continues to produce high rate of sampling data and send the data to the host computer. Therefore, the efficiency and the reliability is demanded by the communication interface between signal processing system and host computer. This article presents a design of a communication interface which could meet the demand of characteristics mentioned above and can be used to transfer data between boards or cases.The article analyzed the OSI-RM model based onto the actual application. In addition, some adjustments were made onto the model in accordance with the actual demand of engineering application. Based on the reference model of OSI-RM, hardware and software were applied into FPGA and processors separately to achieve the function of each layer in the consult model. In this project, HDL was used to design the logic of physical layer and data link layer. C and C# language were used in signal processing system and host computer to achieve the communication protocol of network- transport layer. After debugging in the real system, it is concluded that the interface possesses characteristics of efficiency and reliability and is able to be applied into actual system.Keywords: high speed data transfer,FPGA, RocketIO, TS201, slip window哈尔滨工业大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 本研究课题的来源 (1)1.2 背景及其理论意义与实际意义 (1)1.3 国内外与课题相关研究领域的研究现状 (2)1.3.1 国内外通信协议方面研究现状 (2)1.3.2 国内外信号处理板通信接口的设计 (3)1.4 课题研究内容 (5)第2章高速通信接口相关的背景知识 (7)2.1 通信接口参考模型 (7)2.2 Xilinx FPGA（现场可编程门阵列）简介 (8)2.2.1 FPGA的发展状况 (8)2.2.2 使用FPGA开发的流程 (8)2.2.3 FPGA开发环境 (9)2.3 DSP平台 (10)2.3.1 ADSP-TS201S处理器介绍 (10)2.3.2 DSP开发环境介绍 (10)2.4 主机环境 (11)2.4.1 Windows驱动开发 (11)2.4.2 主机应用程序和协议处理程序的开发 (12)2.5 本章小结 (12)第3章高速通信接口的设计 (13)3.1 课题需求分析 (13)3.2 信号处理板光纤通信接口的开发 (15)3.2.1 通信协议的开发 (15)3.2.2 光纤通信接口的硬件实现方案 (17)3.3 本章小结 (19)哈尔滨工业大学硕士学位论文第4章高速通信接口的实现 (20)4.1 光纤通信接口硬件的实现 (20)4.1.1 高速串行通信接口模块的实现 (20)4.1.2 FPGA与TS201S总线接口模块设计 (26)4.1.3 光纤通信接口的硬件开销 (29)4.2 信号处理板上网络-传输层通信协议的实现 (30)4.2.1 信号处理板对光纤通信接口的控制 (30)4.2.2 链式DMA传输和飞跃式传输的特殊处理 (31)4.2.3 信号处理板实现通信协议的工作流程 (32)4.2.4 光纤通信接口支持软件 (36)4.3 主机上网络-传输层通信协议的实现 (37)4.3.1 PCI-e光纤接口卡驱动程序的开发 (37)4.3.2 协议处理程序的实现 (38)4.4 本章小结 (42)第5章高速通信接口的调试与测试 (43)5.1 模块的仿真验证 (43)5.1.1 发送控制模块的仿真验证 (43)5.1.2 接收控制逻辑的仿真验证 (44)5.1.3 拥塞控制机制的仿真验证 (46)5.1.4 小结 (47)5.2 实际调试测试 (47)5.2.1 Chipscope工具简述 (47)5.2.2 实际调试过程 (48)5.3 本章小结 (55)结论 (56)参考文献 (57)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (59)致谢 (60)哈尔滨工业大学硕士学位论文第1章绪论1.1本研究课题的来源随着通信和网络技术的飞速发展，各种嵌入式系统在设备内部有大量的数据传输[1]。
基于光电传输技术的高速数据接口设计
基于光电传输技术的高速数据接口设计随着信息技术的不断发展，数据传输速率越来越成为人们关注的焦点。
传统的数据传输方式，如有线传输，存在着带宽受限、受到电磁干扰等问题，造成数据传输速率不能达到更高的水平。
因此，近年来，基于光电传输技术的高速数据接口成为了研究热点。
一、光电传输技术概述光电传输技术是指将光信号通过光纤传输到接收端后，再将光信号转化为电信号的过程。
光电传输技术具有带宽大、抗干扰能力强等特点，能够满足高速数据通信的需求。
光电传输技术主要包括激光器、光传输介质和光探测器三个部分。
其中，激光器是产生光信号的核心部件，有着频率精度高、光束稳定、能量稳定等特点。
光传输介质是将光信号传输到和接收端的介质，包括光纤、自由空间等传输媒介。
光探测器则是将光信号转化为电信号的设备，常用的有光电晶体管、光电二极管、光电倍增管等。
二、高速数据接口设计原理基于光电传输技术的高速数据接口设计中，要考虑到传输速率和数据误码率两个方面。
传输速率需要尽可能快，同时又要保证可靠性。
高速数据接口设计通常包括以下几个部分：1. 激光器驱动电路：激光器驱动电路的主要作用是给激光器提供驱动电流，控制激光器的输出功率和频率，从而保证光信号的稳定性和精度。
驱动电路的锁相环系统可以将输入的时钟信号反馈到激光器控制电路中，使激光器输出的频率与时钟信号同步。
2. 光传输介质和配合件：传输介质选取光纤等高速光通信管线。
在传输过程中，为了10G光模块可靠的工作，光纤的里特用进行3dB光衰减等操作。
配合件包括连接器模块、转换器模块等，其中连接器一般采用ST、LC、SC等方式的卡扣设计，转换器包括光电转换器和电光转换器。
光电转换器将光信号转换为电信号，电光转换器则将电信号转换为光信号。
3. 光探测器：光探测器是将光信号转换为电信号的关键元件，探测器输出的电信号的质量直接影响数据传输的可靠性，因此选用合适的光探测器非常重要。
光探测器的生产商不同、制程不同，对接收距离的要求也不同，其负载能力、带宽、响应速度等参数均会有差异。
基于国产FPGA的高速SRIO接口设计与实现
基于国产FPGA的高速SRIO接口设计与实现于东英;陈俊;康令州【摘要】针对具有高速接口的芯片国产化的迫切需求,进行了基于自主研发的国产FPGA平台SRIO接口的设计和验证.首先介绍国产FPGA平台资源和SRIO接口体系结构,结合FPGA厂家提供的IP core进行FPGA内部功能模块设计.其次,重点讨论用户侧接口数据流向方式,对应开发SRIO接口数据流向控制时序代码,并通过软件仿真实现2.5 Gb/s速率的1X SRIO接口逻辑.最后,与xilinx开发板SP605的SRIO接口进行互联互通测试,验证国产FPGA平台上SRIO接口设计的正确性和稳定性.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2019(052)001【总页数】4页(P255-258)【关键词】国产FPGA;SRIO;IPCORE;高速数据处理【作者】于东英;陈俊;康令州【作者单位】中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都 610041;中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都 610041;中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TN913.30 引言2015年5月国务院印发《中国制造2025》，是中国政府实施制造强国战略第一个十年行动纲领。
在该行动纲领的指导下，为了提高国家综合国力，成功实现各个产业升级转型，创新与自主发展成为其核心理念之一。
2018年上半年，美国商务部发布对中兴通信的禁止出口令。
该消息一石激起千层浪，对所有国人敲响了警钟，同时明白在很多高科技行业尤其在有“工业石油”之称的芯片方面，必须拥有自主研发的产品，否则将会受制于人。
如果不是在中国自主研发的芯片上进行开发和应用，取得的一切成果就如一座建立在沙子上的城堡。
在提倡创新和自主发展的大背景下，在外部环境瞬息万变的情况下，为了行业长远和健康的发展，必须在芯片领域坚持自主研发和应用。
本文主要是在国产自主研发的FPGA平台上实现高速数据通信接口SRIO的设计与验证。
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基于FPGA 的高速光电接口模块设计
张剑锋,俞春华,訾扬,谢
铎
(南京熊猫汉达科技有限公司研发部，江苏南京210002)
摘要：首先介绍了低压差分信号、光纤传输的一般原理，然后提出了一种基于FPGA 的多通道高速光电接口模块设计方
法,从模块的原理设计、印制板设计、FPGA 设计等多个方面进行了分析。
最后对基于FPGA 的高速串行数据接口进行了测试验证。
关键词：高速串行数据传输；低压差分信号；光纤传输；现场可编程门阵列中图分类号：TN919.8文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2013）01-0061-02光纤传输具有数据速率高、信号衰减小、传输距离远、抗干扰能力强的特点，特别适用于较远距离下的高速数据传输。
本文介绍了一种高速光电接口模块设计实现，该模块基于FPGA 实现了4通道的低压差分信号(LVDS )数据接口到光纤接口的转换。
1低压差分信号(LVDS )传输
LVDS [1]具有如下电器特性：①低压，低摆幅(约为350mV )，
高速。
②低功耗。
③抗干扰能力强。
所以，LVDS 具有高速、超低功耗、低噪声和低成本的优良特性。
2光纤信号传输
光纤传输[2](FibetTransmission ),顾名思义，即以光纤为介质进行传输，可以传输模拟信号和数字信号。
使用光纤进行信号传输有以下优点：①频带宽，信道容量大。
②损耗低，传输距离远。
③抗干扰能力强。
④工作性能可靠。
3光电接口模块设计
3.1模块架构及原理设计
光电接口模块需要提供4路双向LVDS 接口、4路双向光纤接口，采用FPGA 实现两种接口间的逻辑粘合，放置一个高稳度晶体振荡器给系统提供标频。
使用AltiumDesigner 进行电原理图和印刷电路板(PCB )设计，光纤/标频接口模块的电原理框图如图1
所示。
图1光电接口模块电原理框图
3.2印制电路板设计
(1)印制板布局。
遵循高速印制板设计规则，印制板布局如图2所示，FPGA 靠近信号接插件放置，光电转换模块对称分布在FPGA 两侧。
(2)印制板的层次化设计。
在PCB 的设计中，层的设置至关重要。
PCB 的叠层设计由电源、地、信号层数及相对位置，电源、地层的分割等组成。
综合考虑模块的电原理设计及布局，决定采用8层PCB 。
按照常见的8层板叠层方案[3]，从上到下分别为信号层1、地层1、信号层2、主电源层、地层2、信
号层3、次电源层、信号层4。
其中主电源层为全局使用的+3.3V ，次电源层为局部使用的+1.2V 和+12V 、+5V 。
采用这种叠层布局，无相邻信号层，结构对称，主电源与地相邻，能有效降低电源平面的阻抗，
减少电磁干扰。
图2光纤/标频接口模块PCB 布局
(3)印制板布线。
在光电接口模块的设计中，因LVDS 和LVPECL 差分对的传输频率高达500MHz 和1GHz 左右，必须
按照传输线规则布线[3]。
同时，由于LVDS 和LVPECL 都是差分信号，因此布线时还要注意到差分布线的特点。
AltiumDesigner 提供了差分对布线工具，利用差分对布线工具能很好满足差分对的等长要求。
具体操作上，采用手工布线和自动布线相结合的方式进行。
在布线时，严格遵循以下规范进行：
①线间距的控制：高速信号线的间距以及信号线与铺铜的间距大于2倍的线宽；差分对之间的间距、差分对与敷铜的间距大于同一对差分线之间间距的2倍。
②差分对两线之间等间距，保持平行；差分对正负级等长，误差控制在10mil 以下。
③相邻差分对的隔离：相邻的差分对之间设置隔离地，以减少差分对之间的互感。
④相邻层信号走线尽量避免平行，如果必须平行的话，线间距大于2倍线宽。
⑤保持信号线的连续性，同一根信号线宽度保持一致，尽量避免使用过孔，如果使用的话，同一组信号线的过孔数量保持一致。
⑥因为工作频率较高，因此采用“多点就近”的方式接地；同时，采用“地平面”的方式降低接地阻抗，增强模块的抗噪声性能。
⑦对布线进行阻抗匹配设计和信号完整性分析。
(4)阻抗匹配和信号完整性分析。
在布线完成后，还必须对高速走线进行阻抗匹配和信号完整性分析[3]，这也是决定PCB
能否达到设计要求的关键步骤。
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和器件要求的特征阻抗是否一致，在印制板特别是高速印制板的设计中，这一点尤其重要。
影响PCB 导线阻抗的因素主要有信号线的宽度和厚度、制作PCB 介质的的介电常数和厚度等。
常用的微带线特征阻
抗的经验公式如下[3]
：
带状线特征阻抗经验公式如下：
其中，Z n 表示导线的特征阻抗；
r
=4.25±0.2；h 为导线与参考面之间的介质厚度，通常我们选择地平面为参考面；w 为导线宽度；t 为导线的厚度。
在布线结束后，可以依据阻抗经验公式对高速数据信号线的特征阻抗进行计算，最终使信号发出端的内部阻抗与线路的阻抗相等。
通常情况下，单端信号阻抗一般控制在50
之间；差分信号控制在96之间。