光模数转换中后端数据接收系统的设计与实现

上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 I 页 光模数转换中 后端 数据 接收 系统的设计与实现 摘要 模数转换 （ 是数据采集的重要组成部分，它将模拟信号转换为方便存储和处理 的数字信号。随着电子技术的发展，电模数转换的采样带 宽和有效比特位数等方面的性能在不断提高，但受限于“电子瓶颈”，如 电采样时钟的抖动性能，电模数转换器无法直接实现超宽带信号的无失真采样，难以满足通信领域对模拟信号带宽日益增长的需求。光子学技术具有超宽带、高精度、低抖动、高稳定性等特点，利用光子学技术在光域进行信号处理，能够 克服 电采样的瓶颈，显著提高模数转换的性能，是一种提高模数转换采样率与有效比特的有效途径 。 为了处理和显示因采 样率和有效比特数极大提高带来的高速、大容量数据流，光模数转换 的后端 数据接收系统 必须 具备高速、大容量的存储与传输能力 。 本文设计 并实现 了 光模数转换中后端 高速数据 接收 系统 ，包括数据存储和传输 。 该系统 基于现场可编程逻辑门阵列（ ，采用 为存储介质， 利用 线通过存储器直接访问 （ 机制实现数据的高速输出。 首先 ， 比较 分析了常用数据采集 系统 的硬件结构，根据光模数转换中后端电 布局和 性能，设计了单处理核心、 多处理核心的硬件架构 ， 以及 储 控制 和 用层传输 的逻辑架构 ， 详细阐述了存储和传输逻辑的工作流程， 制定了上海交通大学硕士学位论文 摘要 第 主从 据通信的帧格式 。 然后，在 台上实现了存储和传输逻辑 的 功能模块 ， 分析了存储逻辑的设计原理，详细阐述了 存储和传输逻辑功能模块的状态机工作 流程 。 最后，构建 了 储模型 和 务模型 以仿真验证存储传输逻辑功能，并搭建了一个单通道的数据 接收 系统，开发了基于 备驱动，对单通道系统进行了存储和传输带宽 、延时等 性能测试 。测试结果表明， 存储逻辑的带宽 效率为 100%；传输逻辑 的 带宽 效率为 关键词： 模数转换； 存储控制 ； 制器； 海交通大学硕士学位论文 of is of It to to be of of as of in of is is to of to in it to is an to In to by to is of 海交通大学硕士学位论文 of is on in we We of In we a we of in we to a is of CI We s of is 00%, 海交通大学硕士学位论文 目录 目录 摘要 . I . 一章 绪论 . 1 究背景 . 1 模数转换概述 . 2 速存储和传输技术发展现状 . 3 速大容量存储技术 . 3 速传输总线和接口 . 5 文主要工作 . 6 第二章 光模数转换中数据接收系统架构 . 8 储与传输基础 . 8 . 8 . 10 据接收系统的硬件架构 . 16 模数转换系统 . 16 件架构分析与设计 . 16 据接收系统的逻辑架构 . 18 处理核心的逻辑架构 . 18 从处理核心的逻辑架构 . 19 从 据通信 . 20 章小结 . 21 第三章 光模数转换中数据接收系统的逻辑实现 . 22 储逻辑的实现 . 22 时钟域设计 . 23 据格式转换 . 26 间和时间管理 . 27 储控制器 . 29 输逻辑的实现 . 31 收引擎和发送引擎 . 31 擎 . 34 存器配置空间 . 35 部地址空间 . 37 间数据传输 . 39 擎 . 40 上海交通大学硕士学位论文 目录 断控制和错误控制 . 43 章小结 . 45 第四章 光模数转换中数据接收系统的仿真与测试 . 47 据接收系统的仿真 . 47 真结构 . 47 储逻辑仿真结果 . 49 输逻辑仿真结果 . 50 据接收系统的搭建与测试 . 52 通道数据接收系统测试结构 . 52 储逻辑测试结果及性能分析 . 57 输逻辑测试结果及性能分析 . 59 章小结 . 63 第五章 总结与展望 . 64 文主要工作 . 64 速模数转换中数据接收系统展望 . 65 参 考 文 献 . 67 致 谢 . 70 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 . 71 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 究 背景 模数转换 （ 数据采集的重要组成部分，它将模拟信号转换为数字信号，是 人类 数字化世界的重要手段。 随着 电子 技术的迅速发展， 电模数转换 器 的 性能在不断提高，主要体现在两个方面： 采样带宽和采样 比特位数 。 半导体供应商提供的 常分为两种：高速 精密 者的采样带宽很高，但是采样比特位数却较低；后者的采样比特位数很高，但是采样带宽不高。 例如， 司推出的单片高速 列的采样率到达了 样比特位数为 10司 推出的 商用 采样率达到了 样比特位数 为 12司的 样率为 4采样比特位数达到了 31商用电 指标就无法同时做到很高，电模数转换的采样率和采样比特位数似乎是一对矛盾。 图 1 1 NR 1 图 1实解释了这一矛盾现 象 1， 受限于“电子瓶颈”（ 时间 抖动 、幅度抖上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 动、采样脉冲宽 度 ） 23，电 模数转换器 的采样 比特精度 会随着采样速率的提升而 不断下降 。“电子瓶颈”限制了采样速率 ， 高抖动（ 100右 4）的电采样时钟限制了电模数转换器的性能。但是在一些应用场合，如超宽带雷达 5、卫星导航以及软件无线电 6等瞬态信号处理领域，信号的带宽都在百兆甚至千兆以上，要想对信号进行无失真的采样，需要模数转换器有足够大的采样率与带宽 以及 有效 比特位数。 市面上的商用示波器 大多 采用了一种 多片 错采样 的结构并辅助以数字信号处理技术来提高采样率 ，而且带宽也确实做到了单片 几倍甚至数十倍 。 如 块化示波器 的提供了 120 采样率，45 采样带宽。 但是， 并行交错采集中 仍需要 高速 的采样 时钟 ，采样时钟的抖动 使得 多片 步 非常困难 ， 此外， 电信号 也容易受到电磁等干扰 ， 这些因素极大地提高了设计难度 。 光子 学技术具有宽带、高精度等特点，目前超短光脉冲的抖动已达到 10右 7，具有显著提高模数转换性能的潜力。 因此 基于光子技术的光学模数转换器引起广泛的关注 8。 光模数转换的性能在向高速和高精度方向 不断 提高：高速方面，充分利用光子学的超宽带特点，实现对超宽带模拟信号的直接处理，现阶段见诸于报道的采样率达到了 10Ts/s9；高精度方面，采样率做到了 505到了 9.8 0。 模数转换概述 基本的光模数转换系统中光信号链路包含光源、电光调制器、光电探测器 几个重要的器件 ，模拟信号通过 电光调制器转换为光域信号，光电探测器将光域信号转换为电信号，如 图 1示 11。 光源部分一般是一个锁模激光器或半导体激光器；调制器一般是以铌酸锂为介质 的马赫 能够将模拟信号加载到光的强度上。 光电探测器输出的电信号 通过电 换为数字信号。 光 源 电 光 调 制 器 光 电 探 测 器 电 处 理模 拟 信 号图 1模数转换系统框图 to 实际的系统中， 光信号链路上会进行许多的光信号处理，尤其在电光调制上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 器和光电探测器之间。正是由于在光域中进行了光信号处理，才使得后端电处理中使用普通的电 光电探测器输出的电信号进行采样时能够提高采样的性能。 速存储和传输 技术发展现状 光模数转换的后端采 用并行交错的采样模式，利用多路精度较高、采样率较低的电 行采样，可以组成精度和采样率都较高的采样系统。采样性能的提高带了高速的数据流， 高速的数据需要高速的缓存来存储数据。 当然电 行采样本身 的 局限性仍需要后端的电处理 器进行数据恢复校正，同时电处理 器 还对多路数据进行复合，还原原始 信号。 多路数据的校正、 复合 和处理 需要高性能的处理器； 复合后的数据需要高速传输接口将数据传输到计算机总线上进行后端处理（如显示）或传输到存储设备保存数据。 速大容量 存储技术 存储 技术发展已久 ，各类存储介质 的性能在不断提高，新的存储 技术 也在不断 发展 。 存储介质 主要 有 、 、 机械磁盘，其访问速度依次下降，但存储容量依次上升。 速缓存（ 以大幅 减少处理器访问内存所需平均时间 ，因此是访问速度最快的存储介质，但 容量非常小，读者只要稍微检查一下 您 存就会发现，三级 缓存最大 也 不过几兆字节 。 是一个庞大的家族 ，这是一种易失性存储器 ，要有两类： 中 分为 性能越做越高。随着技术的发展， 族更新了一些新技术，如 与 失性特点相反的是 ，这是一种非易失性存储器，掉电后数据仍会保存。 起初的 无法修改数据的，后来发展的 克服了 时保持了读取快速的优点。 要有 种， 两者的主要区别是一次访问 的容量。 访问速度和容量介于 磁盘之间，常用于 移动存储设备或小容量硬盘。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 磁盘 （ 的历史悠久 ，技术成熟，性价比高，是目前主流的硬盘存储设备。 度较慢 ，单块磁盘的读写带宽最高不多 200MB/s，但 容量可以很大，因此在低速场合（如个人电脑）得 到了大幅应用。 独立冗余磁盘阵列（ 12能够解决 单块 磁盘中 读写 速度与 容量的矛盾 ，且具有高性能、高稳定性等特点13。其 原理的 是把多个相对便宜的硬盘组合起来，成为一个硬盘阵列组，使性能达到甚至超过一个价格昂贵、容量巨大的硬盘 ，从而有 较高的访问速率和存储容量 。 比单块磁盘的优势 ：增强数据集成度，增强容错功能，增加处理量或容量。 从数据输入的角度来看，磁盘阵列就是 一个单独的 磁盘 或逻辑存储单元 。术分为 固态硬盘（ 就是利用 成的存储阵列，它有较大的访问速度，但是容量依然做不大。 存储技术 可 分为网络存储 14和本地存储。 网络存储结构 一般分为三类 ：直连式存储（ 存储区域网络 （ 和 网络接入存储 （ 。 一种传统的存储方式，服务器通过 I/O 通道直接访问 存储设备中的数据， 其 I/O 路径为：应用 文件系统 存储设备。 常用的传输接口有 储设备通常为磁盘阵列（ 一种高速网络或子网络，提供在计算机与存储系统之间的数据传输。一个 络由负责网络连接的通信结构、负责组织连接的管理层、存储部件以及计算机系统构成，从而保证数据传输的安全性和力度。 比较常用的 输技术有光纤通道（ 术发展迅猛，其存储带宽 从 不足 十 样比较依赖 网络 技术 （ 如 P、 ， 它通过网络 建立专用于数据存储的私网 。 过网络文件系统（ 共用 件系统（ 标准化的协议提供文件级的数据访问。 网络存储 通常不通过计算机总线，而是使用专用的网络存储芯片将 通过网络传输的 数据存储到 存储 阵列上。因此网络存储 非常依赖网络，而网络 的 传输带宽是不稳定的，且网络上各节点的带宽瓶颈会限制链路的传输速率，因此网络存储上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 的带 宽不是很高， 单个通道的存储带宽不超过 10 本地存储是指数据不通过网络，只是 通过传输总线和接口 直接存储在本地的存储介质中。本地存储的存储介质通常是磁盘阵列。 速 传输总线和接口 可以从很多角度给传输总线分类，比如速率上可分为高速总线（ 低速总线（ 传输方式上可分为并行总线（ 串行总线（ 实现方式上可分为硬总线（ 软总线（ 本节从软硬总线的角度来介绍传输总线和接口。 早年的 硬 传输总线 都采用并行结构， 因为可以使用低速的 I/O 频率来获取高速的总线接口带宽， 如 5、 6总线接口 ， 最新的 准 在 32333MB/s，在 326 可以达到 266MB/s，以及 64633MB/s； 最新的 准在 160下带宽为 320MB/s，在1660带宽为 640MB/s。 但并行硬总线的带宽都做不高，限制的因素有很多，其中一个 是飘移现象。漂移现象 指的是 ： 如果把一组并行的多位数据 从源端 同时发出， 由于 数据线的传输延迟， 各数据线 不会在精确的同一时间到达目的地 ，并行的信号会 分布在一个时间窗口内 到达。各个传输线上传输延迟的差别越大，飘移窗口 就越大。对于给定长度的线缆，要想增加时钟频率，就必须减小飘移窗口，从而 必须 最小化线路间的传输延迟差。 线路 越长，飘移窗口越大 ，这极大地限制了信号的频率 。 漂移现象 给并行总线 带来了 物理电气 上的 局限性 ：限制了总线长度 、 引入了信号 漂移 、时序失真、增加了 电路板布线 难度。此外，并行总线标准没有 可靠性和冗余度 ，当出现传输错误时，无法进行校正，降低了传输吞吐量和 可靠性 ；并行总线的共享资源有可能引发 存和其它外设冲突，无法提供最佳性能。 高速串行 硬 总线的提出解决了上述问题。 串行总线并不是一项新技术， 它与并行总线同时发展起来，但由于在高端系统上的优越表现，优势性日益显现。 多数 并行总线标准是基于共享总线结构，而串行标准是基于网络结构 的 ， 是 一种 层次交换结构 。 串行结构带来了很大的优越 性 ：支持多种拓扑结构 ， 点对点，多点对多点；高带宽系统（单通道至少 1；冗余性和可靠性，冗余编码和错误重传 。 串行改进的典型例子： 17； 18。 单通道的 高速串行总线和接口在高速系统中得到 了广泛的应用。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 6 页 软总线不需要物理上的实现，其通常是一种可编程器件内部用于统一数据传输的 协议 ，而且在软件实现上可自定义。一些 商会推出它们的内部参考设计，其中就会有软总线，比如 用的 线 、 用的 线 、以及 部的地址总线、数据总线、命令总线 ， 前 两种总线都是 司提出的 。 司对世界贡献巨大，它发布的低功耗、高性能架构的 列内核） ，使得 设计和生产门槛大大降低，推动了移动互联网时的 快速 发展，打破了 司 构 垄断地位， 这是题外话，不多说。 这里 简要 介绍一下 计中常用的 软 总线 ： 9和 0， 两者 都属于微控制器 内部 总线。 线是一种将片上处理器和外设连接成 片上可编程系统（ 一种简单总线结构。 线是一种接口方式，它规定了主从设备之间的接口方式及其通信时序 ，并 提供了简单易学的协议 ； 优化 了 总线逻辑的资源利用 ， 节约了可编程器件（ 部的逻辑单元（ 它的同步操作将 的其他用户逻辑很好的集成在一起，从而避免了复杂的时序分析。 1系列规范的成员， 议是用于连接和管理片上系统 (中功能模块的开放标准和片上互连规范。它有助于首次开发带有大量控制器和外设的多处理器设计。 过使用 规范对 块的共同主干进行定义，这有助于 计的重复使用。 者是轻量级的 接口通信 ，后者可用于从主接口到辅助接口的单向数据传输，可显著降低信号路由开销 。 文主要工作 本文设计并实现了高速光模数转换中 后端数据 接收系统的存储和传输 。工作内容包含设计数据存储传输的硬件架构和逻辑架构，实现 后端 电处理的存储逻辑和传输逻辑， 并 验证测试存储和传输逻辑的性能。 第一章介绍了课题的背景，分析了限制模数转换器性能的主要因素，概述了数据存储和传输的 基本知识 ， 概括地介绍 了本文的主要研究工作。 第二章首先 简介 了 光模数转换中 数据接收系统 使用的数据 存储介质和传输总线，然后 系统地分析了光模数转 换 系统后端的数据存储和传输需求，设计了 后端电处理的 硬件架构 ，包括单核心和双核心的处理架构，并设计了 基于 单上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 第 7 页 核心和双核心的 逻辑架构。 第三章在 实现了基于 存储逻辑和基于 其中详细地分析了存储逻辑的设计原理， 细致描述了存储和传输逻辑中所有功能模块的状态机工作流程。 第四章首先对 逻辑实现进行了仿真，在仿真的基础上，研制了单通道的 数据接收 系统，并在 台上对单通道系统进行了存储和传输的性能测试。 经测试的 单通道系统 可支持 s 实时数据输入，并提供 s 的数据输出带宽。 第五 章对本文的 研究 成果进行 了 总结， 并对光采样系统的 数据 存储提出了自己的见解和愿景 。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 光模数转换 中数据接收 系统架构 第 8 页 第二章 光模数转换 中数据接收 系统 架构 为了 接收 光模数转换 中 电 集的高速数据， 后端 数据处理系统 采用 了为缓存介质， 为传输总线和接口 。 本章系统地分析了光模数转换 后端数据接收系统的