基于FPGA的光纤通信接口设计毕业设计开题报告

中 北 大 学 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名名：学学 号号： 学学院 ：院 ：信息与通信工程学院 专专业 ：业 ：电子信息工程 设计设计(论文论文)题题 目目：基于 FPGA 的光纤通信接口设计 指 导 教 师指 导 教 师 : 2014年3月29日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1选题依据： . .课题设计的背景、目的和意义课题设计的背景、目的和意义 FPGA（现场可编程门阵列）有着单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA的时钟频 率高，内部时延小：全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度快，效率高，适于大数据量 的高速传输控制：FPGA的组成形式灵活，而且可集成外围控制，译码和接口等各种电 路。FPGA 是一种具有丰富的可编程OI /引脚的可编程逻辑器件。具有时钟频率高，内 部时延小，运行速度快，组成形式灵活的特点，并能够控制较为复杂的外围器件。可以 解决电路系统小型化，低功耗，高可靠性过程中遇到的问题，因此FPGA成为目前高性 能数据采集系统主要使用的控制芯片。 光纤收发器与FPGA技术相结合的方案是现在光纤通信系统的主流解决方案。目 前，在超高速光纤通信中还多采用专用的ASIC芯片，但最近各FPGA产商也相继推出 了 40Gbps，4xGbps,100Gbps和1010 xGbps等 FPGA 芯片，使基于FPGA超高速光纤系 统的实现成为可能。FPGA的可编程特性，具有ASIC芯片无法比拟的优越性，所以基 于FPGA的光纤通信有很大的现实意义。 . . 国内外发展现状国内外发展现状 1.2.11.2.1光纤通信技术光纤通信技术 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来，随着技术的进步， 电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放， 光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃 发展的新局面。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快，应用范围之广是 通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志，同时也是未来信息社会中各种信息 的主要传送工具。 光纤通信是现代通信网的主要传输手段， 它的发展历史只有三四十年， 已经历三代。短波长多模光纤，长波长多模光纤和长波长单模光纤是光纤通信史上的重 大变革，美，日，英，法等多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤 通信。中国光纤通信已进入普及阶段。光通讯是通讯发展的必然方向，光纤通信就是利 用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一 种最新通信技术。通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频 作为载频已达到通信载波频率的上限，光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波 进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就 追求的目标，也是通信发展的必然方向。对光纤通信而言，超高速度，超大容量和超长 距离传输一直是人们追求的目标，未来的告诉通信网将是全光网。全光网是光纤通信技 术发展的最高阶段，也是理想阶段.传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络节 点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高。因此，真正的全光网 已成为一个非常重要的课题，全光网络也是人们不懈追求的梦想。 1.2.21.2.2FPGA的发展历程的发展历程 20 实际 60 年代中期，TI公司大量生产了通用IC，如分别面向商用和军用的 74 系 列和 54 系列。这些通用IC甚至沿用至今，任是电子工程师门电路板上不可或缺的一部 分。 20 世纪 80 年代， 出现了可编程逻辑器件 （PLD） ， 如SPLD和CPLD， 它们与ASIC 相比，具有可重配置性和较短的开发时间，但实现的功能和电路都相对简单。为了弥补 这一需要Xilinx公司推出了第一块可编程逻辑器件)(FPGA，并且在其后的几十年间， FPGA得到了巨大的发展。 1.2.31.2.3HDLVeri log的产生和发展的产生和发展 HDLVeri log是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统设计。该语言允许设计者 进行各种级别的逻辑设计，进行数字逻辑系统的仿真验证，时序分析，逻辑综合。它是 目前应用最广泛的一种硬件描述语言。 HDLVeri log是在 1983 年由GDA公司的PhilMoorby首创的。PhilMoorby后来 成为XLVerilog的主要设计者和Cadence公司的第一个合伙人。在 1984 至 1985 年， Moorby设计出了第一个名为XLVerilog的仿真器；1986 年，他对HDLVeri log的发展 又作出了另一个巨大贡献，即提出了用于快速门级仿真的XL算法。随着XLVerilog算 法的成功，HDLVeri log语言得到迅速发展。2001 年 3 月，logVeriIEEE13642001 标准的公布，以及 2005 年 10 月SystemlogVeriIEEE8002005 标准的公布，使得 logVeri语言在综合，仿真验证和 IP 模块重用等性能方面都有大幅度的提高，更加拓宽 了logVeri的发展前景。 logVeri适合系统级，算法级，寄存器传输级，逻辑级，门级，电路开关级设计， 而SystemlogVeri是logVeri语言的扩展和延伸， 更适用于可重用的可综合IP和可重用的 验证用 IP 设计，以及特大型基于 IP 的系统级设计和验证。 1.3 参考文献参考文献 1郭玉斌.光纤通信技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2008 2孙学康，张金菊.光纤通信技术M.北京：北京邮电大学出版社，2004 3蒋文波等.光纤通信技术的发展研究J.光子技术，2006，3（11）：123145 4夏宇闻.Verilog 数字系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，20085 5吴厚航深入浅出玩转 FPGAM北京：北京航空航天大学出版社，20102 6徐文波, 田耘Xilinx FPGA 开发实用教程M北京：清华大学出版社，2012 7王磊，裴丽. 光纤通信的发展现状和未来J.中国科技信息，2006，3(4) 8何淑贞，王晓梅. 光通信技术的新飞跃J. 网络电信，2004，11(2) 9辛化梅，李忠. 论光纤通信技术的现状及发展N. 山东师范大学学报,2003-4-1 10李超. 浅谈光纤通信技术发展的现状与趋势N. 沿海企业与科技，2007-7 11齐亮.基于FPGA的光纤通信系统偏振模色散自适应均衡器的设计J.电路与系 统学报，2011，13（2）：2-3 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 设计方案： .本设计的主要研究内容本设计的主要研究内容 光纤通信可以实现设备间的高速远距离通信， 在信号处理及通信系统中得到了广泛 的应用，而现代高性能FPGA的内部大多集成有可以实现与光纤收发模块无缝连接的高 速数据收发器。因此利用FPGA的高速数据收发器和光纤收发模块可以构建快速数据传 输通道，已成为实时信号处理系统设计中数据传输的重要手段。本设计课题在了解光纤 传输基本概念及特点的基础上基于FPGA的高速数据收发器设计高速数据通信接口电 路，并设计相关软件及传输协议，调试验证高速光纤通信电路设计的正确性，为高速光 纤通信的进一步应用提供设计参考。 2.1.12.1.1 光纤通信的基本原理光纤通信的基本原理 光纤通信是利用光作为信息载体、 以光纤作为传输的通信方式。 在光纤通信系统中， 作为载波的光波频率比电波的频率高得多， 而作为传输介质的光纤又比同轴电缆或导波 管的损耗低得多，所以说光纤通信的容量要比微波通信大几十倍。光纤是用玻璃材料构 造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路，光纤之间的串绕非常小；光波在光 纤中传输，不会因为光信号泄漏而担心传输的信息被人窃听；光纤的芯很细，由多芯组 成光缆的直径也很小，所以用光缆作为传输信道，使传输系统所占空间小，解决了地下 管道拥挤的问题。 典型的光纤通信系统方框图如下图 1 所示： 光发送机 电端机 （数字） 模拟信息 LD 光接收机 电端机 （数字） 模拟信息 APD 中继器 图 1 数字光纤通信系统方框图 从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发 送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中 的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件 发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发 光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中 检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了 一次通信的全过程。其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称内调制（一般速率 小于等于 2.5SGB/时）；间接调制也称外调制（一般速率大于 2.5SGB/时）。 2.1.22.1.2FPGA的基本概念的基本概念 FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上 进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现 的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 的基本结构如图 2 所示。 图 2FPGA的基本结构 FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、 输出输入模块IOB和内部连线)(ctInterconne三个部分。加电时，FPGA芯片将EPROM 中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复 成白片， 内部逻辑关系消失， 因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA 编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需 换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功 能。因此，FPGA的使用非常灵活。 2.1.32.1.3ISEFoundation软件概述软件概述 ISEFoundation软件是Xilinx公司推出的CPLDFPGA/集成开发环境， 不仅包括逻 辑设计所需的一切，还具有大量简便易用的内置式工具和向导，使得设计输入，功耗分 析， 时序驱动设计收敛，HDL仿真等关键步骤变得容易而直观。 此外，ISEFoundation 具有界面友好，操作简单的特点，再加上Xilinx的FPGA占有很大的市场，使其成为非 常通用的 FPGA 工具软件。ISE作为高效的EDA设计工具集合，与第三方软件扬长补短， 使软件功能越来越强大，为用户提供了更加丰富的Xilinx平台。Xilinx的开发工具也在 不断的升级，由早期的Foundation系列逐步发展到目前的ISE13.2 系列，集成了FPGA 开发需要的所有功能。ISE的主要功能包括设计输入，综合，仿真，实现和下载，涵盖 了FPGA开发的全过程，从功能上讲，其工作流程无需借助任何第三方EDA软件。 .研究方法、技术路线、实验方案研究方法、技术路线、实验方案 光纤通信系统主要由位同步时钟提取模块，BB 10/8编解码器模块和NRZI编解码器 模块组成，主要功能框图如图 3 所示。数据经BB 10/8编码后，能在很大程度上平衡位 流中 0 与 1 的个数，而NRZI编码又做了进一步的平衡，主要是为了使信号状态变化趋 于频繁以使位同步时钟提取模块更好，更快的提取出位同步时钟。编码后的信号为 LVTTL电平信号，先经电平转换模块转换为PECL电平信号，再由光发送接收模块转换 为光信号送入光纤传输介质。经光纤传输后，在接收端先经光发送接收模块把光信号转 换为 PECL 电平信号，再由电平转换模块把PECL电平信号转换为LVTTL电平信号，同 时位同步时钟提取模块提取出同步时钟，为解码模块提供参考时钟。最后，接收到的数 据经解码后输出。 图 3 光纤通信系统主要功能框图 本设计拟利用Xilinx公司的ISE软件编写相应的logVeri程序，通过综合优化，功能 仿真，时序约束，仿真测试等过程，生成对应的bit文件。然后将根据生成的bit文件设 计光纤通信接口。在完成通信接口设计之后，还要测试所设计的光纤接口是否能完成对 应的收发等功能。 本设计主要用logVeri语言编写位同步时钟提取模块，BB 10/8编解码模块，NRZI编 解码模块等来实现光纤通信。BB 10/8编码很好的平衡了位流中 0 和 1 的个数，特别适 合光纤介质的信息传输；NRZI编码使信号的状态变化更加频繁，进一步增强了发送设 备与接收设备的可同步性；位同步时钟提取使得发送设备与接收设备保持同步，同时为 接收端解码器提供可靠的时钟参考。 这几大模块相辅相成， 共同维持光纤通信系统可靠， 高效的运行。 设计的初步是要通过查阅相关的资料和文献熟知logVeri语言的基本语法及实例应 用，其次要了解FPGA的基本结构及开发流程，接着要能熟练的掌握和应用FPGA的开 发软件)(ISE。设计的关键是要了解光纤通信的基本原理。 . .进度安排进度安排 2014.12.12015.02.20查阅