光纤传输技术在雷达信号记录重演系统中的应用

摘要 介绍基于StratixGx系列FPGA的光纤传输技术在雷达信号记录重演系统中的应用。文中分析了光纤传输的优点以及技术实现的可能性，着重阐述了光纤传输系统的结构组成及具体应用，并给出了主要芯片的型号。经验证，该光纤传输技术性能稳定。
关键词 记录重演；光纤传输；串行收发器；数据复合和分解

    雷达信号记录重演设备可将转瞬即逝的雷达信号场景保存下来，进行反复再现。为精细反复的雷达信号分析、信号处理算法实验和设备调试提供方便。雷达信号记录重演设备对加速雷达研制进度、节约研制成本、降低风险和提升雷达技术发挥着突出作用。
    记录重演设备需要记录的数据源主要包括雷达工作时的状态信息、时序信号和接收采样后的I／Q信号等。传统上这些信号有RS422、TTL、LVDS等众多接口电平，给记录重演系统接口电路的设计和维护带来不便。
    而随着光纤传输技术和高性能FPGA(Field Programmable Gate Arrav)技术的不断发展，用一片FPGA即可以实现光纤通道间的数据传输与处理。同时，光纤传输具有传输损耗小、抗干扰能力强、传输速率高等优点。鉴于此，论文将主要介绍基于Altera公司的StratixGX系列FPGA在记录重演设备中实现光纤传输的应用及设计。

1 记录重演原理简介
    记录重演设备主要由数据记录仪和记录重演电路组成，数据记录仪是大容量存储的集合体，主要用于信号处理数据记录和回放。用户如果要将信号场景完整记录和再现信号场景，则需要通过自己的接口电路实现，这就是记录重演电路。用记录仪和记录重演电路，可以方便地搭建性能优越的半实物仿真系统。

    雷达信号记录重演系统的原理图如图1所示，其分时工作于记录状态和重演状态，记录时数据流从左向右，各种被记录的数据通过并行方式进入记录数据接口内，进行数据复合重排，被写入海量存贮器中；重演时数据流从右向左，数据从海量存贮器读出，进行记录数据的分解和恢复，被恢复后的各种数据和时序信号输出后供分析使用。

2 光纤传输设计及实现
    FPGA在现代电子电路设计中得到越来越广泛的应用，其容量、功能、可靠性以及响应速度在不断提高。ALTERA公司的StratixGx系列FPGA除具有传统FPGA的功能外，还具备了能实现光纤传输的高速串行收发器(Transeiver)。StratixGX器件含有4～20个低功耗收发器，可在整个500 Mbit·s-1～3．1875 Gbit·s-1数据速率范围内工作。设计选用的芯片型号为EP1SGX25DF67216，器件中等价逻辑单元(LE)高达41 250个，片内存储器达到3．4 MB，可满足对存储器要求较多的应用。该器件具有易于调整的动态预加重、均衡和输出电压控制，再加上特殊的封装、噪声滤除、优异的接收器灵敏度和稳定的时钟数据恢复设计，保证了最优异的信号完整性，是高速背板接口、芯片之间和通信协议桥接应用的理想选择。
2．1 高速串行收发器原理
    高速串行收发器内建物理编码子层(PCS)模块节省了宝贵的逻辑资源，简化了设计支持，能够方便实现协议设计。每个收发器都支持多种协议标准，包括PCI Express、串行数据接口(SDI)、XAUI、SONET、千兆以太网、RapidIO和FiberChannel等。
    在StratixGX器件中，一个高速收发器块包含4个收发通道，这4个收发通道共用一个发送锁相环，每个通道内部有独立的接收锁相环。高速串行收发器发送模块和接收模块的原理框图分别如图2和图3所示。

    每个收发通道其物理接口电平为1．5 V的PCML，通过交流耦合，可以和LVDS、LVPECL、3．3 V-PCML接口相连。
2．2 FPGA硬件电路设计
    FPGA硬件设计主要包括FPGA电源电路设计、配置加载电路设计、时钟电路设计、光模块电路选型和高速信号走线等。
    对于高速串行收发器所在区域(Bank)的供电电源种类的区分比较细，具体包括数字电源(VCCP_B)、接收电源(VCCR_B)、发送电源(VCCT_B)、护圈电源(VCCG_B)、模拟电源(VCCA_B)。VCCP_B、VCCR_B、VCCT_B、VCCG_B、VCCA_B需要分别单独接隔离良好的1．5 V，1．5 V，1．5 V，1．5 V和3．3 V的电源网络，否则光模块工作会不正常。
    高速串行收发器所在每个Bank参考电阻管脚RREFB也必须要进行恰当的处理。每个RREFB管脚都要单独串接一个标称值为2 kΩ，允许偏差<1％的电阻接地。
    光模块选厢了Agilent公司的HFCT-5944AL，这款芯片支持单模光纤，工作波长为1 300 nm，可支持的数据速率高达2．7 Cbit·s-1，具有良好的EMI性能。由于该芯片差分输出信号的电平是PECL的，而后面FPGA的高速串行收发器的差分接收信号电平是PCML的，两种接口标准的共模电压不同，所以要采用AC耦合电路来完成两种电平的转换。
2．3 高速串行收发器使用配置
    GXB模块的使用比较方便，只要在QUARTUSII软件的MegaWizard中调用ALGXB，设置好参数即可。需要配置的参数主要包括数据传输协议、数据率、输入时钟、通道宽度、锁相环宽度设置、均衡器设置等。在本记录重演系统中，传输协议选择为Basic、数据率为2 400 Mbit·s-1，输入时钟为120 MHz，通道宽度为8位。
2．4 在记录重演系统中的具体应用
    光纤传输在本记录重演系统中的应用框图如图4所示，记录时信号流程如下：来自外部的I／Q数据、时序信号、状态信息等数据源首先在其系统内完成信号的编码，然后通过其系统内部的StratixGX芯片将上述数据源调制成高速串行数据流并通过光模块实现信号的光电转换和传输。经过光纤传输过来的外部信号经记录重演系统内部的光模块和StratixGX芯片完成信号的解码，恢复出原始的I／Q数据、时序信号、状态信息等。上述信号进入记录重演数据控制接口模块完成待记录信号的编码和数据复合，以满足海量存贮器记录数据格式的约定要求。重演时信号流程是上述流程。

    图4中所示的记录重演数据控制接口是记录重演系统的核心，主要完成记录／重演工作模式的转换，实现记录数据复合、重演数据的分解、数据缓存和数据块标志检索。

   其原理框图如图5所示。

3 结束语
    随着雷达机载、球载等新的运载平台的诞生和雷达技术的发展，雷达信号记录重演设备在雷达中发挥着越来越重要的作用。雷达信号记录重演设备能将转瞬即逝的雷达数字回波信号和工作状态数据信息实时记录，事后能真实重演，实现了丰富的分析和重现功能。文中提出的基于StratixGX系列FPGA的光纤传输技术已在记录重演系统中得到成功的实现和应用，这一技术的应用使记录重演设备对外接口简单；数据传输速率高而且稳定；系统维护方便。本文提出的基于FPGA的光纤传输技术对于其他应用场合下高速数据传输系统的设计也具有很好的借鉴作用。