基于FPGA和LVDS技術的光纜傳輸技術

2 LVDS簡介
低電壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling，簡稱LVDS)是一種適應高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ命c對點物理接口技術。它采用低擺幅差分信號技術，使其信號能在差分PCB線對兒或平衡電纜上以幾百Mb／s的速度傳輸．其低擺幅和低電流驅(qū)動輸出實現(xiàn)低噪聲和低功耗。
每個點到點連接的差分對兒由驅(qū)動器、互連器和接收器組成。驅(qū)動器和接收器主要完成TTL信號和LVDS信號之間的轉(zhuǎn)換?；ミB器包含電纜、PCB上差分線對兒以及匹配電阻。LVDS驅(qū)動器由一個驅(qū)動差分線對兒的電流源組成，LVDS接收器具有高輸入阻抗，因此驅(qū)動器輸出的電流大部分都流經(jīng)100Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生約350 mV的電壓。當驅(qū)動器翻轉(zhuǎn)將改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯1和邏輯O的低擺幅驅(qū)動信號實現(xiàn)高速操作并減小功耗，差分信號提供適當噪聲邊緣。不管使用的是PCB線對兒還是電纜，都必須防止反射，減少電磁干擾。LVDS要求使用一只與介質(zhì)相匹配的終端電阻，應將其盡可能地靠近接收器放置。LVDS接收器可以承受1 V的驅(qū)動器與接收器間對接地的電壓差。由于LVDS驅(qū)動器典型的偏置電壓為1．2 V，所以其電壓差驅(qū)動器典型的偏置電壓以及輕度耦合噪聲之和范圍為0．2～2．2 V。建議接收器的輸入電壓范圍為0～2．4 V。

3 總體設計方案
系統(tǒng)設計要求傳輸速度應在1~16 Mb／s自動適應，傳輸距離不小于300 m，且必須與其他系統(tǒng)電磁隔離，避免電磁干擾。因此，該系統(tǒng)設計采用集成的LVDS接口器件DS92LVl021，其數(shù)據(jù)傳輸速度是16～40 Mb／s，10位數(shù)據(jù)位。而CLC001，CLC012為專用長線電纜驅(qū)動器，與光模塊相結(jié)合可將傳輸距離擴展2 km，且外部電路簡單，功耗低。FPGA選用Spartan一2系列器件，其最高工作速度為200 MHz，邏輯宏單元豐富，滿足系統(tǒng)設計要求。因此，該系統(tǒng)設計選用LVDS接口器件實現(xiàn)LVDS長線傳輸，而記錄器、測試臺和LVDS器件接口的時序匹配則選用FPGA實現(xiàn)。
圖1為系統(tǒng)設計的框圖，測試臺發(fā)送的STATE、CTLl、CTL2等狀態(tài)及控制信號傳送至記錄器，并將記錄器發(fā)送的數(shù)據(jù)及同步時鐘傳送至地面測試臺。其中，記錄器、LVDS發(fā)送端、LVDS接收端的電源均由測試臺提供，電壓為+9 V。

LVDS長線傳輸模塊分為LVDS發(fā)送電路和LVDS接收電路。LVDS發(fā)送電路將從記錄器接收到的并行數(shù)據(jù)進行速度匹配后轉(zhuǎn)換成LVDS串行數(shù)據(jù)流，并通過雙絞線發(fā)送。LVDS接收電路將接收到的LVDS串行數(shù)據(jù)流還原成并行數(shù)據(jù)進行速度匹配后送至測試臺。

4 硬件設計
該系統(tǒng)設計的關鍵部分為LVDS的接口設計，由于傳輸數(shù)據(jù)速度很高，因此應按照高速電路的要求進行設計，所有布線應盡量短，傳輸線路阻抗匹配。傳輸模塊發(fā)送端工作時首先由FPGA給DS92LV1021的使能端DEN及TCLK-R／F觸發(fā)沿選擇高電平，并向TCLK引腳輸出20 MHz的工作時鐘，接著DS92LV1021將從FPGA處接收到的TTL并行信號轉(zhuǎn)換為LVDS標準的串行信號，再由Do一及Do+輸出至CLC001驅(qū)動器，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后，由光纜傳輸至接收板電路，并由接收電路的光電轉(zhuǎn)換器送至CLC012，從而補償已衰減的信號，再由DS92LV1212解串器還原出10位并行數(shù)據(jù)及l(fā)位時鐘位。圖2為發(fā)送電路原理圖。

傳輸模塊接收端主要由CLC012均衡器及DS92LV1212解串器組成。DS92LV1212的D00~D09將還原出的并行數(shù)據(jù)輸出，RCLK為還原出的同步時鐘，REFCLK為解串器的工作時鐘，由FPGA給出。

5 軟件設計
系統(tǒng)上電后，測試臺先向采編器發(fā)出讀數(shù)命令，采編器接到命令后，以l Mb／s的速度輸出8位并行數(shù)據(jù)，而LVDS傳輸器件最低工作速度為16 Mb／s，為了實現(xiàn)速度匹配與自適應，該系統(tǒng)設計采用了Soatan-2E型FPGA內(nèi)部雙口RAM實現(xiàn)FIFO，其時鐘最高工作頻率為200 MHz，滿足要求，當采編器以1 M b／s速度輸出數(shù)據(jù)時，首先進入FPGA內(nèi)部FIFO，F(xiàn)PGA內(nèi)部對數(shù)據(jù)計數(shù)，當存滿512個數(shù)后，F(xiàn)PGA以20 Mb／s的速度輸出8位并行數(shù)據(jù)，為了保證DS92LVl021一直處于工作狀態(tài)，F(xiàn)PGA在兩次發(fā)送數(shù)據(jù)的間歇所輸出的無效數(shù)，有效數(shù)和無效數(shù)通過LVDS傳輸器件的lO位數(shù)據(jù)位的高2位數(shù)據(jù)位作為標志位進行區(qū)分，在接收端FPGA通過判斷標志位來識別有效數(shù)或無效數(shù)，舍棄無效數(shù)，保證數(shù)據(jù)正確傳輸。FPGA在整個系統(tǒng)中起數(shù)據(jù)緩沖作用，由于采用FIFO作為外部數(shù)據(jù)接口，所以可實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的自適應要求。整個程序用VHDL語言編寫，流程圖如圖3所示。