利用FPGA设计高速通信系统的原理及实现

　　0 引言

　　远程通信系统和远程监控系统对信号传输有两方面的要求：一方面要求接口灵活且有较高的数据传输带宽；另一方面要求系统的传输距离远。传统接口如UART，USB，以太网等在传输带宽和传输距离上均无法满足要求。

　　低压差分信号(LVDS)是一种低摆幅的差分信号技术。LVDS的恒流源模式及低摆幅输出使传输速度可以从数百Mb／s到2 Gb／s以上。差分传输方式使LVDS信号对共模输入噪声有更强的抵抗能力。LVDS技术功耗低，100Ω的负载电阻功耗仅有1．2 mW。这些特点使得LVDS技术广泛应用在许多要求高速度与低功耗的领域。

　　随着半导体工艺进步，现场可编程逻辑阵列(FPGA)的性能和集成度在不断提高，同时成本在下降。FPGA片内资源丰富且灵活性强。通过配置逻辑资源和I／O，可以生成支持各种标准的接口，适合完成接口间的通信工作。FPGA的可重构性使相同的硬件环境可以实现不同的功能，节约了系统升级和更改的成本。

　　1 系统构成及原理

　　高速数据传输系统的原理框图如图1所示。整个系统由发送板、接收板和传输线三部分组成。

　　发送板主要由接口电路、FPGA和电缆驱动电路组成，完成的功能是将输入的各种信号转换为串行数据帧通过传输链路进行传输。接收板主要由接收均衡电路、时钟恢复电路、FPGA和接口电路组成，实现将串行数据帧接收并恢复成原始信号的功能。传输线选用同轴电缆。与双绞线相比同轴电缆的抗干扰能力强、传输距离远，与光缆相比同轴电缆的成本低。同轴电缆适合本系统这种传输速率低于200 Mb／s，传输距离小于300 m的应用场合。

　　系统的输入信号包括串口信号、网络信号和并行视频信号等。分别选用MAX232，RTL8201，SN74LVC4245等芯片组成接口电路，将输入信号转换为FPGA支持的LVTTL／LVCMOS电平信号，起到保护器件和增加信号驱动能力的作用。

　　接收板FPGA首先完成系统输入信号的接收工作，再将异步时钟域的信号转换到统一的系统时钟下，接下来将信号并串转换并添加起始位、停止位和校验位组成特定的帧格式，然后对其进行8 B／10 B编码，最后通过差分I／O以LVDS电平输出。接收板FPGA接收到串行信号后将信号解码、解帧，抽取出原始数据进行恢复，最后通过相应的I／O将恢复后的信号输出给各接口。

　　从FPGA直接输出的LVDS信号在100 Mb／s传输速率下传输距离不足10 m，需要使用电缆驱动电路增加LVDS信号的驱动能力，同时使用接收均衡电路补偿通过电缆传输后衰减的信号，达到加强系统长距离传送能力的目的。

　　如果使用1根同轴电缆传输时钟，其余传输数据，会因为无法保证这些电缆严格等长导致接收数据的建立时间和保持时间无法满足后级电路的要求。另一方面，经过传输后时钟信号的Jitter会增加，使FPGA内部的PLL无法锁定时钟。本系统电缆上传输的都是数据信号，接收端同步时钟通过时钟恢复电路从串行数据中还原。