基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现

学士学位论文基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现学生姓名：叶园园学院：信息工程学院专业、班级：电信092班指导教师：韩睿大连大学Dalianuniversity基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现总计：毕业论文50页表格6表插图33幅指导教师：韩睿评阅人：刘春玲完成日期：2013年6月4日基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现I摘要近年来，随着信息化建设的迅猛发展，网络流量日益增大，用户对通信网络的带宽和速率需求也快速增长。然而，高速通信网络处理系统的板级互连带宽已达到了G比特速率级，这使得实时通讯系统中的板间互联和芯片间传输逐步成为影响通信系统处理高速数据的一个瓶颈。此外，并行传输技术由于时钟抖动和偏移，以及PCB布线的困难，使得传输速率的进一步提升面临设计的极限。目前，高速串行通信技术凭借其带宽大、抗干扰性强和接口简单等优势，正迅速取代传统的并行技术，成为业界的主流，从而为加快基于高速串行技术的光纤通信的发展奠定了基础。本文主要提出了基于FPGA的光纤传输系统的总体设计方案并且通过时序仿真和功能测试验证了该设计方案的可行性。本文首先介绍了光纤传输系统的国内外研究现状以及发展趋势；其次，详细阐述了光纤传输系统物理层和数据链路层的工作原理，同时设计并分析了传输协议；紧接着，通过TOP-DOWN的设计方法，采用VHDL硬件描述语言编写各层功能模块程序；然后，在FPGA平台上实现了高速数据的收发功能；最后，通过时序仿真和功能测试验证了光纤传输系统数据收发的正确性。关键词：光纤通信；FPGA；高速串行传输基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现IIABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentofinformationtechnology,networktrafficisincreasing,andtherequirementsofthecommunicationnetwork’sbandwidthandspeedarealsogrowingrapidly.However,theboard-levelinterconnectbandwidthofhighspeedcommunicationnetworkprocessingsystemhasreachedtheGbitratelevel,whichmakesthetransmissionbetweentheboardsandchipinterconnectionofthereal-timecommunicationsystemgraduallybecomeabottleneckofthecommunicationsysteminhigh-speeddataprocessing.Inaddition,becauseoftheclockjitterandoffset,andthedifficultyofPCBlayout,thetransmissionrateoftheparalleltransmissiontechnologyislimitedtodevelopfurther.Currently,high-speedserialcommunicationstechnology,withitslargebandwidth,stronganti-interference,simpleinterfacesandotheradvantages,israpidlyreplacingofthetraditionalparalleltechnologytobecometheindustrymainstream,soastospeeduptolayfoundationstodevelopthehigh-speedserialtechnology-basedfiberopticcommunication.ThispaperpresentedaoveralldesignschemeoftheFPGA-basedopticalfibertransmissionsystemandusedtimingsimulationsandfunctionaltestingtoverifythefeasibilityofthedesign.Firstly,thispaperintroducedtheopticalfibertransmissionsystemresearchstatusandthedevelopmenttrends.Secondly,theworksoftheopticalfibertransmissionsystemphysicallayeranddatalinklayerareelaborated.Thenthispaperdesignedandanalyzedthetransportprotocol.Followed,theTOP-DOWNdesignmethodisusedtoprogramthefunctionsofeachmoduleprogrambyVHDLhardwaredescriptionlanguage.Then,thehigh-speeddatatransmissionandreceptionfunctionsareachievedintheFPGAplatform.Finally,thispapervalidatedthecorrectnessofthedatatransceiveropticalfibertransmissionsystembytimingsimulationsandfunctionaltesting.Keywords：Opticfibercommunication；FPGA；High-speedserialtransmission基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现III目录摘要..............................................................IABSTRACT..........................................................II目录.............................................................III1.绪论.............................................................11.1研究背景及意义.............................................11.2国内外研究现状及发展趋势...................................11.2.1国外研究现状及发展趋势...............................11.2.2国内研究现状及发展趋势...............................21.3本文主要研究工作...........................................32.光纤传输系统工作原理.............................................42.1系统功能...................................................42.2体系结构...................................................42.2.1物理层...............................................52.2.2数据链路层...........................................72.3协议设计...................................................82.4小结......................................................103.光纤传输系统的设计与现实........................................113.1系统总体设计方案..........................................113.2硬件电路设计..............................................113.2.1FPGA的选择........................................123.2.2光纤模块SFP接口设计...............................133.2.3滤波电路设计.........................................143.3各功能模块设计方案........................................153.3.1RocketIO定制.......................................153.3.2发送端设计..........................................193.3.3接收端设计..........................................203.4小结......................................................21基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现IV4.光纤传输系统的仿真与验证.......................................224.1仿真环境.................................................224.2硬核模块仿真.............................................224.3发送端仿真...............................................234.4接收端仿真...............................................254.5功能验证.................................................264.6小结.....................................................27结论..............................................................28参考文献..........................................................29附录1外文文献翻译...............................................30附录2外文文献原文...............................................34附录3部分程序源代码.............................................35致谢............................................................41大连大学学位论文版权使用授权书....................................42基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现11.绪论1.1研究背景及意义近年来，随着信息化建设的迅猛发展，用户对通信网络的带宽和速率需求快速增长，在实时通讯系统中对板间互联和芯片间传输逐步成为影响系统性能的一个瓶颈，这大大加快了光纤通信的发展。并行传输技术由于时钟抖动和偏移，以及PCB布线的困难，使得传输速率的进一步提升面临设计的极限；而高速串行通信技术凭借其带宽大、抗干扰