基于FPGA的通信信號處理的設計與實現

林芳媛

摘 要：介紹了一種FPGA（現場可編程門陣列）平臺上的通信信號處理方法，該方法具有快捷、簡單、可靠的特點，能夠實現數據的快速處理，具有較強的靈活性與或擴展性，在數據處理與信號處理中的應用前景非常廣闊。本文主要對FPGA信號處理設計的要點及實現方法進行簡單分析。

關鍵詞：FPGA 信號處理 設計 實現

中圖分類號：TN96 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0061-01

一般通信信號處理中，通過各種算法來實現，包含可編程信號處理器或專用DSP芯片等，但是這些處理方法的處理速度相對比較慢，而且需要很多輔助器件來支持。而完全符合要求的芯片需要專門定制，增加的費用，存在一定的風險問題。而采用FPGA能夠對這些問題有效的解決，在不改變外圍電路的情況下，通過內邏輯實現不同電路的功能，而且FPGA具有強大的開發功能，逐步成為復雜數字硬件電路設計中的理想選擇。

1 硬件總體設計

通信卡一般采用的是32位PCI接口，在3.3 V信號環境下與主機進行數據通信，而通信卡之間采用光纖通信，速率能夠達到1.25 Gbit/s。通信卡包含SFP光收發模塊、FPGA、電源模塊、時鐘產生模塊、CPCI接口及ISP配置PROM等。

2 EDK模塊設計

在Virtex-II Pro器件內部構建處理器硬核為中心的計算機應用系統，然后在FPGA內部進行總線架構、地址譯碼、數據存儲、外設接口等，每一個部件都以IP核形式進行連接。

JTAG調試接口在FPGA內部連接JTAG鏈與處理器核，FPGA內各模塊的輸入輸出及復位信號由復位模塊控制；通過OPB總線和PLB總線，處理器與外設IP核連接，OPB-PLB橋將OPB總線和PLB總線連接在一起，實現二者之間的通信；為了將用戶的程序存儲起來，系統采用PLB總線塊RAM，PC機串口之間通過異步收發機（URAT）連接，實現串口之間的通信，除此以外，通信數據還存儲于兩個OPB總線塊BRAM中，其中光纖通信模塊接收的數據存儲于接收存儲器中，而光纖通信模塊待發送的數據存儲于發送存儲器中，兩個RAM都采用雙接口RAM模塊，一端與串行通信模塊連接，一端與OPB總線連接，兩塊RAM內的數據可以通過PCI-OPB橋直接訪問。

PCI-OPB橋的應用方式包含兩種：主橋與從橋方式。作為主橋時，PCI橋對PCI總線完全控制，系統作為主機直接連接到PCI總線，開始對PCI設備進行初始化配置。而作為從橋時，系統通電后，主機對PCI總線及設備進行掃描，然后配置PCI-OPB橋寄存器，完成初始化配置。PCI-OPB橋的操作方式可以通過修改參數來改變。OPB總線地址與PCI總線地址之間的轉換時，PCI橋作為一個設備與總線連接，主機分配器三個緩沖區，通過緩沖區實現對PCI設備的數據傳輸。在PCI-OPB橋上設置地質變換寄存器，一個PCI地址傳輸過來以后，低位地址比便，高位地址被寄存器內地址替換，形成OPB總線側地址，最終對OPB總線上的RAM進行訪問，反之同樣。

3 光纖通信模塊設計

通過對FPGA器件內嵌入RocketIO實現光纖通信，RocketIO是一種成熟的高速串行收發器，具有時鐘數據恢復功能，每一個RocketIO支持多個信道數據傳輸速率，還可以利用通道綁定功能，進行更高速率的傳輸。RocketIO模塊包含物理介質接入層、物理編碼子層，集成了串化器、解串器等功能，還具有可編程能力。

基于Aurora協議及高速串行接口IP核，實現Aurora IP核，該核內嵌RocketIO模塊，在其內部實現了Aurora協議，提供靈活的用戶接口。在對該IP核進行使用的時候，用戶可以將復雜的結構轉換為簡單用戶接口，實現數據的收發。Aurora IP核包含NFC流控制、LocalLink接口、時鐘輸入、時鐘修正、UFC流控制、狀態控制、RocketIO收發器等基本構造。其中，LocalLink接口實現了幀方式與流方式傳輸；時鐘輸入與修正為該核提供必需的時鐘及修正功能，防止時鐘誤差造成傳輸錯誤；NFC流控制實現鏈路層傳輸的流控制；狀態信息是對該核的工作狀態進行顯示，控制信息能夠對該核進行控制。

兩個存儲器主要滿足數據的存儲要求，實現對收發數據的讀寫。狀態機是對兩個存儲器之間狀態轉換的設備，其轉換過程如圖1所示。Aurora核的主要功能是對待發送數據進行封裝為數據包以后通過RocketIO發送出去。兩臺主機進行通信時，包含接收數據與發送數據這兩個過程，數據傳輸時，接收與發送存儲器具有數據緩沖區的功能。

4 結語

文章主要針對FPGA內部嵌入RocketIO與Aurora核實現光纖通信信號處理的設計方法，并通過對EDK集成開發工具的應用，以及FPGA內嵌PC機的方式，生成整個系統，由于芯片具有可編程的特點，在以后的開發過程中，可以根據數據處理過程中，根據不同的設計要求，來選擇不同的軟件及硬件實現方案，表明了系統的具有較高的靈活性，在實踐應用中，是一種處理信號快速、使用的方法。

參考文獻

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