基于FPGA的兩級(jí)冗余編碼系統(tǒng)

李圣昆，郝少帥，楊玉華，王淑琴，李 金

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

測(cè)試人員不便直接測(cè)試的極端環(huán)境(如高溫、高空、強(qiáng)磁等)往往需要將測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)降孛娼邮赵O(shè)備。目前常用的傳輸方式包括并行傳輸和串行傳輸。由于數(shù)據(jù)線接口過多，并行總線傳輸方式在電磁干擾較大的環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃韵陆祰?yán)重；串行總線包括PECL、RS422、RS485、HOTLink以及LVDS等。PECL的接口電平邏輯不兼容標(biāo)準(zhǔn)邏輯[1]；傳統(tǒng)的串行通信如RS232、RS422和RS485的傳輸速率太低，不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。相同環(huán)境條件下，LVDS總線相較HOTLink具有更高的傳輸速率和更遠(yuǎn)的傳輸距離，因此采編設(shè)備和地面測(cè)試設(shè)備的通信總線選為L(zhǎng)VDS總線。

LVDS是一種低振幅差分傳輸技術(shù)，由于傳輸電壓僅為350 mV，在沒有任何補(bǔ)償電路的情況下，LVDS信號(hào)僅能在幾米內(nèi)實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸[2]；當(dāng)傳輸距離超過10 m后，傳輸信號(hào)就會(huì)由于電纜損耗等問題，變得無法識(shí)別。當(dāng)下，現(xiàn)有的優(yōu)化方案主要有硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩方面，硬件電路中，添加驅(qū)動(dòng)器和均衡器，LVDS信號(hào)的無誤碼傳輸距離增加到了70 m[3]，但是仍然無法達(dá)到150 m回傳的任務(wù)要求。本文針對(duì)惡劣條件下數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸中可靠性不高的問題，提出了基于FPGA的兩級(jí)冗余編碼系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件優(yōu)化

信號(hào)在電纜中傳輸時(shí)，受到趨膚效應(yīng)以及介質(zhì)損耗的影響會(huì)產(chǎn)生傳輸衰減[4]，趨膚效應(yīng)產(chǎn)生傳輸衰減與傳輸頻率的平方成正比關(guān)系，介質(zhì)損耗產(chǎn)生的衰減與傳輸速率也是正比關(guān)系[5]，電纜過長(zhǎng)和速率變大都會(huì)導(dǎo)致傳輸衰減的增大，衰減過大時(shí)便會(huì)產(chǎn)生誤碼[6]。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無誤碼傳輸，文章通過對(duì)傳輸信號(hào)使用了均衡以及預(yù)加重技術(shù)[7]，補(bǔ)償傳輸過程中的信號(hào)衰減，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

整個(gè)傳輸系統(tǒng)如圖1所示，由采編存儲(chǔ)器、測(cè)試臺(tái)和屏蔽雙絞線組成。采編存儲(chǔ)器將采集到的信號(hào)高速回傳給測(cè)試臺(tái)進(jìn)行處理；測(cè)試臺(tái)接收采編存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送指令控制整個(gè)采集過程；屏蔽雙絞線連接測(cè)試臺(tái)和采編存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of the system

1.1 LVDS發(fā)送接口

LVDS發(fā)送模塊電路如圖2所示，編碼器選用成都振芯公司的GM8223，電纜驅(qū)動(dòng)器選用TI公司的LMH0002，編碼器的傳輸速率最高為到660 Mb/s，而電纜驅(qū)動(dòng)器的速率超過1 Gb/s,都可以實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)娜蝿?wù)要求，發(fā)送模塊工作時(shí)編碼器會(huì)將接收到的時(shí)鐘嵌入數(shù)據(jù)流中，再轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)流發(fā)送至LMH0002，電纜驅(qū)動(dòng)器對(duì)接收到數(shù)據(jù)流信號(hào)進(jìn)行預(yù)加重，把差分輸出電壓拉高到2.5 V后輸出，補(bǔ)償信號(hào)在傳輸時(shí)的衰減，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。

圖2 LVDS發(fā)送模塊電路Fig.2 LVDS transmission module circuit

圖2中590 Ω的R12用來控制驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓為2.5 V。為了降低由于連接器而引起的回波損耗，用電阻和電感構(gòu)建了損耗網(wǎng)絡(luò)[8]。同時(shí)為了降低終端反射引起的信號(hào)衰減，R13和R14用于阻抗匹配。

1.2 LVDS接收接口

LVDS接收模塊電路如圖3所示，解碼器同樣選用成都振芯公司的GM8224，均衡器選用TI公司的LMH0044，解碼器的傳輸速率與編碼器相同，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)接收，接收模塊工作時(shí)均衡器LMH0044會(huì)對(duì)從電纜中接收到的衰減數(shù)據(jù)流進(jìn)行濾波，再通過恢復(fù)電路完成信號(hào)的重建，重建后將串行數(shù)據(jù)流發(fā)送至GM8224進(jìn)行解碼，解碼后恢復(fù)為十位數(shù)據(jù)和一位時(shí)鐘。和發(fā)送模塊相同，R1和R2也是用于用于降低終端發(fā)射阻抗匹配電阻[9]。

圖3 LVDS接收模塊電路Fig.3 LVDS receiving module circuit

2 軟件邏輯優(yōu)化

各種校驗(yàn)碼的糾錯(cuò)能力如表1所示。

表1 校驗(yàn)碼特性表

文章的軟件優(yōu)化采用兩級(jí)冗余編碼的方式，由表1可知，漢明碼加奇偶校和BCH碼加奇偶校驗(yàn)在糾錯(cuò)能力上都大于單一的奇偶校驗(yàn)、漢明碼和BCH碼，但是漢明碼的實(shí)現(xiàn)比BCH碼簡(jiǎn)單，所以文章采用漢明碼校驗(yàn)加偶校驗(yàn)的編碼方式，實(shí)現(xiàn)高糾錯(cuò)編碼[10]。

2.1 一級(jí)冗余編碼

一級(jí)冗余編碼采用一位糾錯(cuò)的漢明碼，該碼不僅算法簡(jiǎn)單，易于硬件電路實(shí)現(xiàn)，而且編碼效率極高，在數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[11]，漢明碼校驗(yàn)流程圖如圖4所示。

圖4 明碼編碼流程圖Fig.4 Flow chart of clear code coding

數(shù)據(jù)傳輸過程中按字節(jié)發(fā)送，所以線性分組碼中(n，k)中的碼長(zhǎng)n為8，為了保證監(jiān)督位可以指示一位錯(cuò)碼的所有可能，監(jiān)督位r必須大于等于3[12]，采集到的有效數(shù)據(jù)都是按字節(jié)存儲(chǔ)傳輸，故信息位k取4，則監(jiān)督位也為4。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，每字節(jié)的有效數(shù)據(jù)都分成高4 bit、低4 bit，然后依次放入分組碼(8,4)編碼模塊進(jìn)行編碼，根據(jù)分組碼構(gòu)造關(guān)系，設(shè)計(jì)冗余位與監(jiān)督關(guān)系，如表2所示。

表2 冗余位與監(jiān)督關(guān)系構(gòu)造表

根據(jù)表2可知，監(jiān)督關(guān)系式為：

S1=D4⊕D6⊕D7⊕D8

(1)

S2=D3⊕D5⊕D7⊕D8

(2)

S3=D2⊕D5⊕D6⊕D8

(3)

S4=D1⊕D5⊕D6⊕D7

(4)

其中，D5、D6、D7、D8為數(shù)據(jù)位，D1、D2、D3、D4為校驗(yàn)位，令S1、S2、S3、S4為0，便可以得到下式：

D1=D5⊕D6⊕D7

(5)

D2=D5⊕D6⊕D8

(6)

D3=D5⊕D7⊕D8

(7)

D4=D6⊕D7⊕D8

(8)

數(shù)據(jù)接收端接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)監(jiān)督關(guān)系式計(jì)算得到校正子S1、S2、S3、S4，若接收數(shù)據(jù)中僅存在一位錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，對(duì)照表3即可完成字內(nèi)糾錯(cuò)[13]。為了提高效率，一位糾錯(cuò)時(shí)，僅對(duì)數(shù)據(jù)位糾錯(cuò)即可。若錯(cuò)誤位數(shù)超過兩位，則漢明碼無法完成糾錯(cuò)，轉(zhuǎn)入二級(jí)冗余碼進(jìn)行糾錯(cuò)。

表3 錯(cuò)碼查詢表

2.2 二級(jí)冗余編碼

數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤大都小于等于1位，一級(jí)編碼就能解決糾錯(cuò)，針對(duì)少部分的多位出錯(cuò)，如果選擇復(fù)雜的校驗(yàn)方式，不僅會(huì)進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行挘視?huì)占用過多的FPGA資源，降低系統(tǒng)工作效率，故二級(jí)校驗(yàn)選用僅占一位校驗(yàn)位的奇偶校驗(yàn)。二級(jí)冗余編碼表如表4所示。

傳統(tǒng)的奇偶校驗(yàn)僅能判斷奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，且不具備糾錯(cuò)功能[14]，然而文章中，處于二級(jí)冗余編碼的奇偶校驗(yàn)，由于已經(jīng)確定了誤碼位置和誤碼個(gè)數(shù)，使得奇偶校驗(yàn)具備了糾錯(cuò)的能力。

表4 二級(jí)冗余編碼表

根據(jù)表4可知，dj 為d1、d2、d3、d4的二級(jí)校驗(yàn)，其中D8J、D7J、D6J、D5J是d1、d2、d3、d4數(shù)據(jù)位的偶校驗(yàn)位，D8J作為D81、D82、D83、D84四位數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位，可以通過異或求得，同理也可求得D7J、D6J、D5J。同時(shí)為了保證四位偶校驗(yàn)在傳輸過程中的準(zhǔn)確性，對(duì)四位偶校驗(yàn)數(shù)據(jù)也同樣進(jìn)行字內(nèi)的一級(jí)冗余編碼。

D8j=D81⊕D82⊕D83⊕D84

(9)

D7j=D71⊕D72⊕D73⊕D74

(10)

D6j=D61⊕D62⊕D63⊕D64

(11)

D5j=D51⊕D52⊕D53⊕D54

(12)

解碼時(shí)，首先進(jìn)行字內(nèi)漢明碼糾錯(cuò)，如果錯(cuò)誤位數(shù)超過兩位時(shí)，就要啟動(dòng)字間的偶校驗(yàn)進(jìn)行二級(jí)糾錯(cuò)，首先需要利用dj內(nèi)的一級(jí)糾錯(cuò)碼對(duì)二級(jí)冗余數(shù)據(jù)先行校驗(yàn)，以防由于檢驗(yàn)碼錯(cuò)誤引起的誤糾現(xiàn)象發(fā)生。例如d1的數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤超過兩位時(shí)，可通過下式進(jìn)行糾錯(cuò)：

D81=D8j⊕D82⊕D83⊕D84

(13)

D71=D7j⊕D72⊕D73⊕D74

(14)

D61=D6j⊕D62⊕D63⊕D64

(15)

D51=D5j⊕D52⊕D53⊕D54

(16)

通過式(9)—式(12)，便可完全恢復(fù)出d1的數(shù)據(jù)位，即實(shí)現(xiàn)對(duì)d1的四位錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)，同理也可對(duì)d2、d3、d4的多位糾錯(cuò)。

當(dāng)兩組內(nèi)多位出錯(cuò)時(shí)，如d1中的D81、D82出錯(cuò)，而d2中的D62、D52出錯(cuò)時(shí)，也可通過偶校驗(yàn)對(duì)d1、d2兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。

兩級(jí)冗余編碼完成后，由于LVDS編譯碼器可對(duì)10位并行數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)化，為了有效利用硬件資源，同時(shí)應(yīng)對(duì)傳輸過程中的碼間干擾，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)流再進(jìn)行直流平衡的8 bit/10 bit編碼。

3 可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證兩級(jí)冗余編碼能否提高數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性，可以先搭建試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)模擬測(cè)試環(huán)境，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試平臺(tái)由地面測(cè)試設(shè)備、電纜網(wǎng)、采編器三部分組成。電纜網(wǎng)主要由240 m的屏蔽雙絞線構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)采編器數(shù)據(jù)的高速回傳。

實(shí)驗(yàn)中，將采編器和電纜置于高低溫箱中，設(shè)置高低溫循環(huán)來模擬溫度環(huán)境，用函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)場(chǎng)源發(fā)生器，產(chǎn)生空間磁場(chǎng)，模擬電磁環(huán)境。數(shù)據(jù)回傳到地面測(cè)試設(shè)備后，利用上位機(jī)嵌入的數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理，分析傳輸過程中是否出現(xiàn)誤碼、丟數(shù)的現(xiàn)象。上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)如圖5所示，其中“EB 90”為數(shù)據(jù)幀尾，“00 0F 9F EA～00 0F 9F F9”是幀計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)是F9～00的自減數(shù)。

對(duì)照表5中的傳輸速率修改FPGA程序，依次測(cè)試每種傳輸速率的平均誤碼率，每個(gè)速率都進(jìn)行60 次測(cè)試，每次測(cè)試傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量約為32 GB，測(cè)試結(jié)果見表5。

圖5 上位機(jī)接收原始數(shù)據(jù)Fig.5 Upper computer receiving original data

表5 兩級(jí)冗余編碼測(cè)試結(jié)果表

根據(jù)表5可得，未進(jìn)行冗余編碼時(shí)，僅憑硬件補(bǔ)償電路，可以使LVDS信號(hào)在240 m雙絞線中以100 Mb/s的速率無誤碼傳輸，隨著傳輸速率的增大，誤碼率會(huì)迅速增大。然而進(jìn)行兩級(jí)冗余編碼后，可以明顯看出傳輸速率不斷增加時(shí)，平均誤碼率仍然為0。

通過對(duì)比兩級(jí)冗余編碼前后的試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在傳輸速率低于100 Mb/s時(shí)，編碼前后的平均誤碼率均為0，即冗余編碼不僅沒有提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕€占用了部分有效帶寬。當(dāng)傳輸速率位于100～600 Mb/s之間時(shí)，兩級(jí)冗余編碼明顯地降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提高了傳輸系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)表5的測(cè)試結(jié)果可知，應(yīng)該根據(jù)傳輸速率和傳輸距離合理選用編碼方式。針對(duì)文章中惡劣環(huán)境中的遠(yuǎn)距離高速的傳輸條件，選用冗余編碼實(shí)現(xiàn)了240 m屏蔽雙絞線上的600 Mb/s的無誤碼傳輸。

4 結(jié)論

本文提出了基于FPGA的兩級(jí)冗余編碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過硬件優(yōu)化和軟件優(yōu)化相結(jié)合的方式，來提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的穩(wěn)定性。在硬件電路中，通過添加驅(qū)動(dòng)器和均衡器，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸能力；在軟件邏輯方面，通過兩級(jí)嵌套編碼，字內(nèi)編碼實(shí)現(xiàn)字內(nèi)的一位糾錯(cuò)，字間編碼實(shí)現(xiàn)字內(nèi)的多位糾錯(cuò)，字內(nèi)糾錯(cuò)和字間糾錯(cuò)相結(jié)合的編碼方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程的糾錯(cuò)。環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果表明，在240 m的雙絞線上，兩級(jí)冗余編碼的傳輸系統(tǒng)可以以600 Mb/s的速率正確傳輸。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備上。