基于Aurora协议的光传输方案验证

('基于Aurora协议的光传输方案验证胡谨贤;张英波;黎仁刚【摘要】以某宽带数字接收机中数据传输方案设计为背景,采用Aurora协议与光纤传输相结合的传输方法弥补了传统光传输方案可扩展性差的特点.通过设计测试程序对该方法的可行性予以验证,并通过实验对协议中所调用高速串口硬核的参数进行合理设置,验证结果表明该方法在传输带宽、线路误码率以及通道传输时延等方面能够达到预先设计指标,为后续工程中的应用奠定了基础.%Inthebackgroundofthebroadbanddigitalreceiverdesign,amethodcombinedopticaltransmissionandAuroraprotocolisintroduced,whichmakesupfortheexpandabledeficiencyoftraditionalopticaltransmissionmethod.Thenaprogramtotestthedesignisdesigned,andlocatestheparameterofGTPproperlyintheexperiment.Theresultofthetestshowsthebandwidthoftransmission,errorcoderatioofeachlaneandthelatencyofchannelofthemethodcouldreachthepresetindex,whichprovidesthefoundationofrealizationinengineering.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)030【总页数】4页(P8038-8041)【关键词】Aurora协议;光传输;高速串口【作者】胡谨贤;张英波;黎仁刚【作者单位】江苏科技大学电子信息学院,镇江212003;中船重工集团723研究所,扬州225001;中船重工集团723研究所,扬州225001;中船重工集团723研究所,扬州225001【正文语种】中文【中图分类】TN241随着电子战数字接收机的瞬时带宽的不断增大，系统接收的数据量呈几何级数增长，传统的数据传输方式已经很难满足不断扩大的数据规模对传输性能的要求。目前，光纤通信在低误码、抗干扰、高带宽方面的优势是传统数据传输方式所不能比拟的，点到点的光纤通信在高速数据采集、远程实时控制等领域有着重要的意义和广阔的应用前景［1］。传统的光传输方案一般都是采用光电转换模块实现光信号与电信号之间转换，再由FPGA或者分立元器件完成信号的串并转换最后送入数据处理模块，该传输方案原理简单，但扩展性较差。采用该方案的系统缺乏信道的初始化与维护功能，更不能有效地支持上层协议，同时光纤路(Lane)数不能扩展，使得单通道(Channel)的传输带宽受限。Aurora协议是Xilinx公司开发的一个免费、开放、可扩展、低成本、高带宽的高速串行链路层协议［2］。它可以支持多路的光纤传输，灵活的扩展光纤链路的数量实现通信带宽的无缝升级。同时，协议自带的信道初始化与时钟校正等功能有效保证了点对点传输的高速数据同步，能有效解决数据传输的瓶颈。本文基本Virtex－5FPGA采用Aurora协议实现双路光纤绑定传输，在验证方案可行性与有效性的同时完成对通道传输时延的测定。1验证方案设计该验证方案硬件系统主要分为两部分:FPGA和SFP(SmallForm－factorPluggable)光模块。其中，FPGA采用Xilinx公司Virtex－5系列的XC5VSX95T实现，主要负责数据的产生发送与接收核对工作;两个SFP光模块完成电信号与光信号之间的转换。受到测试条件的限制，采用单片FPGA完成数据传输与监测，这里将两个RocketIOGTP通用数据法输平台，GeneralDataTransferPlatform)的TX端口发送出的数据通过光纤送回到各自RX端口，同时例化Aurora协议进行通道绑定，形成一个由两路光纤组成的数据自回环式的传输通道。方案的设计框图如图1所示。由于该传输方案即将应用于某宽带数字接收机，所以对数据传输时延有着特殊的要求。为了使得数据传输验证与时延测定同步，数据发生模块采用一个200MHz时钟触发的32位的计数器，连续不断地送出计数值。FPGA内部设计数据监测模块，当该模块接收到数据时，使能内部参考计数器，并将产生的参考数据与接收数据进行比对，模块内部对误码进行计数，并将计数结果送到测试板上的LED上，借此达到数据校验的目的。同时将该时刻发送模块的产生计数值与接收模块的接收值相减，得到计数差值乘以相关时钟周期，达到测试线路延迟的目的。设计中FIFO用来解决两个异步时钟域之间的数据传输的问题。图1方案设计框图2Aurora协议Aurora协议是Xilinx公司针对高速传输开发的一种可裁剪的轻量级链路层协议，可以在相应的器件上通过制定IP核生成。它为物理层上串行连接提供了透明的接口，协议内部封装了与其对应的RocketIO硬核，通过对多个RocketIO的绑定可以实现传输带宽的无缝升级，同时它也可以被上层的自定义或者工业标准协议采用。Aurora协议采用面向连接的通信模式，不仅定义了物理层接口还定义了协议数据单元(ProtocolDataUnit，PDU)的结构，同时协议内部还定义了信道初始化程序、时钟校正程序以及流量控制等内容，但是其中不包含纠错与重传机制。为了满足不同应用的要求，Aurora协议可以支持流(Streaming)和帧(Frame)式两种数据传输模式，以及全双工、单工等数据通信方式。其经典连接功能方案如图2所示。针对数字接收机的数据传输特点以及测试环境，本方案选择全双工的流传输作为数据交互方式，将一个GTPDUALX0Y6中的两个GTP进行绑定，形成一个双路的数据传输通道。为了达到单路光纤3.125Gbps的传输速度，协议参考时钟通过ICS8442频综芯片设定在156.25MHz，单路数据宽度设置为2字节，并采用8B/10B作为传输编码方式保证传输线路的直流平衡(DCBalance)。限于篇幅，协议的详细功能参数设置以及与FIFO的连接方式请参考文献［2，3］。图2Aurora连接功能方案3光传输模块SFP光模块是新一代的光收发器，具有小型化、可热插拔和自动诊断功能［4］。本方案采用最高可支持3.75Gbps传输速率的双LC接口SFP光模块完成光信号的传输，光信号与电信号的之间则采用连接器进行交互，连接器的LOS端口与一个LED相连指示线路的连接状态。SFP光模块的连接器通过PCB走线与FPGA相连，并用安装笼进行固定并减少板间的EMI(电磁干扰)，该模块内部为接收和发送线路提供了交流耦合电容，所以GTP接收端的交流耦合处理可以被旁路，这可以通过设置GTP原语的属性完成(SETRXDCCOUPLE=TRUE)。为了减少PCB布线的难度并提升线路性能，将连接SFP0的传输差分线的“N”端与“P”端反接，可通过GTP内部的极性反转属性的设置来补偿这种差分线接反的“错误”(SETTXPOLARITY0=1)，同样，于此接口对应的接收端极性也必须做出调整。SFP光模块电路原理图设计如图3所示。4方案性能验证通过调用IBERT核及Chipscope统计相关的参数变化可以对线路环境完成测试，不同的预加重与均衡设置可以将误码率控制在系统能接受的范围之内，在此基础上再将所得到的参数设置应用到实际传输方案中完成相应的验证工作。图3SFP光模块原理图4.1通道环境测试这个过程中预加重与均衡的设置是保证通信环境的关键。为了对抗传输路径对高频分量的过分衰减，预加重与均衡都是通过对信号的畸变改善接收信号的质量［6］，只有合适的预加重与均衡比例相配合才能达到改善通信质量的目的，否则反而会恶化通信质量。首先在3%的预加重(TX_Pre－Emphasis=000)，均衡旁路的情况下分别测试两路光纤的信号传输质量，通过IBERT核强制GTP发送31位的伪随机序列，发现lane0的连接状态不稳定，误码率高达1.41E－8，与此同时lane1也处于非理想状态，误码率为3.92E－10。下面在3%预加重的基础上，使能均衡设置，通过比对多种不同的组合，最终将均衡参数设置为RXWB/HPRatio=00、RXWB/HPPoleLoc=1001，通过均衡，传输信号的高频分量相对被增强，低频分量相对被抑制，有效地补偿了传输线路的低通滤波器特性。下面重置IBERT核的误码率统计，发现lane0与lane1的连接状态稳定，线速率达到单路3.125Gb/s的要求，同时lane0误码率降低为5.147×10－12，lane1的误码率为5.146×10－12，达到了设计对线路数据传输速率及误码率的要求，IBERT核测试界面如图4所示。最后将实验所得参数对测试方案中Aurora核所调用的GTP属性进行设置。图4IBERT核测试界面4.2数据传输及通道延时测定整个测试的过程和原理已经在前面详细地描述过，该过程可以通过调用Chipscope进行观察与分析，得到测试结果如图5所示。图5数据传输测试结果从Chipscope抓取的测试结果中可以看出，错误计数器ERR_COUNT的计数值始终为零，验证了设计方案的正确性与可实现性;插值计数器CNT稳定地保持在38，但会周期性地产生一定的抖动，但这并不影响数据传输，这是由于Aurora协议内部的发送时钟补偿序列所造成，由于数据抓取时钟周期设定为6.4ns，所以整个通道时延为243.4ns，可以达到实际应用中对时延要求。5结论本文对应用于某宽带数字接收机中的数据传输方案进行验证，将传统光纤传输与Aurora协议相结合，使得单通道数据传输宽带得以灵活地扩展，并成功地将单通道速率提升到6.25Gbps，误码率控制在10－12量级，通道时延限定在250ns以内，达到了相关设计指标。但是限于实验成本，该验证方案只采用双全工回传数据的验证模式，与实际应用环境存在一定的差距，所以具体参数的设定还需在实际应用中通过实验测得。参考文献【相关文献】1王长清，冀映辉，王维，等.基于PCI－Express和Aurora协议高速光纤通信板卡的实现.微计算机应用，2010;31(1):64—682Virtex－5FPGAAurorav5.2UserGuide1UG353(v5.2).USA，XilinxCorp，June27，20103Aurora_8b10b_protocol_spec_sp002.SP002(v2.2).USA，XilinxCorp，April19，20104武荣伟，苏涛，梁中英.RocketIO在高速数据通信中的应用.通信技术，2010;43(11):9—115闵小平，陆达，洪鸿榕.基于现场可编程门阵列的高速光纤通信的实现.厦门大学学报(自然科学版)，2007;46(4):491—4956李林军，王勇.基于Virtex－5的串行传输系统设计与验证.电子设计应用，2009;(12):43—45',)