摘要：多路信號的光纖傳輸在新型產(chǎn)品的研制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，文章首先介紹了基于FPGA的雙向多路信號光纖傳輸組件的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了光纖傳輸組件的硬件結(jié)構(gòu)和基于FPGA的軟件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了光驅(qū)動電路和光接收電路，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙向多路信號光纖傳輸組件設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：光纖傳輸；多路信號；單纖雙向；FPGA

0 引言
    隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，光纖通信在產(chǎn)品研制與應(yīng)用中的作用日益彰顯，某新型產(chǎn)品的研制需要傳輸大量的信號，這些信號不僅包括模擬檢測信號，還包括數(shù)字檢測信號及速率不同的普通控制信號和高速控制信號。傳輸這些信號若采用電纜通信，一方面需要使用大量的電纜，將使系統(tǒng)存在體積大、重量重的缺點(diǎn)，另一方面不同種類不同速率的信號采用電纜通信，存在信號之間干擾嚴(yán)重、信號失真較大、通信距離嚴(yán)重受限的不足。這樣的不足將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能。為克服電纜通信的不足，本文介紹了一種采用光纖通信的傳輸方式，不僅實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)雜信號的傳輸而且采用一根光纖實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

1 工作原理及分析
    雙向多路信號光纖傳輸組件可分為現(xiàn)場端、控制端和傳輸光纖三部分?，F(xiàn)場端傳輸2路電壓信號和6路數(shù)據(jù)信號至控制端，同時(shí)要求控制端傳輸2路脈沖信號和6路數(shù)據(jù)信號至現(xiàn)場端。雙向多路信號光纖傳輸組件的原理框圖如圖1所示。

    在圖1中，現(xiàn)場端和控制端均采用FPGA作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，現(xiàn)場端和控制端所有外部輸入的發(fā)送信號均通過FPGA處理后變成一路電信號，該電信號經(jīng)光模塊進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換變?yōu)楣庑盘柦?jīng)光纖實(shí)現(xiàn)傳輸，接收部分則由光模塊將光信號變?yōu)殡娦盘柦?jīng)FPGA處理后輸出。對于不同信號處理的方式不同，2路電壓信號在現(xiàn)場端經(jīng)AD采樣后進(jìn)入FPGA處理，通過光纖傳輸至控制端，再經(jīng)DA變換后輸出。由于FPGA外圍端口的工作電源為3．3V，其輸入端口兼容5V電平，2路5V TTL脈沖信號在控制端可直接進(jìn)入FPGA處理，通過光纖傳輸至現(xiàn)場端；在現(xiàn)場端則由FPGA處理后變?yōu)?．3V TTL脈沖信號，再利用電平轉(zhuǎn)換芯片變換為5V TTL脈沖信號輸出。對于數(shù)據(jù)信號的傳輸，控制端和現(xiàn)場端各有6路輸入的數(shù)據(jù)信號和6路輸出的數(shù)據(jù)信號。與前面脈沖信號類似，對于FPGA是輸入的數(shù)據(jù)信號而言，可直接相連，無需電平轉(zhuǎn)換；對于FPGA是輸出的數(shù)據(jù)信號，則需要增加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以便提高輸出信號的電平實(shí)現(xiàn)5V信號的傳輸。

2 系統(tǒng)介紹及設(shè)計(jì)
2．1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    在介紹雙向多路信號光纖傳輸組件工作原理的基礎(chǔ)上，本節(jié)將介紹組件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)?；贔PGA設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    在圖2中，當(dāng)現(xiàn)場端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，2路電壓信號通過運(yùn)放調(diào)理電路連接到AD芯片的輸入端。由于AD芯片采用3．3V供電，AD芯片與FPGA之間可直接相連無需任何電平轉(zhuǎn)換，二者之間通信方式為SPI。2路AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與6路數(shù)據(jù)信號一起送入FPGA進(jìn)行編碼校驗(yàn)等技術(shù)處理之后經(jīng)串化／解串器變換為一路高速數(shù)據(jù)，該高速數(shù)據(jù)送給光模塊將電信號變換為光信號；當(dāng)現(xiàn)場端接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過光模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號是一路高速信號，該高速信號通過串化／解串器變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)信號送給FPGA進(jìn)行解碼、校驗(yàn)及相應(yīng)信號處理后輸出所需的信號。控制端發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)與現(xiàn)場端類似，不再贅述。
2．2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本小節(jié)介紹軟件設(shè)計(jì)思路及涉及到的主要技術(shù)。設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    由圖3可知，軟件結(jié)構(gòu)主要包括成幀／解幀、CRC校驗(yàn)、8B／10B編解碼、優(yōu)先選擇與控制、輸入輸出緩存等。成幀／解幀實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的封裝／解封裝，用于信源編碼，本設(shè)計(jì)采用CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))的目的是減少誤碼率，提高通信質(zhì)量，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由生成多項(xiàng)式計(jì)算出CRC值并隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收端，接收端對收到的數(shù)據(jù)重新計(jì)算CRC并與收到的CRC相比較，若兩個(gè)CRC值不同，則說明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)錯(cuò)誤。8B／10B編碼／解碼用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在光纖上的最優(yōu)傳輸。8B／10B編碼將8 bit代碼組合編碼成10 bit代碼，代碼組合包括256個(gè)數(shù)據(jù)字符編碼和12個(gè)控制字符編碼。通過仔細(xì)選擇編碼方法可以獲得不同的優(yōu)化特性。這些特性包括滿足串行／解串行器功能所必須的變換；確保“0”碼元與“1”碼元個(gè)數(shù)一致，又稱為直流均衡，確保字節(jié)同步，以及對誤碼率有足夠的容忍能等。本組件8B／10B編碼可分為3B／4B和5B／6B進(jìn)行編碼。解碼部分依照編碼時(shí)相同的方法將10位數(shù)據(jù)分為4B和6B分別解碼，程序以483B、685B分別查表的方式實(shí)現(xiàn)解碼。解碼后再按順序組合成8位數(shù)據(jù)。由于要實(shí)現(xiàn)多路信號傳輸以及光纖信號的雙向傳輸，采用一些緩存與控制邏輯用于協(xié)調(diào)并控制各模塊的工作。優(yōu)先選擇與控制的作用是將確立脈沖、數(shù)據(jù)和電壓三種信號傳輸?shù)膬?yōu)先級，本組件設(shè)定優(yōu)先級為脈沖信號第一，其次為數(shù)據(jù)信號，最后是電壓信號。只要檢測到脈沖信號的高電平跳變，便根據(jù)優(yōu)先選擇和控制模塊，中斷當(dāng)前的光纖傳輸數(shù)據(jù)，對其脈沖信號立即進(jìn)行傳送和接收。同樣在控制端也根據(jù)優(yōu)先原則，將脈沖信號在第一時(shí)間內(nèi)通過FPGA傳輸出去，當(dāng)脈沖信號傳送完畢后，再處理其他信號的傳輸。

3 電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)
3．1 主要電路設(shè)計(jì)
    本節(jié)將介紹主要電路的設(shè)計(jì)，包括光驅(qū)動電路設(shè)計(jì)和光檢測電路設(shè)計(jì)。
    光驅(qū)動電路用于將電信號轉(zhuǎn)換為光信號以便通過光纖實(shí)現(xiàn)傳輸，設(shè)計(jì)的光驅(qū)動電路如圖4所示。

    在圖4中，U1是工作電壓為3．3V帶有自動功率控制的激光驅(qū)動器，能將輸入的PECL信號轉(zhuǎn)換為激光器工作需要的TTL信號，BIAS是激光器的偏置電流輸出腳、BIASMAX用來設(shè)置激光器的最大偏置電流，用于保護(hù)激光器免遭過電流燒壞；MODSET用來設(shè)置調(diào)制信號的電流，通過設(shè)置APCSET到地的電阻可以得到需要的平均光功率，MD用于監(jiān)測流過探測器的電流，將檢測到的電流作為反饋量送給激光驅(qū)動器用來調(diào)節(jié)偏置電流的大小。
    電信號經(jīng)光驅(qū)動電路變換為光信號就可通過光纖實(shí)現(xiàn)傳輸，光接收電路用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，典型的光接收電路主要包括光探測器、跨阻放大器(TIA)和限幅放大器(LA)。雙向多路信號光纖傳輸組件采用的光接收電路如圖5所示。

    圖5探測器選用APD型光探測器，用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)探測器轉(zhuǎn)換得到的電信號是微弱信號，需要通過跨阻放大器轉(zhuǎn)換為一定幅值的電壓信號，圖5中U2就是實(shí)現(xiàn)這樣的功能。圖5中U3是限幅放大器，其作用是限制上升沿、下降沿過沖，并放大信號以利于后續(xù)處理。
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    雙向多路信號光纖傳輸組件的技術(shù)指標(biāo)要求：2路電壓信號輸入0～5V DC，誤差小于20mV；2路脈沖信號寬度1～200 μs，占空比20％，傳輸延時(shí)小于50ns；6路數(shù)據(jù)信號5V TTL，傳輸延時(shí)小于50 μs。針對技術(shù)指標(biāo)，做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
    2路電壓和2路脈沖信號實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

    對每路電壓進(jìn)行5組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由表1可知，輸出電壓與輸入電壓的偏差最大2mV，誤差不大于0．2％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)誤差20mV的要求。對2路脈沖信號進(jìn)行了固定占空比，脈沖寬度不同、頻率可變的3組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

    由表2可知，對于不阿頻率不同脈沖寬度的固定占空比信號，輸出脈沖寬度的變化最大為0．03 μs，輸入信號的頻率不影響脈沖的展寬，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標(biāo)脈沖延時(shí)小于50ns的要求。6路數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)傳輸延時(shí)45 μs，滿足技術(shù)指標(biāo)傳輸延時(shí)小于50 μs的要求，鑒于篇幅原因，不再詳述。

4 結(jié)論
    光纖通信由于具有通信容量大、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在武器裝備中得到了廣泛應(yīng)用，本文介紹了一種可傳輸多路復(fù)雜信號的光纖傳輸組件，介紹了多路光纖傳輸組件的工作原理，給出了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，本文介紹的硬件結(jié)構(gòu)為其他多路信號光纖傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義，基于FPGA的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為FPGA在光纖傳輸中的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，證實(shí)了多路信號光纖傳輸組件設(shè)計(jì)的正確性。