一種基于FPGA的高速通信系統(tǒng)研究與設(shè)計

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　2．1 FPGA部分電路設(shè)計

　　系統(tǒng)選用Xilinx公司Spartan3系列的FPGA：S3C500E。它有10 476個邏輯單元，232個I／O，4個時鐘管理模塊(DCM)，存儲器包括360 Kb的塊RAM和73 Kb的離散RAM。所有I／O可以組成92組LVDS差分對，最高輸入輸出速率高到622 Mb／s，所以系統(tǒng)不需要額外的電路實現(xiàn)LVDS接口。DCM模塊可以將輸入時鐘靈活的倍頻或降頻，最高工作頻率達(dá)到311 MHz。以上參數(shù)和性能不僅滿足當(dāng)前的設(shè)計需求，而且為系統(tǒng)的升級保留了充足的設(shè)計余量。FPGA外圍電路包括時鐘部分和配置部分。時鐘使用電路板上的晶振提供，通過GCLK腳與FPGA相連。GCLK是專用時鐘引腳，這個腳的驅(qū)動能力強(qiáng)，到所有邏輯單元的延時基本相同。配置電路采用主動SPI模式。相比其他模式，主動SPI模式的外圍電路簡單、體積小、成本低。而且SPI FLASH的容量大，除了存儲配置文件，還可以存儲其他用戶數(shù)據(jù)。S3C500E的配置文件大小為2 Mb，本系統(tǒng)采用存儲量為16 Mb的M25P16作為配置存儲器。

　　2．2 傳輸部分電路設(shè)計

　　傳輸部分設(shè)計包括選擇同軸電纜和設(shè)計相應(yīng)的發(fā)送接收電路。本系統(tǒng)選用的同軸電纜型號為SVY-50-3，成本低、性能好。這款電纜的特征阻抗為50 Ω，速率150 MHz時信號傳輸100 m的最大衰減為18．01 dB。它具有良好的屏蔽特性，可以在復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作。電纜驅(qū)動電路和接收均衡電路分別選用National Semiconductor公司的芯片CLC005和CLC012。CLC005支持LVDS電平輸入，最高傳輸速率達(dá)到622 Mb／s，輸出信號峰一峰值從O．7～2 V。CLC012可以自動均衡頻率在50～650 MHz的信號。時鐘恢復(fù)器件選用CLC016，它的輸入信號來自CLC-012，輸出時鐘和數(shù)據(jù)接FPGA，恢復(fù)的時鐘在數(shù)據(jù)上升沿有效。CLC005和CLC012用于特征阻抗為75 Ω的傳輸系統(tǒng)，針對本系50 Ω特征阻抗的同軸電纜，需要改動外圍電阻配置，否則會因為阻抗不匹配引起信號反射，最終導(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量下降。相應(yīng)的配置方式如圖2所示。

　　通過測試，此組傳輸器件可以驅(qū)動LVDS信號通過SVY-50-3型號電纜傳輸至少200 m。信號經(jīng)過傳輸后，在電纜末端衰減嚴(yán)重，噪聲和抖動也較嚴(yán)重。此時信號眼圖如圖3所示，可以看出信號質(zhì)量差。直接接收此信號，會產(chǎn)生信號電平誤判，而且信號的抖動將導(dǎo)致后級電路無法正常工作。接收均衡器CLC012自動為信號損耗提供補償后，信號上的噪聲和抖動均得到了改善，信號的眼圖如圖4所示。