论文研究-基于V5的3.125G串行传输系统的设计与验证 .pdf

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基于V5的3.125G串行传输系统的设计与验证,李林军,,本文基于XILINX公司的VIRTEX-5系列FPGA(SX95T)设计了一个串行传输系统,对其传输链路进行了仿真和理论分析,实际验证了该系统能在标准A
巾国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 吋钟的最大均方根抖动( RMS Jitter小于550s,占空比为50%,输出吋钟电平标准具有LVDS 和 LVPECL两种,其输出时钟的频率可以灵活编程设置从而可以满足不同传输速率的要求 使本系统可以适应多种串行传输协议的实现。 24预去加重和均衡参数设计 对于长距离背板传输,由于传输信道的低通特性,高频分量被大幅衰减,造成信号严亘 失真。为了对抗传输路径对高频分量的过多衰减,有必要在发送端进行预加重或者在接收端 加上均衡或者同时使用两种手段。V5的GTP单儿集成了发送预去加重和接受均衡电路,其 中发送预去加重是通过减少不翻转BIT位的幅值来实现的,均衡为线性均衡,通过一个高 通滤波器来控制高频和低频分量的比例来达到均衡效果。预去加重和线性均衡都是通过对信 号的畸变来改善接收信号的质量,只有合适的预去加重和线性均衡的比例以及两者之间的组 合才能达到改善接收信号质量的目的,否则反而会恶化接收信号的质量。为了找到合适的参 数设置,本文利用GTP的SPCE模型以及串行传输信道的S参数模型对在不同预去加重 和均衡参数设置下的串行链跻传输质量进行仿真,从而找出合适的参数设置。 图3即为在不同发送预去加重比重设置下的仿真结果图。不同的预去加重比例指的是连 续发送相冋逻辑bit时,第1个bit(翻转bit)后的所有bit位(即不翻转bit)的电平相对于 第Ibit位电平的减少量。图3中间部分显示的是连续3个高电平比特的发送波形,很明显, 后面两个高电平bit的幅值随预去加重的比例相应地降低了。另外,图中同一个逻辑位里的 信号电平并不平坦,造成这种现象的原因主要是信号传输链路上的阻抗不匹配处引起的发射 造成的,例如ATCA单板与ATCA背板的接插件连接处 图3不同孩去加重比例下的发送信号 Fig 3 transmitting signals with different predeemphasis ratio 图4给出的是GTP在不同参数设置下接收线号的眼图。其中第1个了图为在发送端木 施加预去加重的情况下,接收端FPGA管脚上的信号眼图。可见,长距离的传输严重恶化了 巾国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 信号的质量,信号眼图趋于闭合;第2个了图为在发送端施加23%的预去加重时,接收端 FPGA管脚上的信号眼图。预去加重一定程度上弥补了传输信道的低通特性,降低了信号的 JITTER,改善了信号的质量。第3个子图为发送端未施加预去加重而在收端施加25%的均 衡,即把75%的原始信号加上25%的高通滤波器的输出作为总的接收信号。如同预去加重 样,通过均衡,晑频分量相对被增强,低频分量相对被抑制,有效地补偿了信道的不坦想 性。第4个子图为在4.5%的预去加重和25%均衡同时作用时得到的接收信号。可见,预去 加重和均衡的有效搭配可以很好地改落原本被严重恶化的传输信号。通过仿真我们得到了在 该信道环境下合适的预去加重和均衡的参数 的23%npkE 1111.111,谌11 11111111匹1 Gn.25n 向45PP器 11m11g1m!11m1m1.r P1I11:1r EUT7 11T Imar 图4预去加重和均衡对接收信与的影响 Fig4 the effect of pre-emphasis and equalization on receiving signal ls 3.验证与结果讨论 对本系统的性能测试主要通过两种方式进行:一是采集收发端信号眼图并将其与接收器 的波罩( EYE MASK)进行比较;二是测试串行传输的误码率(BERT: bit error ratio test) 接收器的 EYE MASK形象地反映了接收器的灵敏度和动态范围,只有处于接收区域內 的信号才能被接收器止确识别,否则采样判决后得到的将是误码。V5中GTP单元的最小 EYE为(12ps,150mV),其中112ps表示的最小眼宽( EYE WIDTH,150m给出的是最 小眼高( EYE HEIGHT)。图5给出了在靠近FPGA发送管脚和接收管脚处测得的串行传输 收发两端的信号。其中子图1和子图2分别为在未施加预去加重情形下的发送和接收信号眼 图,了图3和了图4是在施加发送端施加42%的预去加重时的发送和接收信号眼图。可以 看出,在该测试信道环境下,正常发送信号到达接收端时已经被大幅衰减和畸变,哏宽仅为 96ps,眼高仅为70.5mV,均不满足GTP所要求的(112p,150mV)。如果不考虑芯片内部的 均衡器,该接收信号将伓能被正确识別。相反,如果在发送端増加预去加亘,则能有效地对 巾国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 抗信道的不理想性,定程度上降低接收处信号的抖动( JItter),使眼图睁开达到 (2llps,l9lmV)。这一实测结果与之前的仿真和理论分析一致。 cOmm C2 4-4-4+4++4+ 融監= EOCm COmm d19094358nm190 图5实测串行信号眼图 Fig5 probed eye pattern of the serial signal 用眼图测试的方法可以直接地观测链路上传输信号的质量,拥有直观形象的突出优点。 但是,眼图测试法也有很大的局限性。首先,用示波器只能测到链路上或FPGA管脚上的信 号而测不到芯片内部的信号,比如说通过内部均衡器后的信号。这就无法测试均衡的效果。 另外,用眼图来判定是否能正确进行传输是不准确的,特別是对于临界状态时更是如此。基 于以上考虑,我们用误码率测试的方法进一步对该串行传输系统进行准确地测试。 XILINX提供了一个专门用于误码率测试的工具 IBerT,如图6所示,其基本原理是 在发端发送一个伪随杋序列(如PRBS⑦),接收端接收到序列后再与同一伪随机序列进行校 对并记录校对结果。利用这个上具可以动态调整GTP的参数设置并测山相应的传输误码率。 传输误码率的计算如下面公式所示: BER=Coer /Citl (1) 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn P RX SEttings RXCUTIKDCN Staus OCHI RXTHrinralin VillagH 2)3 AVTRK- Ext Resistors(C000. ReSampling Poirt -c4h 04U BERT Settings T/ Data Patter PRBS 7-bit Bit error atio RX Bit Error - ount 图6误码率测试 Fig6 the test of BeR 通过 IBERT工具可以得到本系统在不同预去加重和均衡参数设置下的无误码 (BER<1E-12)米样区间,如表1所小。 表1无误码采样区间(单位:1/18U) Tab. I No error sample window EQ ratio/PRE ratio 0% 4% 52% 0% 0 0 0 50% 28 625% 27 42 42 4.结语 通过仿真和理论分析以及实际的测试验证,本文给出了一种基于Ⅴ irtex-5的串行传输系 统的设计和验证方案,实现了远距离的3.125Gbps串行传输 参考文献 [1 Howard Johnson, Martin Graham High-Spccd Signal Propagation: Advanccd Black Magic [M]. Ncw York Prentice Hall PTR, Feb 2004 [2]沈立,朱来文,陈宏伟.《高速数字设汁》[M,北京:电子工业出版社,2007.1. 3张凯.《 Power logic& Power p(B高速电路设计》M」,北京:国防业出版社20049 「41 Sam fuller.《 RAPIDIO嵌入式系统互连》「M1,北京:电子工业出版社2006,6 [5]顾海洲,马双武.《PCB电磁兼容技术: EMC for PcB》[M],北京:清华大学出版社2005.9 [6] Jeff munch.《PlMG3.0规范一先进的通信汁算机架构》[M],北京:通讯世界,2003.8 巾国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn The design of 3. 125Gbps serial transmission system based on v5 Li Linjun Department of Communication and Information system, Beij ing university of posts and telecommunications Bcijing, (100876) Abstract This paper gives a solution of a serial transmission system with a transmission rate of 3. 125 Gbps bascd on X ILINX's Virtcx-5 FPG A(ficld pr ogrammablc gat c ar ray)-SX95T. First, thc orctic analysis is given based on the simulation of the link, and then the experimental data is given to support the result that this solution can achieve 3. 125 Gbps serial transmission stably over the 19 inches atCa backplane and the ber (bit error ratio) is below 10e-12 Keywords: Virtex-5, serial transmission; 3.125G, GTP 作者简介:李林军,男,1985年生,硕士研究生,主要研究方向是宽带移动通信基站体系 结构的研究。

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