ａ竹技２０１２年第２５卷第３期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｍａｒ．１５．２０１２ 光纤传输技术在雷达信号记录重演系统中的应用 刘志英，孙高俊，吴 关 （中国电子科技集团公司第３８研究所数字技术部，安徽合肥摘要２３００３１） 介绍基于ＳｔｒａｔｉｘＧＸ系列ＦＰＧＡ的光纤传输技术在雷达信号记录重演系统中的应用。文中分析了光纤传输 的优点以及技术实现的可能性，着重阐述了光纤传输系统的结构组成及具体应用，并给出了主要芯片的型号。经验 证．该光纤传输技术性能稳定。 关键词记录重演；光纤传输；串行收发器；数据复合和分解 ＴＮ９５７．５１ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１２）０３—１０４—０３ 中图分类号Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ－Ｏｐｔｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｒａｄａｒ Ｓｉｇｎａｌ Ｒｅｃｏｒｄ＆Ｒｅｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｚｈｉｙｉｎｇ，ＳＵＮ Ｇａｏｊｕｎ，ｗＵ Ｇｕａｎ ． （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏ．３８ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｔｒａｔｉｘ ＧＸ ｓｅｒｉｅｓ ＦＰＧＡ ｉｎ ｒａｄａｒ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｃｏｒｄ＆ｒｅｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ ｐｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ ａｐ— ｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｔｙｐｅ ｕｓｅｄ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｒｅｃｏｒｄ＆ｒｅｐｌａｙ；ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ；ｄａｔａ ｃｏｄｉｎｇ＆ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ 雷达信号记录重演设备可将转瞬即逝的雷达信号 号处理数据记录和回放。用户如果要将信号场景完整 场景保存下来，进行反复再现。为精细反复的雷达信 号分析、信号处理算法实验和设备调试提供方便。雷 达信号记录重演设备对加速雷达研制进度、节约研制 成本、降低风险和提升雷达技术发挥着突出作用 Ｊ。 记录重演设备需要记录的数据源主要包括雷达工 记录和再现信号场景，则需要通过自己的接口电路实 现，这就是记录重演电路。用记录仪和记录重演电路， 可以方便地搭建性能优越的半实物仿真系统＿３ Ｊ。 雷达信号记录重演系统的原理图如图１所示，其 分时工作于记录状态和重演状态，记录时数据流从左 作时的状态信息、时序信号和接收采样后的Ｉ／Ｑ信号 等。传统上这些信号有ＲＳ４２２、ＴＴＬ、ＬＶＤＳ等众多接 口电平，给记录重演系统接口电路的设计和维护带来 不便。 而随着光纤传输技术和高性能ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）技术的不断发展，用一片 向右，各种被记录的数据通过并行方式进入记录数据 接口内，进行数据复合重排，被写人海量存贮器中；重 演时数据流从右向左，数据从海量存贮器读出，进行记 录数据的分解和恢复，被恢复后的各种数据和时序信 号输出后供分析使用。 ＦＰＧＡ￣Ｉ］可以实现光纤通道间的数据传输与处理。同 时，光纤传输具有传输损耗小、抗干扰能力强、传输速 ］ ｌ 记 录 率高等优点 Ｊ。鉴于此，论文将主要介绍基于Ａｌｔｅｒａ 公司的ＳｔｒａｔｉｘＧＸ系列ＦＰＧＡ在记录重演设备中实现 光纤传输的应用及设计。 ｝ｊ 重 演 数 据 控 制 接 海量 存贮器 １ 记录重演原理简介 记录重演设备主要由数据记录仪和记录重演电路 图 口 图１雷达信号记录重演原理图 组成，数据记录仪是大容量存储的集合体，主要用于信 ２光纤传输设计及实现 收稿日期：２０１１—１０－１４ ＦＰＧＡ在现代电子电路设计中得到越来越广泛的 应用，其容量、功能、可靠性以及响应速度在不断提高。 ＡＬＴＥＲＡ公司的ＳｔｒａｔｉｘＧＸ系列ＦＰＧＡ除具有传统 ——作者简介：刘志英（１９７７一），女， 工程师。研究方向：雷迭 信号处理和记录重演。 １０４ ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋ刚ｉ．ｏｒｇ—— 刘志英，等：光纤传输技术在雷达信号记录重演系统中的应用 ＦＰＧＡ的功能外，还具备了能实现光纤传输的高速串行 ２．１ 高速串行收发器原理 收发器（Ｔｒａｎｓｅｉｖｅｒ）。ＳｔｒａｔｉｘＧＸ器件含有４～２０个低功 高速串行收发器内建物理编码子层（ＰＣＳ）模块节 耗收发器，可在整个５００ Ｍｂｉｔ・Ｓ～～３．１８７５ Ｇｂｉｔ・Ｓ 省了宝贵的逻辑资源，简化了设计支持，能够方便实现 数据速率范围内工作。设计选用的芯片型号为 协议设计。每个收发器都支持多种协议标准，包括 ＥＰ１ＳＧＸ２５ＤＦ６７２１６，器件中等价逻辑单元（ＬＥ）高达 ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ、串行数据接口（ＳＤＩ）、ＸＡＵＩ、ＳＯＮＥＴ、千兆 ４１ ２５０个，片内存储器达到３．４ ＭＢ＿４ Ｊ，可满足对存储 以太网、ＲａｐｉｄＩＯ和ＦｉｂｅｒＣｈａｎｎｅｌ等 。 器要求较多的应用。该器件具有易于调整的动态预加 在ＳｔｒａｔｉｘＧＸ器件中，一个高速收发器块包含４个 重、均衡和输出电压控制，再加上特殊的封装、噪声滤 收发通道，这４个收发通道共用一个发送锁相环，每个 除、优异的接收器灵敏度和稳定的时钟数据恢复设计， 通道内部有独立的接收锁相环。高速串行收发器发 保证了最优异的信号完整性，是高速背板接口、芯片之 送模块和接收模块的原理框图分别如图２和图３ 间和通信协议桥接应用的理想选择。 所示。 图２高速串行收发器接收模块原理框图 数据速率高达２．７ Ｇｂｉｔ・Ｓ～，具有良好的ＥＭＩ性能。 由于该芯片差分输出信号的电平是ＰＥＣＬ的，而后面 ＦＰＧＡ的高速串行收发器的差分接收信号电平是 ＰＣＭＬ的，两种接口标准的共模电压不同，所以要采用 图３ 高速串行收发器发送模块原理框图’ ＡＣ耦合电路来完成两种电平的转换。 每个收发通道其物理接口电平为１．５ Ｖ的ＰＣＭＬ， ２．３高速串行收发器使用配置 通过交流耦合，可以和ＬＶＤＳ、ＬＶＰＥＣＬ、３．３ Ｖ—ＰＣＭＬ ＧＸＢ模块的使用比较方便，只要在ＱＵＡＲＴＵＳＩＩ软 接口相连 。 件的ＭｅｇａＷｉｚａｒｄ中调用ＡＬＴＧＸＢ，设置好参数即 ２．２ ＦＰＧＡ硬件电路设计 可 Ｊ。需要配置的参数主要包括数据传输协议、数据 ＦＰＧＡ硬件设计主要包括ＦＰＧＡ电源电路设计、配 率、输入时钟、通道宽度、锁相环宽度设置、均衡器设置 置加载电路设计、时钟电路设计、光模块电路选型和高 等。在本记录重演系统中，传输协议选择为Ｂａｓｉｃ、数 速信号走线等。 据率为２ ４００ Ｍｂｉｔ・Ｓ。。，输人时钟为１２０ ＭＨｚ，通道宽 对于高速串行收发器所在区域（Ｂａｎｋ）的供电电 度为８位 。 源种类的区分比较细，具体包括数字电源（ＶＣＣＰ—Ｂ）、 ２．４在记录重演系统中的具体应用 接收电源（ＶＣＣＲ—Ｂ）、发送电源（ＶＣＣＴ—Ｂ）、护圈电源 光纤传输在本记录重演系统中的应用框图如图４ （ＶＣＣＧ—Ｂ）、模拟电源（ＶＣＣＡ—Ｂ）。ＶＣＣＰ—Ｂ、ＶＣＣＲ— 所示，记录时信号流程如下：来自外部的ｔ／Ｑ数据、时 Ｂ、ＶＣＣＴ＿Ｂ、ＶＣＣＧ—Ｂ、ＶＣＣＡ—Ｂ需要分别单独接隔离 序信号、状态信息等数据源首先在其系统内完成信号 良好的１．５ Ｖ，１．５ Ｖ，１．５ Ｖ，１．５ Ｖ和３．３ Ｖ的电源网 的编码，然后通过其系统内部的ＳｔｒａｔｉｘＧＸ芯片将上述 络，否则光模块工作会不正常。 数据源调制成高速串行数据流并通过光模块实现信号 高速串行收发器所在每个Ｂａｎｋ参考电阻管脚 的光电转换和传输。经过光纤传输过来的外部信号经 ＲＲＥＦＢ也必须要进行恰当的处理。每个ＲＲＥＦＢ管脚 记录重演系统内部的光模块和ＳｔｒａｔｉｘＧＸ芯片完成信 都要单独串接一个标称值为２ ｋ＆ｑ，允许偏差＜１％的 号的解码，恢复出原始的ｔ／Ｑ数据、时序信号、状态信 电阻接地。 息等。上述信号进入记录重演数据控制接口模块完成 光模块选用了Ａｇｉｌｅｎｔ公司的ＨＦＣＴ一５９４４ＡＬ，这 待记录信号的编码和数据复合，以满足海量存贮器记 款芯片支持单模光纤，工作波长为１ ３００ ｎｍ，可支持的 录数据格式的约定要求。重演时信号流程是上述流程 ＷＷＷ。ｄｉａｎｚｉｋＰｊｉ．０ｒｇ—— Ｊ 刘志英，等：光纤传输技术在雷达信号记录重演系统中的应用 的逆过程 。 ３结束语 随着雷达机载、球载等新的运载平台的诞生和雷 达技术的发展，雷达信号记录重演设备在雷达中发挥 着越来越重要的作用。雷达信号记录重演设备能将转 瞬即逝的雷达数字回波信号和工作状态数据信息实时 记录，事后能真实重演，实现了丰富的分析和重现功 能。文中提出的基于ＳｔｒａｔｉｘＧＸ系列ＦＰＧＡ的光纤传 输技术已在记录重演系统中得到成功的实现和应用， 图４光纤传输实现原理框图 这一技术的应用使记录重演设备对外接口简单；数据 传输速率高而且稳定；系统维护方便。本文提出的基 于ＦＰＧＡ的光纤传输技术对于其他应用场合下高速数 据传输系统的设计也具有很好的借鉴作用。 参考文献 丁文武．基于ＦＰＧＡ的雷达信号源［Ｊ］．电子科技，２００８ ｒＬ ｒＬ ｒ｝ｒ； 图４中所示的记录重演数据控制接口是记录重演 系统的核心，主要完成记录／重演工作模式的转换，实 现记录数据复合、重演数据的分解、数据缓存和数据块 标志检索。其原理框图如图５所示。 １ １ｊ ２ １Ｊ３ （５）：２３—２５． １｛４ ５ ６ １ ７ ８ １｛王明芳，邓云凯，赵肖东．基于ＣＰＣＩ总线的高速数据光纤 传输系统的实现［Ｊ］．微计算机信息，２００６（１１—２）： ４３—４５． 吴关，莫家贵，夏传浩．记录仪在信号场景仿真中的应用 ［Ｊ］．电子产品世界，２００７（９）：９６． Ａｌｔｅｒａ Ｃｏｒｐ．Ｓｔｒａｔｉｘ Ｇｘ Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ａｈｅｒａ Ｃｏｒｐ。２００５． 王诚，吴继华．Ａｈｅｒａ ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ设计：基础篇［Ｍ］．北 京：人民邮电出版社，２００５． 王诚，吴继华，蔡海宁．２版．Ａｌｔｅｒａ ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ设计：高 级篇［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５． 韩红霞，郭劲，曹立华，等．基于ＦＰＧＡ的高速视频信息光 纤传输方案设计［Ｊ］．电子器件，２００５，２８（４）：３６—４０． 郑清．光纤传输技术在雷达系统中的应用［Ｊ］．光通信技 图５记录重演数据控制接口原理框图 术，２００６（４）：８２０—８２４． （上接第１０３页） ４ 结束语 由于综合了扩频和ＬＤＰＣ两种技术，本文提出的 卫星ＭＩＭＯ通信系统具有更强的理论和实用价值，未 来的研究中，仍可以对系统中的技术做部分改进，从而 更能面向硬件实现，具有更好的性能。 参考文献 ［１］ 贺鹤云．ＬＤＰＣ码基础与应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版 社，２００９． 田日才．扩频通信［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００７． ＧＡＩＪ ＧＥＲ Ｒ Ｇ．Ｌｏｗ—ｄｅｎｓｉｔｙ ｐａｒｉｔｙ—ｃｈｅｃｋ ｃｏｄｅｓ『Ｍ１．ＩＲＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，１９６２，２７（５）：５４ｌ一５５２． 樊昌信，曹丽娜．通信原理［Ｍ］．６版．北京：国防工业出 版社，２００６． ＢＡＲＲＹ Ｊ Ｒ．ＬＥＥ Ａ Ｅ．ＤＡＶＩＤ Ｇ Ｍ．Ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 『Ｍ １．Ｍｏｓｋｏ：Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，２００８． 罗涛，乐光新．多天线无线通信原理与应用［Ｍ］．北京：北 京邮电大学出版社，２００５． 肖扬．ＭＩＭＯ多天线无线通信系统［Ｍ］．北京：人民邮电 出版社，２００９． Ｊ口 ＷＷＷ．ｄｌａｎｚｉｋ叫１．ｏｒｇ