高速光纤数据采集与传输系统关键技术研究

摘要

随着雷达测试、遥感卫星、网络系统通信等领域系统数据带宽不断增大，相应的数据传输系统要求越来越高，只有具备高速数据采集与传输能力，才能实现庞大的数据流交互，满足相关领域对高速数据获取能力的需求。为此，本课题开展了10Gbps级高速数据采集与传输系统相关技术的研究。
　　本文主要研究高速光纤数据采集与传输系统相关技术，包括光纤通信理论研究，计算机通信总线协议分析，高速大容量缓存电路设计，以及测试系统集成解决方案分析，具体工作包括以下几个方面:
　　(1)利用SFP光模块设计具备10Gbps级通信能力的高速光纤数据收发硬件电路，通过Xilinx公司Aurora IP核结合FPGA内部逻辑实现基于Aurora协议的10Gbps级光纤通信控制器，并对光纡接口通信能力进行测试;
　　(2)研究标准系统总线PCI-Express2.1通信协议，利用Xilinx公司PCI-Express2.1IP核，设计基于DMA数据传送模式的PCI-Express通信引擎，并与上位机软件配合实现计算机与硬件功能卡交互;
　　(3)针对高速数据采集系统常见的缓存容量不足问题，设计了一个高速容量可扩展缓存电路，最大支持容量扩展至8GB，最大工作频率1600MHz，并利用FPGA内部逻辑设计了缓存电路控制器，实现数据高速缓存。
　　最后充分调研测试测量行业先进测试理论成果，制定了完整测试方案，搭建了系统测试平台，通过时域和频域分析验证系统功能，利用上位机测速软件进行数据速率测试。测试结果表明本课题设计的高速光纤数据采集与传输系统能够进行高速数据采集与传输，系统最大数据传输能力达到10Gbps，满足目前大多数测试领域对高速数据采集与传输的需求，具有很强的实用性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 课题研究内容及章节架构

2 系统指标及通信协议分析

2．1 系统指标分析

2．1．1 系统硬件设计原则及指标

2．1．2 系统硬件指标分析

2．2 高速串行接口协议概述

2．2．1 高速串行收发器特性分析

2．2．2 光纤接口通信协议

2．2．3 系统总线协议

2．3 系统设计方案

2．4 本章小结

3 高速多通道光纤数据采集与传输系统硬件设计

3．1 主控系统硬件设计

3．1．1 系统主控芯片选型

3．1．2 主控芯片配置电路

3．1．2 系统电源设计

3．2 10Gbps级数据采集接口电路硬件设计

3．2．1 10Gbps级数据采集接口电路方案

3．2．2 SFP光纤接口硬件电路设计

3．2．3 SFP光纤接口高速PCB阻抗原则

3．3 容量可扩展高速缓存电路硬件设计

3．3．1 容量可扩展高速缓存电路设计方案

3．3．2 高速缓存设备基本工作原理

3．3．3 DDR3容量可扩展缓存电路设计

3．4 PCI-Express总线及背板存储接口电路硬件设计

3．4．1 PCI-Express总线硬件电路设计方案

3．4．2 PCI-Express总线电路设计

3．4．3 背板存储接口电路设计

3．4．4 高速PCB布板效果测试

3．5 本章小结

4 高速多通道光纤数据采集与传输系统控制逻辑设计

4．1 10Gbps级光纤接口逻辑设计

4．1．1 Aurora IP核特点与定制

4．1．2 Aurora IP核控制时序

4．1．3 光纤接口功能测试

4．2 容量可扩展高速缓存电路逻辑设计

4．2．1 MIG IP核特性分析与定制

4．2．2 DDR3控制器时序控制

4．2．3 DDR3控制器时序测试

4．3 PCI-Express总线接口电路逻辑设计

4．3．1 PCI-Express总线接口IP核特点分析与定制

4．3．2 PCI-Express总线接口控制逻辑时序

4．3．3 PCI-Express总线接口功能测试

4．4 背板存储接口控制逻辑设计

4．4．1 背板存储接口通信协议

4．4．2 背板存储接口工作流程

4．4．3 背板存储接口通信测试

4．5 本章小结

5 系统测试及结果分析

5．1 系统测试平台搭建

5．2 系统指标测试

5．2．1 系统采集带宽测试

5．2．2 系统数据回放测试

5．2．3 系统信号采集范围测试

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢