基于串并收发器技术的照射制....5_Gbit_s光电系统_于翔.pdf

：光通信系统与网络技术于翔，仝红霞，周兴云，等 基于串并收发器技术的照射制导 光电系统设计 光通信研究，（）：，（）：基于串并收发器技术的照射制导 光电系统于翔，仝红霞，周兴云，方刚，施威（上海航天电子技术研究所，上海 ）摘要：针对当前照射制导设备数据传输能力存在的问题，文章提出了一种基于串并收发器技术、传输速率为 的光电通信系统设计。该设计以串并收发器为核心，采用光纤传输与现场可编程门阵列（）软件结合的方式对网络报文控制数据、状态采样数据和同步时序信号等不同速率和接口形式的数据进行组帧和解帧处理，最终实现了高速光电系统的通信。测试结果表明，该系统大幅提升了阵面数据信息的传输和处理速率，同时降低了传统阵面与地面通信系统的硬件设备数量和繁杂度，突破了阵面与地面间的传输距离限制。关键词：串并收发器；光纤传输；照射制导；千兆位以太网；现场可编程门阵列中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），：；引言随着战争技术与高新科技的不断融合发展，日益增大的数据需求量、逐步多样化的数据类型和更快的信号传输速度已成为未来武器技术发展的大趋势。传统照射制导设备的天线阵面与地面控制台间的通信，往往采用数十根电缆配合电汇环组合的传输方式。这种链路传输速率低、功率衰减大，不仅增大了电汇环制造工艺的规模和成本，也极大地限制了信号的传输距离，同时繁杂的设计工艺和大规模的电缆设备也会对产品的可靠性和稳定性造成很大影响。现代光纤通信技术不仅可实现超远距离和超大容量的高速信号传输，还具有信号衰减极小和误码率较低等特点，不仅能增强通信链路的抗干扰性和可靠性，设备规模小型化的集成度也高，是一种可大幅度提升多种类接口、多速率模式及多信号带宽的高速同步通信技术。针对上述问题，本文分析并实现了照射制导设备天线阵面与地面高速光电通信系统（最高可达 ）设计，该设计不仅提升了信号传输速率，同时还复用了多种类多速率的传输信号，极大地降低了武器设备的繁杂程度。该系统涉及光电转换、高速串并收发、信道编解码、多速率信号复用及解复用、千兆网络通信和跨时域同步等多个技术领域，用以满足照射制导设备对飞速增长的数据传输能力的需求。收稿日期：；修回日期：；纸质出版日期：作者简介：于翔（），女，江苏镇江人。工程师，硕士，主要研究方向为雷达信号处理。通信作者：于翔，工程师。：.年第期总第 期光 通 信 研 究 （）系统应用环境结构与逻辑流程本系统主要通过光纤高速传输实现不同速率、不同接口形式的报文、数据和时序信号的传输。在照射制导设备应用中，地面控制台中的高速光电通信系统将网络控制报文、时序同步信号及角度参数数据等经各接口协议处理后，转换成高速光信号，通过光路旋转汇流环送至天线阵面的高速光电通信系统，用于完成天线阵面制导的辐射范围、旋转速率和照射功率等全部作战任务；与此同时，天线阵面中的高速光电通信系统则将收集到的各种阵面状态参数转换成高速光信号，及时传送至地面控制台处理，用于实时监测天线阵面的作战状态和处理故障信息。高速光电系统在照射制导设备中的应用环境结构如图所示。图高速光电系统应用环境结构图 该系统以 高速串并收发器为基础，采用 现 场 可 编 程 门 阵 列（，）作为主控数据处理模块，千兆以太网和总线驱动等作为接口处理模块，光路调制解调器作为光电转换模块。地面控制台中的高速光电通信系统对数据的处理逻辑如下：千兆以太网模块（）完成地面控制台的路网络控制报文解析；串口模块完成伺服数据和导航数据的接收；总线驱动完成两路同步脉冲和路准秒信号的接收采样。将通过接口协议处理好的各种控制信息进行跨时域同步处理后，通过自定义的组帧技术完成数据传输复用，再针对 速率 的并行位宽进行抗扰码的数据填充，配置 串并收发器参 数 来 完 成 信 道 编 码，并 串 转 换 为 的高速串行解串器（，）串行电信号，送至光路调制解调器调制为光信号发送出去，用来完成照射阵面的辐射控制。与此同时，光路调制解调器将来自天线阵面的光信号解调为电信号，串并收发器通过信道编码和 协议解析，将高速信号解串为并行低速数据，便于数据处理，再按照网络接口、串口和总线协议发送数据至相应的地面控制台接口，完成天线阵面的状态实时监测、并处理和报送故障信息。地面控制台中的高速光电通信系统逻辑组成如图所示。由于天线阵面的高速光电通信系统对数据的处理逻辑与地面控制台相应一致，此处不做赘述。图地面控制台中高速光电通信系统逻辑组成图 硬件电路设计在高速光电通信系统设计中，串行收发模块不仅决定了 数据的传输速率和同步方式，还会影响 主控模块的数据处理、编解码方案和软件开发规模。高速光电通信系统主要包含性能全面且稳定的高速 电路 ，资源丰富且易于开发的 系列 ，近年新上市的高抗干扰性千兆以太网 收发器 ，以及传输速率可达 的 （为该产品的型号命名）系列光电转换电路。从资源优化及开发成本等方面出发，地面控制平台与天线阵面内的高速光电通信系统的硬件电路设计完全相同，仅存在些微软件差异。高速收发器高速收发器模块作为本系统的设计基础，以德州仪器（，）公司的数字收发器 芯片为核心电路。是功能强大的高速串行收发器，可实现全双工模式下的点对点数据传输，通过参数配置可非常便捷地完成低电压于翔 等：基于串并收发器技术的照射制导 光电系统差 分 信 号（，）并 行 宽 数 据（）与 高 速 串行数据（）间的串并和并串转换，并具有 信道编解码、增益控制、信号丢失检测和同步时钟建立等功能。电路的数据处理逻辑如图所示。图 电路数据处理逻辑框图 在高速串行 收发电路中，由于采用了交流 耦 合 的 发 送 方 式，根 据 电 容 阻 抗 公 式，为电容的阻抗值，为信号频率，信号频率越高，电容阻抗越低，当数据位中出现多个连续或时，电容会将该信号当成直流信号滤除，从而导致接收端无法同步。因此时钟同步设计是影响整个系统工作状态和性能指标（误码率和丢包率）的关键因素。一般来说，是通过检测 的空闲码（）来进行同步的。根据 信道编码规则，有两种码型，一种为 （极性）（为极性偏差），另一种为 （极性）。同步时只识别 极性码，被视为无效同步码，根据规则，一个 位宽的完整同步码应为 。按照编码要求，一个数据帧内，所有字节的极性和应为。这样当发送同步码时，如果上一个数据为 极性，则 编码后就为 极性，即 ，但 不识别这个 同步码。为了要得到 的 ，的 后应跟一个极性为的数据，就是 为的，即 。这样 的 就为，则下一个 就应为，再加上一个 的 ，可以得到 的 为，就会一直发送 ，直到同步。光路调制解调器光路调制解调器用于实现高速光信号与 串行信号间的调制和解调。本系统设计选用中国电子科技集团光电技术研究所生产的 光纤收发模块来实现电光和光电转换。光模块采用多模光纤传输介质，全双工双向收发方式，光纤接口多样，电信号接口兼容低电压正射极耦合电平（，）、和 低 电 压 三 极 管 结 构 电 平（，），数据传输速率最高可达 ，且模块体积小，结构集成度高。光模块的发送和接收光波长均为 ，可实现全双工全隔离的双向光电和电光转换通信，有助于简化设计和扩展系统的功能。千兆以太网千兆以太网主要用于处理大规模网络报文数据的收发，选用 公司的 网卡为主要电路。是一款集成了物质介质依赖层（，）子层的稳健型全功能千兆位 层网络收发器，支持 协议，可将千兆串行网络数据转换为 路并行接口，以便 做数据处理。与此同时，也可实现标准协议下的并行网络数据高速串行转换，从而实现网线直插连接。光通信研究 年第期总第 期 软件设计 数据处理软件由时钟管理模块、网络数据处理模块、串口数据处理模块、脉冲信号处理模块和光路数据处理模块组成。软件设计的顶层原理如图所示。图 设计顶层原理 主要包含时钟分配管理、网络数据的接收和发送、串口数据处理、脉冲信号处理、组帧及光路复用、解帧及光路解复用、网卡寄存器和串行收发器配置等功能。对 寄存器配置后，根据 标准 层协议接收网络数据，采用双口 进行本地同步和降速抽取处理，并通过相位判决产生一路和同步后数据相参的串行使能信号；串口处理模块按照标准协议解析数据内容，对信号滤波后判决数据截止时刻，并自适应产生一路相参串行使能信号；脉冲处理模块进行同步滤波后产生一路自适应相参串行使能；最后将种数据按照相参串行信号的同步关系组成自定义帧格式复用至高速并行数据发送接口，相参串行信号经复用处理后送至高速控制接口，并对 进行配置。与此同时，高速串行接收方向要先进行同步建立，待同步完成后开始解帧解复用处理，按自定义帧格式配合控制信号，将高速串行信号中的数据解调，脉冲信号通过重建，串口数据按标准协议进行发送，网络信号按照 标准 层协议装订后完成数据发送。软件处理逻辑如图所示。图 设计处理流程图 于翔 等：基于串并收发器技术的照射制导 光电系统组帧复用是该软件设计的技术要点，通过将异步不同速率、不同信号类型和不同周期的信号进行自定义组帧后，只需要一根光纤就可以同时完成传输种信号的功能，大幅降低了随天线阵面信号数量增加而扩大的硬件规模。同时通过增加扰码信号，可减少各信号同时传输时造成的信道串扰，较大地提升了复用传输的可靠性。系统验证测试系统的验证测试主要采用 在线逻辑分析仪 来实时捕获并分析 的数据处理过程，并与地面控制平台发送的终端数据进行比较，从而在验证该系统功能的同时监测系统性能指标。测试方式如下：由地面控制台的高速光电通信系统将终端数据通过光纤发送至天线阵面上的高速光电通信系统，经数据处理后闭环返回至地面的控制平台终端显示，并通过数据采集设备进行发送与接收数据的对比统计；这种方式可完整验证系统 通 信 链 路 的 功 能 并 可 测 试 出 关 键 性 能 指 标。在地面端捕获的数据比对结果如图所示。为终端的发送数据，为闭合环路后接收到的恢复后的数据。为了直观地观测系统的误码率和丢包率等性能指标，将发送数据与接收数据进行图形化显示，可以看到接收数据经环路闭合恢复，无可见误码和丢包，说明高速光电通信系统运行良好，性能稳定。图形化数据比对结果如图所示。图测试数据 捕获结果 图捕获数据与源数据对比 结束语本文从照射制导设备对高速通信链路的发展需求出发，设计并实现了一种基于串行收发器的高速光电通信系统，该系统已在照射制导类产品中批量应用。本设计能够传输 有效带宽的高速率光电串行信号，并兼容千兆位以太网络、标准串口和脉冲信号等多种类数据的同步通信功能。采用了 公司的高速串行收发器 ，不仅简化了硬件电路规模，降低了软件设计的复杂度，也较好地提升了系统的稳定性和兼容性，在照射制导类产品中有着很好的应用效果。参考文献：，：，：，：，邹世源，刘久文，董一伯，等 基于 的计算机多媒体光纤传输设计与实现 光通信技术，（）：，（）：文丰，韩雨龙 千兆以太网 控制器软核设计电子测量技术，（）：光通信研究 年第期总第 期 ，（）：孟雨麟，沈涛，王帅豪，等 基于以太网和光纤网的仿真系 统 时 钟 同 步 研 究 系 统 仿 真 学 报，（）：，（）：刘智，雷革，徐广磊 高速串行收发器时钟同步设计核电子学与探测技术，（）：，（）：邓军勇，蒋林，曾泽沧高速收发器中解复用电路的设计微型机与应用，（）：，（）：王希，李建勋地空导弹武器系统网络化作战模式分析研究航天控制，（）：，（）：，：，黄万伟 高速串行传输技术与应用北京：电子工业出版社，：，刘东华 系列 芯片 核详解北京：电子工业出版社，：，王蕾，韩立峰 基于 的异步高速串行通信 设计现代电子技术，（）：，（）：吕迎春，谭庆贵，谢军，等光纤通道数据采集存储系统的设计与实现航空电子技术，（）：，（）：牛卉，武溪智能化技术在航空制导炸弹领域的发展应用展望飞航导弹，（）：，（）：夏晓雷雷达制导技术发展现状与趋势机械管理开发，（）：，（）：（上接第 页），（）：，（）：，（）：向练，潘洪峰，金树林，等多芯激励下实际多芯光纤芯间串扰特性研究 通信学报，（）：，（）：于翔 等：基于串并收发器技术的照射制导 光电系统