一種基于FPGA的高速通信系統研究與設計

　　2 系統的硬件設計

　　2．1 FPGA部分電路設計

　　系統選用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，所以系統不需要額外的電路實現LVDS接口。DCM模塊可以將輸入時鐘靈活的倍頻或降頻，最高工作頻率達到311 MHz。以上參數和性能不僅滿足當前的設計需求，而且為系統的升級保留了充足的設計余量。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，這個腳的驅動能力強，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據。S3C500E的配置文件大小為2 Mb，本系統采用存儲量為16 Mb的M25P16作為配置存儲器。

　　2．2 傳輸部分電路設計

　　傳輸部分設計包括選擇同軸電纜和設計相應的發送接收電路。本系統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，可以在復雜的電磁環境中正常工作。電纜驅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。時鐘恢復器件選用CLC016，它的輸入信號來自CLC-012，輸出時鐘和數據接FPGA，恢復的時鐘在數據上升沿有效。CLC005和CLC012用于特征阻抗為75 Ω的傳輸系統，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，最終導致信號傳輸質量下降。相應的配置方式如圖2所示。

　　通過測試，此組傳輸器件可以驅動LVDS信號通過SVY-50-3型號電纜傳輸至少200 m。信號經過傳輸后，在電纜末端衰減嚴重，噪聲和抖動也較嚴重。此時信號眼圖如圖3所示，可以看出信號質量差。直接接收此信號，會產生信號電平誤判，而且信號的抖動將導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。