基于FPGA的实时数字化光纤传输方案研究

论文摘要

为了满足复杂环境下系统实时控制和高隔离性能的要求,论文提出了一种新颖的数字化光纤传输方案,先将模拟信号数字化,再进行数据处理,使信号能够通过光纤进行传输,最后在光纤接收端将有效数字信号提取出来,供后续电路使用。该方案抗干扰能力强,实时性好,能较好的解决复杂环境下系统对多路、多点采样数据实时、可靠及远距离传输的问题。以光纤为界,系统分为发送端和接收端两个部分。发送端以A/D转换器和FPGA为主要架构,用A/D转换器将输入模拟信号数字化,再用FPGA实现数据处理,此处理包括两个方面:一是定义一个传输协议,便于光纤接收端对数据的提取;二是对协议进行编码处理,使信号能够通过光纤进行传输。此外,FPGA还要控制A/D转换器的工作。编码之后的包含有效数据的协议通过单根光纤传输到接收端,接收端FPGA再对其进行解码、协议分离等处理,将有效信号还原出来,供后续电路使用。由于信号通过单根光纤进行传输,在接收端解码之前还需进行时钟提取,将与信号同步的时钟提取出来,作为接收端数据处理的时钟。另外,为了便于观察提取出的有效数据是否正确,最后加一级D/A转换,将提取出的有效数字信号还原成模拟信号,并与初始输入模拟信号进行对比观察。论文首先介绍了系统的基本构成以及各个模块的功能,再详细介绍了发送端和接收端的硬件和软件设计。硬件设计包括器件选择、各模块电路设计;软件设计包括程序设计流程和时序仿真及分析。最后以一路模拟输入为例,给出了电路中各个主要信号的实验波形,并对实验结果进行分析。实验结果表明,一路信号的采集传输延时时间不到1.5μs,系统的实时性较好。实验过程中,系统稳定,误码率低,因采用光纤隔离传输因而抗干扰能力强。实验结果证实了该方案的有效性和可行性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 数字化光纤传输方案的研究现状
• 1.3 数字化光纤传输系统的发展趋势
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 系统总体方案设计
• 2.1 硬件总体方案设计
• 2.1.1 硬件总体框图
• 2.1.2 主要模块功能说明
• 2.1.3 模块选择
• 2.2 软件总体方案设计
• 2.2.1 开发工具Quartus Ⅱ
• 2.2.2 VHDL硬件描述语言
• 2.2.3 软件总体框图
• 2.3 本章小结
• 第3章 数据发送端系统设计与实现
• 3.1 发送端硬件电路设计
• 3.1.1 输入信号部分调理电路
• 3.1.2 A/D转换电路
• 3.1.3 晶振电路
• 3.1.4 FPGA模块电路
• 3.1.5 光纤发送模块电路
• 3.1.6 电源模块电路
• 3.2 发送端VHDL程序设计
• 3.2.1 A/D转换器控制模块
• 3.2.2 定义传输协议模块
• 3.2.3 编码模块
• 3.2.4 时钟处理模块
• 3.2.5 数据发送端程序仿真结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 数据接收端系统设计与实现
• 4.1 接收端硬件电路设计
• 4.1.1 光纤接收模块电路
• 4.1.2 D/A转换电路
• 4.1.3 FPGA电路
• 4.1.4 电源模块电路
• 4.2 接收端VHDL程序设计
• 4.2.1 时钟提取模块
• 4.2.2 解码模块
• 4.2.3 时钟分频模块
• 4.2.4 接收协议模块
• 4.2.5 数据存储模块
• 4.2.6 D/A转换器控制模块
• 4.2.7 数据接收端程序仿真结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验结果与分析
• 5.1 引脚分配和下载配置
• 5.2 实验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文