多通道定时脉冲光纤传输系统国产化设计

姚君 聂杨 付传宝

摘要：本文介绍了一种基于100%国产化设计的定时脉冲信号传输系统，系统近端机将16路定时脉冲信号同步采样，然后复用成1路高速数字信号，通过一根光纤传输到远端机，远端机可以实现多路数据的低抖动输出，并保持延时一致性。该系统以光纤作为传输介质，传输距离远，抗干扰能力强，可广泛用于不同体制雷达系统，实现多路定时脉冲信号远传。

关键词：国产化;光纤传输;低抖动;延时一致性

1引言

雷达系统的基本构成包括发射机、接收机、本振激励源、信号处理、定时同步装置这五部分[1]，其中定时同步装置主要负责产生定时脉冲信号，完成雷达系统时序控制，协调各分机正常工作，在整个系统中发挥着重要作用。由于雷达系统信号接收天线与控制设备一般都分开布设，中间通过光纤/电缆连接，因此系统发射机、接收机、定时同步装置通常处于不同的地点，需要使用专用设备对定时脉冲进行传输。

目前许多传输设备的关键器件及设计软件都是来自于国外进口，容易受制于人，通过近期美国对中国科技公司的多轮制裁事件可以得知，一旦西方国家实施技术封锁，将会对设备研发、生产及维护造成严重的影响。为提高自主可控能力，杜绝对国外核心器件及软件的依赖所导致的信息安全隐患，本文提出一种软硬件国产化率达到100%的传输系统设计方法，采用光纤作为传输介质，定时脉冲信号经过采样后，可以通过光缆远距离传输至雷达发射机、接收机，经过传输后的信号其关键指标信号前沿抖动≤1ns，延时一致性≤5ns，满足雷达系统使用要求，同时具有保密性能好、可靠性高等特点。

2系统方案

多通道定时脉冲光纤传输系统采用远端机和近端机模式，远端机放置于天线转台，用于光电变换和信号低抖动输出;近端机放置于控制舱内，负责对16路定时脉冲信号进行采样和电光变换，端机之间用一根光纤进行连接。

传统模式下，可以通过FPGA对定时脉冲信号进行异步采样后直接上光，传输到对端后恢复出脉冲信号，由于数字信号的离散特性，采样点最少偏离最佳采样点一个周期，采样位置左右偏移[2]，因此利用该方案恢复出来的信号前沿抖动为2T（T为采样时钟周期），以采样时钟100MHz为例，经过采样后引入的抖动为20ns（T=1/100MHz=10ns）左右，若想达到1ns以内的前沿抖动，系统所需采样时钟频率需要达到2GMHz，将远超过FPGA的工作时钟，大大提高了设计难度;同时使用FPGA进行信号复用/解复用、编码/解码，开关机后信号延时会发生较大变化，无法保证信号的延时一致性。本方案采用同步传输的方式，将雷达系统提供的基准时钟锁定相位后作为传输系统工作时钟，对信号同步采样，可获得低抖动值，在复用/解复用部分使用外置高速Serdes（串行收发器），可减小通道延时的变化。

3硬件设计

3.1系统原理

系统原理框图如图1所示。在近端机，基准同步时钟输入到PLL（锁相环）锁定相位后得到稳定的时钟信号，将该时钟信号分为三路，第一路输入到FPGA对输入的脉冲信号进行处理，第二路作为Serdes的工作时钟，第三路经信号处理后转换为光信号2输出;输入的16路定时脉冲信号经数据整形、电平转换后变为LVTTL电平的电信号，进入到FPGA中，FPGA用同步时钟进行同步时分处理，然后传输给Serdes，Serdes利用同步时钟来进行时分复用和8B/10B编码，经电光变换变成光信号1，光信号1和光信号2通过波分复用器复用成1路光信号传输到远端机。在远端机，收到的光信号2经过光电处理后，转换为时钟信号，该时钟信号经锁相环锁定后一路输入到FPGA用于信号处理，另一路作为Serdes的参考信号;收到的光信号1经过光电转换后变成1路高速的数字信号，然后通过CDR时钟恢复提取，进入到高速Serdes，经8B/10B解码和时分解复用，变为多路低速数据信号输入到FPGA中，FPGA对各低速信号进行处理后将数据输出，经过电平转换及驱动后恢复为初始状态的16路定时脉冲信号。

3.2国产化实现

系统包含信号接收器、FPGA芯片、PLL芯片、高速Serdes、E/O变换器、O/E变换器、信号发送器等主要器件，信号接收器和信号发送器采用的是SM3096和SM3030，接收器传输时延≤120ns，发送器传输时延≤16ns，最大数据传输率均为10Mbps;FPGA采用的是FMK50T4，最大时钟频率为400MHz;PLL芯片采用的是GM307A，最大工作频率为200MHz;E/O变换和O/E变换采用的是NTR-8812DL和NTR-8813LI，发送光功率-5～0dBm，接收灵敏度≤-16dBm，最大传输速率3Gbps;高速Serdes采用的是GM8312，工作频率125MHz～156.25MHz，主要實现3.125Gbps高速串行总线数据与16位并行数据之间高速转换。上述型号器件为国内器件厂家所设计，拥有完全知识产权，其余电阻、电容、电感等器件均有国产厂家供货，整个设备硬件的使用实现了全国产化。

4主要实现技术

4.1时钟低抖动传输

信号传输过程中采用了同步采样，理论上不存在采样误差，因而定时脉冲信号的边沿相位和抖动得到了合理的控制，信号抖动性主要由同步时钟的抖动性能决定。由于近端机和远端机都使用了同步时钟，在保证近端机输入基准时钟高质量的同时，需要用低抖动的方式将时钟从近端机传输至远端机，为此在时钟传输的过程中采用了两项措施：（1）选用抖动量小的光模块[3]。所有光发射模块单元包括激光器、参考时钟源、以及与发送器有关的集成电路都会产生抖动，通过选用低抖动器件，降低发送器各部分器件的噪声，可以有效地减少抖动以获得一个干净的眼图;（2）针对接收部分采用暗电流小、电容低、响应度高的PIN光电探测器作为实现光电变换功能的器件，并通过对PIN光电探测器的S参数进行测试，根据S参数的测试结果对阻抗匹配电路进行设计，将高阻抗的PIN光电探测器匹配为50Ω，从而使PIN光电探测器得到高的光电转换效率，低的反射损耗，使时钟信号从光信号中高效的解调出来，并减少时钟的失真，改善时钟的噪声。

4.2外置高速Serdes

FPGA内部自带高速收发器UHST，最高速率为6.25Gb/s，使用同步时钟作为参考时钟，通过调用IP核能实现数据复用/解复用、编解码等功能，用该方法传输后的信号抖动能满足≤1ns，但系统在每次开关机时，脉冲信号的延时差会变化超过一个采样周期（如采用频率100MHz，延时变化将≥10ns），不满足通道延时变化≤5ns。为此我们选择外置高速Serdes，GM8312能够实现16：1串化及1：16解串数据全双工收发，内建DC平衡8B/10B编解码，能保证每次上电时信号的延时偏差≤2ns。输入的并行数据与参考时钟为同步关系，选择用上升沿采样，如图2所示，建立时间：Tsu≥2.5ns，保持时间：Th≥0ns，在数据的稳定时间进行采样，确保数据可靠性。

4.3外置PLL

高速Serdes的工作时钟TXCLK需要与输入同步时钟同源，同时TXCLK要求满足低延时，低抖动的特点，以降低数据转换过程中的误码，为此使用PLL将同步时钟锁相倍频到Serdes的工作频率。由于FPGA自身例化PLL所生成时钟毛刺较多，且抖动较大，会影响GM8312的正常使用，因此，使用外置PLL对输入时钟进行管理和频率综合。系统选用的锁相环芯片，最大输出抖动±150ps，锁相环的原理框图如图3所示[4]，VCO输出的频率f0经N分频后与同步时钟fr相位比较得到误差电压，回路滤波LPF滤除误差电压中所带来的高频成分和噪声，达到改善性能的目的，鉴相器通过误差电压控制VCO的输出f0，实现对输入频率的捕获、跟踪与测量。

5系统时序

为保证定时脉冲信号传输满足前沿抖动≤1ns的技术要求，定时脉冲信号必须和同步时钟保持严格同步，如图4所示，脉冲信号在发送端经过同步时钟读取后，由同步时钟进行复用。接收端Serdes输出的信号每次开关机时延会有一定的偏差，偏差值≤2ns，小于采样时钟周期，经过同步时钟读取一遍后，可消除延时偏差，最后输出的脉冲信号上升沿的抖动取决于同步时钟的稳定性，而同步时钟传输抖动≤300ps，利用这个时钟去读取串行收发器输出的定时脉冲，其上升沿抖动能满足1ns的技术指标要求。

6软件设计

该系统包含FPGA方面的软件设计，采用自主研发设计的软件开发工具Procise，基于Verilog编译语言，可以完成逻辑优化、布局布线、时序分析、在线调试等功能。

软件工程主要包括数据模块，复用驱动模块，锁定判断模块，解复用驱动模块。数据模块完成定时脉冲的时序调整、输出驱动;锁定判断模块控制系统复位信号以及输出静噪;复用、解复用驱动模块在整个软件中起关键作用，主要完成对高速Serdes的管理，其逻辑代码例化调用配置如下：

tx tx_u（ .rstn（rstn），

.clk（clk），

.tx_serdes（tx_serdes），

.txclk_serdes（txclk_serdes_o），

.tx_en_serdes（tx_en_serdes），

.tx_er_serdes（tx_er_serdes），

.lckrefn_serdes（lckrefn_serdes），

.prbsen_serdes（prbsen_serdes），

.enable_serdes（enable_serdes）

）;

rx rx_u（ .rstn（rstn），

.clk（clk），

.rxclk_serdes（rxclk_serdes），

.rx_serdes（rx_serdes），

.rx_er_serdes（rx_er_serdes），

.rx_dv_serdes（rx_dv_serdes），

.rxclk（rxclk），

.rxdata（rxdata）

）;

7测试及性能分析

通过信号源产生20MHz的同步时钟，同时产生脉宽900ns，重复频率1000Hz定时脉冲信号，近端机与远端机之间用长度为1m光纤连接，将脉冲信号输入到近端机的传输通道1，经过采样传输后从远端机输出。用示波器的通道1测量信号源输出的脉冲信号，并将该通道设置为触发源，用通道2测量远端机输出的该路信号，如图5所示，选择示波器的无限余辉功能，并保持30s，可以测得抖动值≤600ps，传输延时183ns，开关机延时差≤5ns，按同样的方法可以测得其余15通道的传输抖动及延时。测试结果表明系统满足信号前沿抖动≤1ns，延时一致性≤5ns的要求。

8结束语

本设计全国产化实现，外置锁相环，外置高速串行收发器，完成了对16通道定时脉冲信号的同步采样，通過光纤传输到远端，实际测试可知传输后信号抖动低，通道的延时变化小，该方案能够满足多种雷达系统中对定时脉冲信号传输的要求。

参考文献

[1]丁鹭飞，耿福录，陈建春.雷达原理[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]朱海江，王洪磊，陈雁.一种定时脉冲低抖动传输方案设计[J].无线电通信技术，2014（2）：44-46.

[3]张家会.脉冲信号同步及低抖动光传输技术[J].大众科技，2017，19（209）：7-8.

[4]陈永东. 基于FPGA的数字锁相环的设计[J]. 遥测遥控，2007，28[5]：49-51.

作者简介：

姓名：姚君  性别：男  年龄：35岁  出生年月：1986.1  籍贯：湖南邵阳  职称：工程师  学历：大学本科  研究方向：主要从事光纤通信技术研究