基于FPGA的兩級冗余編碼系統

李圣昆，郝少帥，楊玉華，王淑琴，李 金

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

測試人員不便直接測試的極端環境(如高溫、高空、強磁等)往往需要將測試數據遠距離傳輸到地面接收設備。目前常用的傳輸方式包括并行傳輸和串行傳輸。由于數據線接口過多，并行總線傳輸方式在電磁干擾較大的環境中，數據傳輸的可靠性下降嚴重；串行總線包括PECL、RS422、RS485、HOTLink以及LVDS等。PECL的接口電平邏輯不兼容標準邏輯[1]；傳統的串行通信如RS232、RS422和RS485的傳輸速率太低，不能滿足實時監測的需求。相同環境條件下，LVDS總線相較HOTLink具有更高的傳輸速率和更遠的傳輸距離，因此采編設備和地面測試設備的通信總線選為LVDS總線。

LVDS是一種低振幅差分傳輸技術，由于傳輸電壓僅為350 mV，在沒有任何補償電路的情況下，LVDS信號僅能在幾米內實現無誤碼傳輸[2]；當傳輸距離超過10 m后，傳輸信號就會由于電纜損耗等問題，變得無法識別。當下，現有的優化方案主要有硬件電路和軟件設計兩方面，硬件電路中，添加驅動器和均衡器，LVDS信號的無誤碼傳輸距離增加到了70 m[3]，但是仍然無法達到150 m回傳的任務要求。本文針對惡劣條件下數據遠距離傳輸中可靠性不高的問題，提出了基于FPGA的兩級冗余編碼系統。

1 系統的硬件優化

信號在電纜中傳輸時，受到趨膚效應以及介質損耗的影響會產生傳輸衰減[4]，趨膚效應產生傳輸衰減與傳輸頻率的平方成正比關系，介質損耗產生的衰減與傳輸速率也是正比關系[5]，電纜過長和速率變大都會導致傳輸衰減的增大，衰減過大時便會產生誤碼[6]。為了實現數據的無誤碼傳輸，文章通過對傳輸信號使用了均衡以及預加重技術[7]，補償傳輸過程中的信號衰減，從而實現遠距離傳輸。

整個傳輸系統如圖1所示，由采編存儲器、測試臺和屏蔽雙絞線組成。采編存儲器將采集到的信號高速回傳給測試臺進行處理；測試臺接收采編存儲器的數據同時發送指令控制整個采集過程；屏蔽雙絞線連接測試臺和采編存儲器實現數據交互。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 Overall design block diagram of the system

1.1 LVDS發送接口

LVDS發送模塊電路如圖2所示，編碼器選用成都振芯公司的GM8223，電纜驅動器選用TI公司的LMH0002，編碼器的傳輸速率最高為到660 Mb/s，而電纜驅動器的速率超過1 Gb/s,都可以實現高速傳輸的任務要求，發送模塊工作時編碼器會將接收到的時鐘嵌入數據流中，再轉化成串行數據流發送至LMH0002，電纜驅動器對接收到數據流信號進行預加重，把差分輸出電壓拉高到2.5 V后輸出，補償信號在傳輸時的衰減，提高數據傳輸的距離。

圖2 LVDS發送模塊電路Fig.2 LVDS transmission module circuit

圖2中590 Ω的R12用來控制驅動器的輸出電壓為2.5 V。為了降低由于連接器而引起的回波損耗，用電阻和電感構建了損耗網絡[8]。同時為了降低終端反射引起的信號衰減，R13和R14用于阻抗匹配。

1.2 LVDS接收接口

LVDS接收模塊電路如圖3所示，解碼器同樣選用成都振芯公司的GM8224，均衡器選用TI公司的LMH0044，解碼器的傳輸速率與編碼器相同，可以實現高速數據接收，接收模塊工作時均衡器LMH0044會對從電纜中接收到的衰減數據流進行濾波，再通過恢復電路完成信號的重建，重建后將串行數據流發送至GM8224進行解碼，解碼后恢復為十位數據和一位時鐘。和發送模塊相同，R1和R2也是用于用于降低終端發射阻抗匹配電阻[9]。

圖3 LVDS接收模塊電路Fig.3 LVDS receiving module circuit

2 軟件邏輯優化

各種校驗碼的糾錯能力如表1所示。

表1 校驗碼特性表

文章的軟件優化采用兩級冗余編碼的方式，由表1可知，漢明碼加奇偶校和BCH碼加奇偶校驗在糾錯能力上都大于單一的奇偶校驗、漢明碼和BCH碼，但是漢明碼的實現比BCH碼簡單，所以文章采用漢明碼校驗加偶校驗的編碼方式，實現高糾錯編碼[10]。

2.1 一級冗余編碼

一級冗余編碼采用一位糾錯的漢明碼，該碼不僅算法簡單，易于硬件電路實現，而且編碼效率極高，在數據傳輸、存儲領域應用廣泛[11]，漢明碼校驗流程圖如圖4所示。

圖4 明碼編碼流程圖Fig.4 Flow chart of clear code coding

數據傳輸過程中按字節發送，所以線性分組碼中(n，k)中的碼長n為8，為了保證監督位可以指示一位錯碼的所有可能，監督位r必須大于等于3[12]，采集到的有效數據都是按字節存儲傳輸，故信息位k取4，則監督位也為4。數據傳輸時，每字節的有效數據都分成高4 bit、低4 bit，然后依次放入分組碼(8,4)編碼模塊進行編碼，根據分組碼構造關系，設計冗余位與監督關系，如表2所示。

表2 冗余位與監督關系構造表

根據表2可知，監督關系式為：

S1=D4⊕D6⊕D7⊕D8

(1)

S2=D3⊕D5⊕D7⊕D8

(2)

S3=D2⊕D5⊕D6⊕D8

(3)

S4=D1⊕D5⊕D6⊕D7

(4)

其中，D5、D6、D7、D8為數據位，D1、D2、D3、D4為校驗位，令S1、S2、S3、S4為0，便可以得到下式：

D1=D5⊕D6⊕D7

(5)

D2=D5⊕D6⊕D8

(6)

D3=D5⊕D7⊕D8

(7)

D4=D6⊕D7⊕D8

(8)

數據接收端接收數據后，根據監督關系式計算得到校正子S1、S2、S3、S4，若接收數據中僅存在一位錯誤數據，對照表3即可完成字內糾錯[13]。為了提高效率，一位糾錯時，僅對數據位糾錯即可。若錯誤位數超過兩位，則漢明碼無法完成糾錯，轉入二級冗余碼進行糾錯。

表3 錯碼查詢表

2.2 二級冗余編碼

數據傳輸過程中的錯誤大都小于等于1位，一級編碼就能解決糾錯，針對少部分的多位出錯，如果選擇復雜的校驗方式，不僅會進一步降低數據傳輸的有效帶寬，而且會占用過多的FPGA資源，降低系統工作效率，故二級校驗選用僅占一位校驗位的奇偶校驗。二級冗余編碼表如表4所示。

傳統的奇偶校驗僅能判斷奇數個錯誤，且不具備糾錯功能[14]，然而文章中，處于二級冗余編碼的奇偶校驗，由于已經確定了誤碼位置和誤碼個數，使得奇偶校驗具備了糾錯的能力。

表4 二級冗余編碼表

根據表4可知，dj 為d1、d2、d3、d4的二級校驗，其中D8J、D7J、D6J、D5J是d1、d2、d3、d4數據位的偶校驗位，D8J作為D81、D82、D83、D84四位數據的校驗位，可以通過異或求得，同理也可求得D7J、D6J、D5J。同時為了保證四位偶校驗在傳輸過程中的準確性，對四位偶校驗數據也同樣進行字內的一級冗余編碼。

D8j=D81⊕D82⊕D83⊕D84

(9)

D7j=D71⊕D72⊕D73⊕D74

(10)

D6j=D61⊕D62⊕D63⊕D64

(11)

D5j=D51⊕D52⊕D53⊕D54

(12)

解碼時，首先進行字內漢明碼糾錯，如果錯誤位數超過兩位時，就要啟動字間的偶校驗進行二級糾錯，首先需要利用dj內的一級糾錯碼對二級冗余數據先行校驗，以防由于檢驗碼錯誤引起的誤糾現象發生。例如d1的數據位錯誤超過兩位時，可通過下式進行糾錯：

D81=D8j⊕D82⊕D83⊕D84

(13)

D71=D7j⊕D72⊕D73⊕D74

(14)

D61=D6j⊕D62⊕D63⊕D64

(15)

D51=D5j⊕D52⊕D53⊕D54

(16)

通過式(9)—式(12)，便可完全恢復出d1的數據位，即實現對d1的四位錯誤數據的糾錯，同理也可對d2、d3、d4的多位糾錯。

當兩組內多位出錯時，如d1中的D81、D82出錯，而d2中的D62、D52出錯時，也可通過偶校驗對d1、d2兩組數據進行糾錯。

兩級冗余編碼完成后，由于LVDS編譯碼器可對10位并行數據完成串并轉化，為了有效利用硬件資源，同時應對傳輸過程中的碼間干擾，對發送數據流再進行直流平衡的8 bit/10 bit編碼。

3 可靠性驗證

為了驗證兩級冗余編碼能否提高數據傳輸系統的可靠性，可以先搭建試驗平臺，同時模擬測試環境，進行試驗驗證。測試平臺由地面測試設備、電纜網、采編器三部分組成。電纜網主要由240 m的屏蔽雙絞線構成，實現采編器數據的高速回傳。

實驗中，將采編器和電纜置于高低溫箱中，設置高低溫循環來模擬溫度環境，用函數發生器驅動場源發生器，產生空間磁場，模擬電磁環境。數據回傳到地面測試設備后，利用上位機嵌入的數據處理軟件，對回傳數據進行解包處理，分析傳輸過程中是否出現誤碼、丟數的現象。上位機接收的數據如圖5所示，其中“EB 90”為數據幀尾，“00 0F 9F EA～00 0F 9F F9”是幀計數，數據是F9～00的自減數。

對照表5中的傳輸速率修改FPGA程序，依次測試每種傳輸速率的平均誤碼率，每個速率都進行60 次測試，每次測試傳輸的數據量約為32 GB，測試結果見表5。

圖5 上位機接收原始數據Fig.5 Upper computer receiving original data

表5 兩級冗余編碼測試結果表

根據表5可得，未進行冗余編碼時，僅憑硬件補償電路，可以使LVDS信號在240 m雙絞線中以100 Mb/s的速率無誤碼傳輸，隨著傳輸速率的增大，誤碼率會迅速增大。然而進行兩級冗余編碼后，可以明顯看出傳輸速率不斷增加時，平均誤碼率仍然為0。

通過對比兩級冗余編碼前后的試驗結果，可以發現在傳輸速率低于100 Mb/s時，編碼前后的平均誤碼率均為0，即冗余編碼不僅沒有提高數據傳輸的可靠性，還占用了部分有效帶寬。當傳輸速率位于100～600 Mb/s之間時，兩級冗余編碼明顯地降低了數據傳輸的誤碼率，提高了傳輸系統的可靠性。

根據表5的測試結果可知，應該根據傳輸速率和傳輸距離合理選用編碼方式。針對文章中惡劣環境中的遠距離高速的傳輸條件，選用冗余編碼實現了240 m屏蔽雙絞線上的600 Mb/s的無誤碼傳輸。

4 結論

本文提出了基于FPGA的兩級冗余編碼系統，該系統通過硬件優化和軟件優化相結合的方式，來提高數據傳輸過程中的穩定性。在硬件電路中，通過添加驅動器和均衡器，增強信號的傳輸能力；在軟件邏輯方面，通過兩級嵌套編碼，字內編碼實現字內的一位糾錯，字間編碼實現字內的多位糾錯，字內糾錯和字間糾錯相結合的編碼方式，來實現對數據傳輸過程的糾錯。環境試驗結果表明，在240 m的雙絞線上，兩級冗余編碼的傳輸系統可以以600 Mb/s的速率正確傳輸。該系統已成功應用于遠距離傳輸設備上。