摘要：突發(fā)模式誤碼測試儀與一般連續(xù)誤碼測試儀不同，其接收端在誤碼比對前要實現(xiàn)在十幾位內(nèi)，對具有相位跳變特點的信號進行時鐘提取和數(shù)據(jù)恢復(fù)，并且在誤碼比對時須濾除前導(dǎo)碼和定界符，僅對有效數(shù)據(jù)進行誤碼統(tǒng)計。本文提出一種基于FPGA實現(xiàn)的高速突發(fā)模式誤碼測試儀設(shè)計方案，并介紹該方案的總體設(shè)計過程，以及FPGA中主要功能邏輯模塊的工作原理和控制系統(tǒng)的設(shè)計。該測試儀應(yīng)用于1．25 GHz GPON系統(tǒng)突發(fā)式光接收模塊的誤碼測試中，具有較好的性能和實際意義。

引言

無源光網(wǎng)絡(luò)PON以其*的優(yōu)勢在網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)規(guī)模化地應(yīng)用。由于GPON系統(tǒng)在現(xiàn)有PON系統(tǒng)中帶寬利用率zui高，系統(tǒng)成本zui低，且具有全業(yè)務(wù)支持能力，因此其前景被普遍看好，成為眾多電信運營商和設(shè)備制造商推崇的寬帶接入技術(shù)。

在GPON中，下行數(shù)據(jù)是以廣播形式發(fā)送的，上行數(shù)據(jù)由多個用戶終端按時分多址的方式發(fā)送的數(shù)據(jù)包組成。因傳輸路徑不同，各數(shù)據(jù)包有不同衰減，不同數(shù)據(jù)包相位間存在跳變，數(shù)據(jù)包中存在長連“1”、“0”，這些因素的影響使得OLT突發(fā)接收模塊接收的信號是特殊的突發(fā)光信號。對于上行的突發(fā)信號，OLT突發(fā)接收模塊不僅要從中恢復(fù)出幅值相等的信號，而且要消除相位突變，即完成時鐘和相位的對齊，因此OLT輸出的信號應(yīng)該為幅值相等且時鐘和相位對齊的電信號。本突發(fā)模式誤碼測試儀的作用是，準(zhǔn)確地判斷被測的OLT突發(fā)接收模塊的完成幅值恢復(fù)響應(yīng)時間和其可靠性。

1 突發(fā)模式誤碼測試原理

與一般連續(xù)誤碼測試儀相同的是，突發(fā)誤碼測試儀也由發(fā)送和接收兩部分組成。發(fā)送部分發(fā)送可預(yù)知的信號作為測試信號來模擬實際信道中傳輸信號，并將該信號送到待測設(shè)備中；接收部分產(chǎn)生與發(fā)送部分相同的信號，用以和接收的信號逐位比對，并統(tǒng)計誤碼數(shù)和誤碼率。

與一般連續(xù)誤碼測試儀不同的是，突發(fā)誤碼測試儀發(fā)送部分發(fā)送的測試信號要模擬突發(fā)信號，即具有相位突變和幅度不均衡的特點。此外，接收部分要從接收到的可能存在相位跳變信號中準(zhǔn)確地提取時鐘和恢復(fù)數(shù)據(jù)。

根據(jù)突發(fā)誤碼測試儀的特點，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

突發(fā)接收模塊（BMRx）是要測試的模塊。突發(fā)誤碼測試儀用FPGA邏輯來實現(xiàn)兩路時分復(fù)用（TDMA）數(shù)據(jù)的輸出，兩路數(shù)據(jù)先分別通過光可變衰減器不同幅度的衰減后，再經(jīng)過不同長度的光纖的時延，zui后經(jīng)過光合路器合為1路信號輸出。光合路器的輸出數(shù)據(jù)近乎于實際GPON中的上行突發(fā)信號，且假定信號在經(jīng)過這些路徑后沒有出現(xiàn)誤碼。模擬的突發(fā)信號在經(jīng)過待測突發(fā)接收模塊后，經(jīng)過包分離電路提取1路包數(shù)據(jù)（ON-U#1或ONU#2），該路包數(shù)據(jù)zui后經(jīng)過突發(fā)模式時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)芯片提取出時鐘和4路并行數(shù)據(jù)。FPGA將提取的時鐘作為誤碼比對的源時鐘，并將4路并行數(shù)據(jù)重構(gòu)造后與本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行比對，統(tǒng)計誤碼。

2 FPGA中邏輯功能模塊設(shè)計

作為實現(xiàn)突發(fā)模式誤碼測試儀的重要芯片，F(xiàn)PGA主要實現(xiàn)如下功能：

①發(fā)送端產(chǎn)生兩路高速的時分復(fù)用信號，這兩路信號要具有GPON上行數(shù)據(jù)包的特點，即32位保護時間，44位前導(dǎo)碼，20位定界符。

②接收部分將接收到的4位寬的數(shù)據(jù)并化為8位寬的數(shù)據(jù)，并搜尋定界符將接收的數(shù)據(jù)進行邊界對齊。

③誤碼檢測器將接收到的邊界對齊后的數(shù)據(jù)與本地產(chǎn)生的偽隨機碼進行比對，僅對有效數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的誤碼進行統(tǒng)計。

④同步檢測，失步后的重新同步。

圖2為FPGA中實現(xiàn)的主要邏輯功能模塊。


①控制信號譯碼器根據(jù)Microblaze微處理器通過GPIO_IN輸入的地址信息，將控制信息賦值給誤碼測試邏輯模塊相應(yīng)的控制信號。控制信息主要包括：包長度、保護時間長度、前導(dǎo)碼長度、碼型選擇、GTP屬性的DRP地址和值、時鐘合成芯片的控制信息等。

②狀態(tài)編碼器將誤碼測試模塊的狀態(tài)信息存儲映射到不同地址的GPIO_OUT上，然后傳送給Microblaze微處理器。輸出的狀態(tài)信息主要包括：誤碼比特數(shù)、接收到的總碼數(shù)、同步狀態(tài)、接收無信號等。

③碼型產(chǎn)生器模塊包含PRBS產(chǎn)生器和數(shù)據(jù)包頭產(chǎn)生器2個子模塊。PRBS產(chǎn)生器根據(jù)碼型選擇控制信號產(chǎn)生相應(yīng)碼型的8位寬度偽隨機序列，數(shù)據(jù)包頭產(chǎn)生器模擬GPON上行數(shù)據(jù)包包頭結(jié)構(gòu)的特點中產(chǎn)生類似前導(dǎo)碼和定界符的碼型。碼型產(chǎn)生器模塊還包含1個數(shù)據(jù)包封裝有限狀態(tài)機，它的主要作用是產(chǎn)生發(fā)送碼狀態(tài)的控制信號，將包頭數(shù)據(jù)、包間隔（保護時間）、CID（長連O／1）穿插在PRBS中以模擬GPON上行數(shù)據(jù)。包含兩路包信號的數(shù)據(jù)txdata在與包分離信號相與后，分離成兩路時分復(fù)用的信號txdata0和txdatal，時序如圖3所示。



④GTP0和GTPl為FPGA芯片的固核。它將低速的8位寬度的并行數(shù)據(jù)txdatal和txdata2串化為1路高速的串行數(shù)據(jù)，可以通過修改GTP的DRP屬性來改變發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。GTP還負責(zé)向發(fā)送端提供同步時鐘。

⑤數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊將接收到的4位寬的數(shù)據(jù)并化為8位寬的數(shù)據(jù)，并搜尋16位定界符將接收的數(shù)據(jù)進行邊界對齊。

⑥誤碼檢測器主要由1個本地偽隨機序列產(chǎn)生器、1個接收狀態(tài)機和1個同步檢測狀態(tài)機構(gòu)成。本地偽隨機序列產(chǎn)生器與發(fā)送端的隨機序列產(chǎn)生器階數(shù)和本原多項式相同，它生成的偽隨機數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)進行比對，對比的結(jié)果由誤碼計數(shù)器進行統(tǒng)計。接收狀態(tài)機根據(jù)定界符檢測信號和包長（包1或包2）計數(shù)器來判斷接收的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，并生成一個有效數(shù)據(jù)指示信號。同步檢測狀態(tài)機根據(jù)比對結(jié)果判斷本地隨機序列產(chǎn)生器生成的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)同步，如果沒有同步，本地偽隨機序列產(chǎn)生器將從接收的數(shù)據(jù)中截取32位的連續(xù)信號作為其移位寄存器的初始值來產(chǎn)生后面的數(shù)據(jù)以重新同步（灌碼同步）。

⑦誤比特計數(shù)器用來統(tǒng)計誤比特數(shù)，它僅對有效數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的誤碼進行統(tǒng)計。接收字計數(shù)器用來統(tǒng)計接收到的有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中使用Microblaze嵌入式軟核處理器來實現(xiàn)對誤碼測試儀邏輯部分的控制，控制部分的硬件框圖如圖4所示。GPIO1用于處理器與BERT核的通信；GPIO2與LED和撥碼開關(guān)相連，用于顯示狀態(tài)和板級控制誤碼測試儀；GPl03與LCD相連，將誤碼測試結(jié)果顯示于LCD上；count-er 64為64位寬的計數(shù)器，用于記時。UART通過RS232與電腦相連，讀取在PC上設(shè)定的控制信息并將誤碼測試結(jié)果和誤碼儀的狀態(tài)詳細地顯示在PC上。

控制程序包含的函數(shù)主要有GPIO驅(qū)動、UART驅(qū)動、LCD驅(qū)動、GTP DRP屬性的讀改寫函數(shù)、BERT的控制和狀態(tài)讀取函數(shù)、誤碼率計算函數(shù)、主函數(shù)等。主函數(shù)提供一個用戶與誤碼測試儀交互的平臺，其流程如圖5所示。

在上電或復(fù)位后，系統(tǒng)初始化LCD和UART，并加載上次保存的用戶設(shè)置以初始化BERT。然后進入主菜單，主菜單上可以通過選擇相應(yīng)選項進入相應(yīng)的操作。通過讀取誤碼測試加載的上次保存的用戶設(shè)置，核對本次用戶需要的設(shè)置是否與上次保存的設(shè)置相同，如果不同可以返回主菜單，從主菜單進入相應(yīng)的設(shè)置操作，進行參數(shù)的修改。修改完畢后，如果用戶要保存本次設(shè)置，可以進行保存再返回主界面；如果不需要保存，則直接返回主界面。從主界面上可以選擇誤碼測試顯示進入誤碼測試結(jié)果顯示界面，在顯示誤碼測試結(jié)果前，控制程序會*行計算誤碼率，以保證實時顯示誤碼測試結(jié)果。

4 系統(tǒng)驗證與設(shè)計總結(jié)

為了驗證系統(tǒng)的性能，分別用該儀器做了自環(huán)測試和對1．25 GHz GPON系統(tǒng)突發(fā)式光接收模塊的誤碼測試。在自環(huán)測試中，發(fā)送的數(shù)據(jù)不通過光路直接送到BMCDR的接收端。測試結(jié)果表明，在電信號信道中誤碼測試系統(tǒng)自身不會誤碼。在對1．25 GHz GPON系統(tǒng)突發(fā)式光接收模塊測試過程中，采用兩個步驟的測試。步驟1中，按圖1連接誤碼測試系統(tǒng)，兩路數(shù)據(jù)包信號0UN#1和0UN#2都不經(jīng)過可變光衰減器的衰減，經(jīng)光合路器合路后的光信號中所有包信號幅值一致，用以驗證誤碼測試系統(tǒng)光路中是否產(chǎn)生誤碼，實驗結(jié)果同樣驗證了誤碼測試系統(tǒng)自身不會產(chǎn)生誤碼。步驟2中，對一路數(shù)據(jù)包信號進行不同幅度的衰減，使光合路器輸出的光信號存在幅值的跳變，并在兩路數(shù)據(jù)包信號存在不同幅值跳變的情況下，分別測試突發(fā)式光接收模塊的誤碼性能。試驗中使用的被測突發(fā)式光接收模塊強包弱包幅度相差20 dB，保護時間為32位，速率為1．248 8 Gbps的情況下誤碼率低于10-12。，說明此誤碼測試系統(tǒng)具有較好的性能。