杨 阳等 一种基于ＦＰＧＡ的万兆光纤以太网高速传输方法 一种基于ＦＰＧＡ的万兆光纤以太网高速传输方法 杨 阳，刘 剑，蒋延倜，李赛辉 （中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京２１１１５３） 摘要：介绍了一种基于ＦＰＧＡ的万兆光纤以太网高速传输的设计方法。在研究ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．３和８０２．３ａｅ规范的基础上，采用ＦＰＧＡ与ＳｈａｒｐＰｃａｐ的技术，实现了万兆光纤以太网的高 速数据传输链路，其中利用ＦＰＧＡ实现了万兆以太网协议的媒体访问层（ＭＡＣ）与物理层 （ＰＨＹ）的相应功能，并利用ＳｈａｒｐＰＣａｐ在主机端实现网络数据包收发。经过实际系统测试和 性能分析，传输速率达到６４００ Ｍｂ／ｓ，能够满足新雷达的高速数据传输需求。 关键字：雷达；信号处理；ＦＰＧＡ；万兆以太网；高速数据传输 中图分类号：ＴＰ３９３．１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—０４０１（２０１５）０３—００２３—０５ Ａ １０ Ｇｉｇａｂｉｔ ＢＡＳＥ—Ｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ，ＪＩＡＮＧ Ｎａｉ—ｔｉ，ＬＩ Ｓａｉ—ｈｕｉ （Ｎｏ．７２４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ １ １５３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ １０ Ｇｉｇａｂｉｔ ＢＡＳＥ－Ｒ Ｅｔｈｅｍｅｔ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＦＰＧＡ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．３ ａｎｄ ８０２．３ａｅ，ｔｈｅ １０ Ｇｉｇａｂｉｔ ＢＡＳＥ—Ｒ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｋ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ａｎｄ ｔｈｅ ＳｈａｒｐＰｃａｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｄｉａ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ （ＰＨＹ）ｏｆ ｔｈｅ １ ０ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＦＰＧＡ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖ－ ｉｎｇ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄａｔａ ｐａｃｋｅｔｓ ａｔ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＳｈａｒｐＰｃａｐ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｐｅｒ— ｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ６４００ Ｍｂ／ｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅ— ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｒａｄａｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｄａｒ；ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＦＰＧＡ；１０ Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ０ 引 言 随着超宽带相控阵雷达以及数字阵列多波束信号 处理技术的发展，系统的数据吞吐能力及数据传输带 宽需求呈现出爆炸性增长趋势。同时，为了实现对宽 序，额外增加了设计成本以及软硬件开发复杂度。近 年来随着以太网技术的发展，万兆以太网逐渐得以应 用，从而使得借助计算机自身资源实现高速海量数据 传输成为可能。 本文以ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ８０２．３－２００８和８０２．３ａｅ一 ２００８规范为基础，介绍了一种基于ＦＰＧＡ的万兆光纤 带阵列雷达多波束性能测试，也需要构建高速数据传 输通道，完成多波束数据的快速进机处理，实现雷达性 能的实时检测分析。 常规的雷达波束性能测试一般采用光纤进机卡与 以太网高速传输设计方法，并构建了传输系统实现性 能测试。雷达设备通过ＦＰＧＡ的高速接口实现万兆以 太网协议的ＭＡＣ层与物理层功能，并以光纤形式输出 雷达设备对接，并通过ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ总线输出到计算 机。这种方式需要研制光纤进机卡硬件和设备驱动程 收稿日期：２０１５－０３－３０；修回日期：２０１５－０４－０３ 万兆以太网接口，将数据直接通过万兆以太网卡输入 到计算机内存中进行分析。 作者简介：杨阳（１９８９．），男，助理工程师，硕士，研究方向：雷达信号处理；刘剑（１９８３－），男，工程师，硕士，研究方向：雷达信号处 理；蒋遁倜（１９８４一），男，工程师，硕士，研究方向：雷达信号处理；李赛辉（１９８４一），男，工程师，硕士，研究方向：雷达信号 处理。 一２３— 杨 阳 等 一种基于ＦＰＧＡ的万兆光纤以太网高速传输方法 控制等相关功能 Ｊ。 （１）数据发送引擎 数据发送引擎框图如图３。ＦＩＦＯ每次将６４ｂｉｔ数 据读出分别置于传输端口和ＣＲＣ校验模块，同时将操 作通知发送长度计数模块。发送状态机通过读取发送 长度计数，来判断将地址、类型、数据、校验码等何种信 息置于传输端口。发送状态机也负责分析、生成 ＡＸＩ４一Ｓｔｒｅａｍ总线上规定的控制信号，如传输准备、字 符有效、时钟有效、传输结束等。在每一帧传输完成之 后，帧间隔计数开始运行，当计数达到预先读取寄存器 的值时，则开始下一轮传输。 图３数据发送引擎 （２）数据接收引擎 数据接收引擎用于接收网络数据包。在本系统中 主要用于实现上位机控制参数的接收，以便实现对本 系统的控制。其接收数据状态机如图４所示。 图４接收状态机 状态机的启动由起始符ＳＦＤ触发。在接收到目 的地址、长度／类型、校验码等信息时，状态机都会判断 是否与当前状态匹配，若匹配则进入下一状态，若发现 问题则产生接收错误指示信号，并回到空闲状态，继续 监听ＳＦＤ起始符。 （３）ＰＣＳ／ＰＭＡ模块 对ＸＧＭＩＩ接口来说，在收发方向上各有４个通 道，每个通道包含８ｂｉｔ数据和１ｂｉｔ控制位。这４个通 道工作在同一１５６．２５ ＭＨｚ的时钟下，且由于采用的 是ＤＤＲ传输方式，故其单向传输能力达到了１０ Ｇｂｐｓ。 １０Ｇ ＢＡＳＥ．Ｒ中，ＰＣＳ对ＸＧＭＩＩ双边沿采样后进 行的是６４Ｂ／６６Ｂ编码。由于不能提供高转换密度的 ０／１比特流，在编码之后必须对数据加扰码。生成扰 码的特征多项式为Ｇ（ ）＝１＋ ＋ 弱ｌ４ Ｊ。变速箱的 本质是一个异步ＦＩＦＯ，在将数据变速后，通过ＳｅｒＤｅｓ 将数据串行，差动地发送出去。 ２ 系统性能测试 上位机测试程序基于．ＮＥＴ和ＳｈａｒｐＰｃａｐ技术编 写。ＳｈａｒｐＰｃａｐ将ＷｉｎＰｃａｐ底层网络访问驱动进行统 一封装。利用ＳｈａｒｐＰｅａｐ可以枚举主机内的网络接口 设备，通过选定的网络接口设备实现底层网络数据包 的捕获与发送。ＳｈａｒｐＰｃａｐ可以设置内核缓冲区的大 小，捕获较高传输速率的网络数据包，并且还可以过滤 只接收特定ＭＡＣ地址的数据包，实现数据包的存盘。 测试程序流程如图５。在上位机程序枚举并选定 万兆网卡后，其向本传输系统发送一个约定的网络数 据包。传输系统在收到该数据包后则返回一个确认 包。应用程序则根据此数据包解析出本传输系统的相 关厂商设备，以及物理位置。在设置传输系统相关参 数开始数据采集后，应用程序则首先根据网络数据包 的标签号判断有无数据包的丢失情况，然后再判断数 据包内的数据有无误码的情况。采集结束后，应用程 序则显示该次采集数据误码的情况。在数据率较低的 情况下，应用程序可将采集的数据存盘。 枚举网络设备 选定网络设备 统计传输系统误 码率并显示 二二 解析传输系统 发送停止采集 相关物理信息 ａｔ＃ 发送采集速率Ｉ ．Ｉ 捕获数据包 开始采集等命令ｒ——＿，１ 校准数据包 图５测试程序流程图 测试时，系统通过光纤与上位机的万兆以太网卡 实现连接。其中，万兆以太网卡使用的是英特尔公司 的Ｓｅｒｖｅｒ Ａｄａｐｔｅｒ Ｘ５２０－１；主机操作系统为６４位Ｗｉｎ７ ＳＰ１；ＣＰＵ使用的是Ｃｏｒｅ ｉ７－４７７０ｋ。测试界面如图６。 一２５— 杨 阳 等 一种基于ＦＰＧＡ的万兆光纤以太网高速传输方法 频繁响应网络数据包的中断，在网络数据包有效载荷 较小时，相对带来较大的系统开销，故造成上述两种情 况。若不考虑上位机的接收处理能力，本传输系统可 以实现接近１０Ｇｂｐｓ的有效传输。 参考文献： ［１］ ＩＥＥＥ Ｓｔａｎｄａｒｄ ８０２．３ ａｅ－２００８ Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎ． ｔｒｏｌ（ＭＡＣ）Ｐａｒａｍｅｔｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒｓ，ａｎｄ Ｍａｎ－ ａｇｅｍｅｎｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ １０Ｇｂｐｓ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ３ 结束语 本文根据ＩＥＥＥ ８０２．３和８０２．３ａｅ规范，在分析万 ［Ｓ］，２０１２． ［２］ 戴居丰，贺传峰，等．万兆以太网物理层实现的 研究［Ｊ］．高技术通讯，２００５． ［３］ 张友亮，刘志军，等．万兆以太网ＭＡＣ层控制器 的ＦＰＧＡ设计与实现［Ｊ］．计算机工程与应 用，２０１２． 兆以太网协议的基础上，研制雷达数据高速传输系统， 阐述各个模块的功能和实现方法，并对系统的进行性 能测试。相比传统光纤进机卡的实现方式简化了设 计，降低了成本。经过系统的测试和性能分析，采集速 率达到６４００Ｍｂ／ｓ，能够满足新雷达的高速数据传 输需求。 ［４］ 苗澎，王志功，等．万兆以太网物理层技术［Ｊ］． 电路与系统学报，２００６． （上接第１４页） 模方法以及对新人库目标一维像的自适应角域建模方 ４仿真实验结果 为了验证本文提出方法的有效性和可行性，本节 法能够有效地解决ＨＲＲＰ目标识别中的小样本敏感 性和姿态敏感性问题。仿真结果表明该方法的有效性 和可行性。 参考文献： 利用外场试验采集的５批海面目标数据（信噪比１５ ｄＢ以上）进行验证。测试方法为取６０％数据作为训 练样本进行等间隔角域建模，取２０％数据作为新人库 ［１］保铮，刑孟道，王彤．雷达成像技术［Ｍ］．北京： 电子工业出版社，２００５． 数据进行自适应角域建模，取余下的２０％数据作为测 试，利用斯皮尔曼等级相关系数作为判决准则进行模 板匹配。测试结果如表１。 表１模板匹配法识别结果（％） ［２］ 袁莉．基于高分辨距离像的雷达目标识别方法 研究［Ｄ］．西安电子科技大学，２００７．４． ［３］ 杜兰，刘宏伟，保铮，张军英．基于复数高分辨距 离像特征提取的雷达自动目标识别［Ｊ］．中国科 学，２００９，３９（７）：７３１．７４１． ［４］ 付建胜．宽带雷达距离像识别研究［Ｄ］．电子科 技大学，２０１２．４． ［５］ 王菁．光学区雷达目标散射中心提取及其应用 研究［Ｄ］．南京航空航天大学，２０１０．５． 从表中可以看出，通过模板匹配平均识别正确率 可以达到８０％以上。这表明本文针对小样本敏感性 和姿态敏感性提出的在等角域划分的基础上进行自适 应角域划分建模方法是有效可行的。 ［６］ 潘勉．雷达高分辨距离像目标识别技术研究 ［Ｄ］．西安电子科技大学，２０１３．４． ［７］ Ｌｊ Ｈ Ｊ，Ｙａｎｇ Ｓ Ｈ．Ｕｓｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ａｓ ｆｅａｔｕｒｅ ｖｅｃｔｏｒｓ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｏｂｊｅｃｔｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ａ．Ｐ．，１９９３，４１（３）：２６１－２６８． ５ 结束语 本文提出的基于小样本训练数据的等间隔角域建 一２７—
