An Implementation of High-speed Serial Picture Transmission by RocketIO Used on space remote sensor

摘要：高速图像数据传输一直是航天遥感器发展的瓶颈，针对此问题设计基于Xilinx的Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA内嵌的RocketIO收发器硬核，应用于航天遥感器中的高速图像数据传输系统，通过8位并行120Mb/s的数据转为960Mb/s的串行数据的实验结果和仿真结果验证了其可行性、准确性和可靠性。

关键词：航天遥感器；高速图像数据；RocketIO；FPGA

Abstract: The system of the high speed picture data is the bottleneck of the development of space remote sensor .From this problem designed which is used on the system of the high speed picture data and depended on the RocketIO of FPGA.I validate its feasibility veracity and security from the imitation and the result of the experiment which is 8bit 120Mb/s data transfer 1bit 960Mb/s data.

Keywords: space remote sensor; the high speed picture data; RocketIO; FPGA

1引言

随着电-光（Electro—Optical）遥感器和高速处理器等先进技术在气象卫星、地球资源卫星、人造太空飞行器以及高性能航空飞机等各领域中的应用，高性能的数据处理系统DPS（Data Processing System）迫切需要高可靠、高传输速率的数据传输技术，解决航天遥感器获取的大量高速图像信息的传输问题。

目前，处理器的数据传输速率已远高于外部数据总线传输速率。增加并行总线宽度可以提高芯片与芯片之间、背板与背板之间的数据吞吐量，但是总线数目的增多及传输速率的加快会使PCB布线的难度提高，并且增加了信号的延时或偏移。高速串行总线接口技术成为提高数据传输带宽的有效解决途径。

高速串行总线接口技术由于将时钟与数据合并进行传输，从而克服了时钟和数据的抖动问题，能够极大提高传输速率，降低IC外围引脚数，降低功耗并获得较佳的信号完整性。为了解决航天遥感器获取的大量高速图像信息的传输问题，文章深入讨论了用于航天遥感器高速数据传输的设计过程，并且应用Xilinx公司在其Virtex-Ⅱ Pro系列FPGA中推出的RocketIO收发器硬核，对设计中的关键技术RocketIO的使用进行了详尽的描述和分析，并给出了仿真结果。

2 RocketIO的特性及工作原理

2.1 RocketIO的特性[1][3][4][5]

RocketIO（也称MGT）由物理媒质适配层（PMA）和物理编码子层（PCS）两部分组成。PCS主要包括发送FIFO、8B/10B编码器、CRC生成与校验，通路绑定与时钟修正的Elastic Buffer等。PMA包括串/并转换器、差分接收器、发送时钟生成电路、接收时钟恢复电路等。

Virtex-Ⅱ Pro系列芯片具有以下特点：

（1）每个Virtex-Ⅱ Pro根据型号的不同自带4～20组RocketIO全双工高速串行收发器，支持直流耦合和交流耦合方式；

（2）串行传输的速度在600Mb/s～3.125Gb/s;

（3）5级可调的差分输出摆幅（800～1600mV峰峰值），可以方便地和其它系统电平兼容；

（4）4级可编程预加重；

（5）50Ω/75Ω可编程片上终端电阻，不需要外接终端电阻；

（6）串行闭环自收发电路便于调试；

基于上述特点RocketIO收发器可以适用于需要高传输数据率的芯片与芯片之间的信号串行传输，高速背板以及光纤转发接口。

2.2工作原理[2][4][5][6]

500)this.style.width=500;" border=0> 图1 RocketIO收发器内部功能结构框图 Fig1. Framework of the RocketIO Transceiver function

典型的RocketIO收发器内部功能结构，在发送端按照一定的算法产生的CRC校验码被插入到将发送的并行数据，数据经过8B/10B编码写入发送FIFO，转换成串行差分数据发送。接受端接受到的串行差分信号被写入缓冲，经过串并转换，通过8B/10B解码，被写入缓冲，同时做CRC检验并行输出如图1。

2.2.1时钟及复位

RocketIO的设计传输带宽是10Gbps，RocketIO的参考时钟选用差分输入时钟，这样可极大地降低时钟抖动。同时，利用FPGA内部的DCM(数字时钟管理)产生RocketIO的主时钟，根据MGT设计的四通道绑定，分别送给RXUSRCLK、RXUSRCLK2、TXUSRCLK和TXUSRCLK2如图2。同时，由于DCM的输出时钟在LOCKED指示信号无效之前处于非稳态，不适合直接作后缀逻辑的参考时钟。所以，选择LOCKED作RocketIO的复位信号TX_RESET和RX_RESET，保证了DCM的输出时钟在RocketIO复位之后才送给下一级逻辑。

2.2.2 8B/10B转换

这种编码模式是指8个数据位转换为不连续5个以上的“1”或“0”的10位比特，以得到更好的直流（DC）平衡性。8B/10B编码可有256种组合及两种数据类型：（1）数据码组（标为D），用于数据传输。（2）特定控制码组(标为K)，用于控制序列传输。

500)this.style.width=500;" border=0> 图2 DCM和MGT信号绑定关系 Fig2.the signal tied relationship of the DCM and MGT

2.2.3并串和串并转换

在发送端，RocketIO收发器把参考时钟20倍频作为发送端的参考时钟，经过8B/10B编码的并行数据格式化转为串行数据格式，送往串行差分发送端；在接收端RocketIO收发器接收串行差分数据，时钟数据恢复电路从接收进来的数据流中提取时钟相位和频率，并且使接收的数据和该时钟保持一致。

2.2.4CRC校验原理

CRC校验采用多项式编码方法。待处理的数据块可以看作是一个n 阶的二进制多项式，由an-1Xn-1+an-2Xn-2+…+a1X+a0。如一个8 位二进制数10111101 可以表示为：1x7 + 1x6 +1x5 +1x4 +1x3 +1x2 + 0x +1。多项式乘除法运算流程与普通代数多项式的乘除法相同。多项式的加减法运算以2为模，加减时不进、错位和逻辑异或运算一致。

采用CRC 校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g（x）,并且g（x）的首位和最后一位的系数必须为1。CRC 的处理方法是：发送方以g（x）去除t（x），得到余数作为CRC 校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0为依据，判断数据帧是否出错。

CRC 校验可以100％地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于k（k 为g（x）的阶数）的突发错误。所以CRC 的生成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。CCITT 建议：2048 kbit/s的PCM 基群设备采用CRC-4 方案，使用的CRC 校验码生成多项式g(x)= x4 + x +1。采用16位CRC 校验，可以保证在1014 bit 码元中只含有一位未被检测出的错误。在IBM 的同步数据链路控制规程SDLC 的帧校验序列FCS 中，使用CRC-16，其生成多项式g(x)= x16 + x15 + x2 +1；而在CCITT 推荐的高级数据链路控制规程HDLC 的帧校验序列FCS 中，使用CCITT-16，其生成多项式g (x) = x16 + x15 + x5 +1 。CRC-32 的生成多项式g (x) = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x +1。CRC-32 出错的概率比CRC-16 低10−5 倍。

3高速数据传输系统的设计与结果

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航天遥感器高速数据传输系统采用的是120Mb/s并行8位信号通过FPGA转为960Mb/s的高速串行信号通过Virtex-Ⅱ Pro系列的RocketIO外接光纤进行传输。并应用高速串行数据光纤闭环传输来测试数据误码率，即通过CCD产生的8位并行图像信号，由FPGA接收做并串转换再由RocketIO发送和接收由FPGA再次进行串并转换利用转换前后并行信号的比较得出检测结果如图3。针对这种设计在有SmartModel模型的Modelsim-se 6.0进行仿真a、b、c、d、e、f、g、h为CCD产生的8位并行图像信号，xlxn_109为通过闭环接收到的8位并行数据，txn_out、txp_out为并串转换光纤属性的RocketIO产生的数据。通过10万次测试，a、b、c、d、e、f、g、h的波形与（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）完全符合，没有误码产生充分证明了数据精确传输的可行性如图4。

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5结论

基于Virtex-Ⅱ Pro的 RocketIO收发器对航天遥感器高速图像数据光纤传输系统的设计大大降低了高速串行设计的难度和图像数据在传输过程中的误码率。在此基础上设计的电路简单、高速、工作正常、可靠性高，完全满足航天遥感器高速图像数据光纤传输系统的技术要求。但此设计还处于初样阶段对于数据传输中的错误还没有纠错功能，除光传输协议外还没有具体的传输协议，还需要进一步完善，满足日后航天遥感器高速图像数据光纤传输系统的需要。

本文作者创新点：采用先进的串行交换型总线架构可以降低系统设计复杂度、优化系统结构、提高系统可靠性，并易于进行系统的扩充和改进。串行高速交换型总线架构处理方法的应用将为航天遥感器最终达到要求做出贡献。