基于JESD204B协议的雷达视频信号同步传输设计与实现

王 林

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



基于JESD204B协议的雷达视频信号同步传输设计与实现

王 林

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

以宽带测向接收机中多波束比幅测向为背景，设计了基于JESD204B协议的高速背板视频信号同步传输方案。时钟、JESD204B协议参数的设计合理,实现了2块多通道视频幅度采集板与1块数据处理板之间线速率为6.25 Gbps的高速同步传输，解决了多波束比幅测向前多通道视频信号传输同步问题。

多波束比幅测向；JESD204B协议；同步传输

0 引 言

随着雷达技术的发展，接收机对方位的测算精度要求越来越高。对于采用视频信号多波束比幅测向方法的宽带测向接收机，通过增加天线元数可以提高测算方位的精度[1]。然而随着天线元数的增加，视频幅度采集通道的数量也随之增加，当采集通道数增加到一定数量时，受印制电路板(PCB)布局密度的限制，采集通道将分布在2块或者多块电路板上，此时必然涉及到多板间数据同步传输问题。

本文设计了128路定向天线视频信号的数据传输方案，受PCB布线的限制，采集128路定向天线视频信号的128个模数转换器(ADC)需平均分配在2块视频幅度采集板上。由于视频幅度采集板发送的视频幅度数据在接收端数据处理板上需完成多波束比幅测向、空域滤波、指定波束信号跟踪等多种功能，所以必须考虑到视频信号数据的同步传输及汇总问题。本文通过对系统中时钟和JESD20B参数的合理设计，实现了2块视频幅度采集板与1块数据处理板之间的多通道视频信号高速同步传输，解决了在进行多波束比幅测向前多通道视频信号传输的同步问题。

1 JESD204B协议及数据同步传输

1.1 JESD204B协议

JESD204描述了一种高速模数转换器与后端数字信号处理设备之间的高速串行接口协议，它在2006年首次提出时，只支持单通道数据率为3.125 Gbps的数据传输；其升级版JESD204A增加了多路高速数据传输的功能；2011年发布了JESD204A修订版JESD204B，它在JESD204A基础上又增加了传输确定性延迟的功能，并且它的最高传输速率可达12.5 Gbps。在接收机中，JESD204B常用于高速模数转换器通过串行接口与后端数字信号处理设备之间的高速ADC采集数据传输[2-3]。与TTL、CMOS、LVDS、CML标准接口相比，采用JESD204B设计的接口具有较高的传输速率和较低的功耗，且在传输同样数据量时，所需要的接口数量较少，这样可以降低布线难度，减小电路板尺寸。与常用的高速传输协议Aurora及RapidIO相比，JESD204B采用子类1和2工作模式传输数据时具有确定性延迟特点(数据传输同步)，无需额外编写同步逻辑，减少了调试接口数据同步的工作量。

1.2 JESD204B 的数据编码与帧同步

JESD204B协议采用工业标准中常用的8B/10B编码，它用于在每个字节中额外加入2个比特数以保持高速串行通路的直流平衡(使发送的“0”、“1”数量保持一致)，这样有利于减少传输错误。除此之外，在编码过程中可以插入一些控制字符以帮助接收端对串行数据的还原，并且可以在传输前期发现数据位的传输错误，避免传输错误的发生。数据通过8B/10B编码后，会以特定的规则组成帧、多帧的数据结构，每帧和每多帧的数据量都可以根据需求自己定义，帧数据通过特定的控制字符进行帧对齐，如图1所示。图1中D表示经8B/10B编码后的传输数据，/F/=/K28.7/控制字符用于串行数据流中的帧对齐，/A/=/K28.3/控制字符用于串行数据流中的多帧对齐。

图1 帧对齐示意图

1.3 子类1工作模式

本文使用的是JESD204B子类1工作模式，其同步传输原理如图2所示。当数据发送端(TX Device)和数据接收端(RX Device)建立链接后，RX Device会拉低TX Device 的SYNC～管脚，使得TX Device进入CGS阶段，此时TX Device会向RX Device发送控制/K/=/K28.5/字符请求同步。当RX Device接收到至少4 个/K/字符时就表示链接建立成功。此时，TX Device和RX Device共同等待系统参考时钟信号SYSREF，TX Device检测到SYSREF后会重新初始化多帧时钟信号(LMFC)，使其与SYSREF相位同步。RX Device检测到SYSREF后将重新建立LMFC时钟信号，使其与SYSREF保持相位同步，并置位SYNC～。TX Device 检测到SYNC～信号之后，会在下一个LMFC到来之后开始发送对齐序列(ILAS)。RX Device接收到ILAS后，将数据存入缓存区，并在下一个LMFC到来之后释放缓存区，如图2所示。这样使得不同时间到达的数据通过缓存区后都具有固定的LMFC延迟，从而达到数据同步传输的目的。

图2中：/R/=/K28.0/控制字符用于指示多帧的开始；/Q/=/K28.4/控制字符用于指示接收器配置数据开始；/C/ 表示JESD204B链接配置数据。

2 方案设计与实现

系统方案设计中宽带测向接收机测向原理为多波束比幅测向，如图3所示。多路定向天线的射频信号经过视频检波器(DLVA)转换成视频信号传送到视频幅度采集板上的各个ADC， ADC采集的数据通过并行总线传输给板上的现场可编程门阵列(FPGA)，FPGA将收到的视频信号数据整合并通过高速收发器(GTX)同步传输给数据处理板上的FPGA，经比较各路视频信号幅度大小给出方位结果。根据JESD204B协议，为保证2块视频信号采集板的LMFC相位同步，SYSREF时钟信号统一由数据处理板产生。同时，3块电路板上的主时钟都由数据处理板上的时钟CLK提供，视频幅度采集板1和视频幅度采集板2收到数据处理板分发的时钟CLK后，通过时钟分配芯片(Clock Buffer)产生FPGA的主时钟CLK和GTX参考时钟GTXREFCLK，而ADC的采样时钟AD_CLK由FPGA提供，如图3所示。

图2 数据同步示意图

图3 同步传输设计方案示意图

设计中采集视频信号的ADC采样率为100 MHz，采样位宽10 bit，ADC数据量合计达到128 Gbps。通过计算可知，每块视频幅度采集板可通过12个通道以6.25 Gbps的线速率进行高速传输。本方案中JESD204B协议是通过Xilinx公司提供的IP核JESD(6.0)实现板间串行数据同步传输的。该IP核默认设置为子类1工作模式，最多支持12 lane的通道绑定等特性。在具体设计时有以下注意点：

(1) 用帧模式传输数据，数据帧主要参数有F(每帧数据的字节数)和K(多帧数据所包含的帧数)；

(2) SYSREF时钟周期必须是多帧数据(F·K)周期的整数倍，且如果多帧数据周期不是4个字节数据周期整数倍时，SYSREF还必须是4个字节数据时钟周期的整数倍；

(3) 为了获得确定性延迟(传输同步)，SYSREF时钟信号必须与核时钟(tx_core_clk)同步。

使用函数信号发生器给2个视频幅度采集板的第10个通道外加模拟雷达视频信号，脉宽为200ns，重复周期1μs，信号幅度2V。结果如图4所示，S1_10和S2_10分别表示数据处理板上接收到的来自视频幅度采集板1和视频幅度采集板2的第10个通道的信号幅度数据。结果表明，视频数据完全同步，达到预期设计要求。

图4 视频信号同步结果

3 结束语

本文对JESD204B的同步原理进行了分析，给出了在多波束比幅测向接收机背景下的雷达视频信号同步传输设计与实现结果。结果表明数据处理板收到的视频信号完全同步，满足设计需求，为多波束比幅测向接收机提供了很好的技术保障。目前，也实现了3块AD采集板与1块数据处理板间的数据高速同步传输，这表明此种设计方案具有扩展性。

[1] 顾敏剑.多波束比幅测向系统精度分析[J].船舶电子对抗，2007，30(3):70-73.

[2] 张峰，王战江.基于JESD204协议的AD采样数据高速串行传输[J].电讯技术，2014,52(2):174-177.

[3] 陈洋，俞育新，奚俊.基于JESD204B协议的相控阵雷达下行同步采集技术应用[J].雷达与对抗，2015,35(2):38-41.

Design and Realization of The Synchronous Transmission of Radar Video Signals Based on JESD204B Protocol

WANG Lin

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

In the background of multi-beam amplitude-comparison direction finding in the broadband direction finding receiver,this paper designs the synchronous transmission scheme for high-speed backplane video signal based on JESD204B protocol.The design of clock and JESD204B protocol parameters is reasonable,which realizes the 6.25 Gbps high-speed synchronous transmission between two multi-channel video amplitude collection boards and one data processing board,solves the synchronous transmission problem of multi-channel video signals before multi-beam amplitude-comparison direction finding.

multi-beam amplitude-comparison direction finding;JESD204B protocol;synchronous transmission

2016-08-20

TN851

A

CN32-1413(2016)05-0098-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.025