光通信方向FPGA该怎么学？

原创 FPGA技术江湖 2024-09-19 08:32

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今天给大侠带来在FPAG技术交流群里平时讨论的问题答疑合集（十六），以后还会多推出本系列，话不多说，上货。

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交流问题（一）

Q：光通信方向FPGA该怎么学？

光通信方向，主要是做高速相干光通信和数字信号处理的，做一些高阶通信编码，概率整形之类的，之前都是离线在matlab上实现，现在要用FPGA做实时化，也自学了大半年的FPGA了，感觉啥也没学，网上的信息又杂又乱，所以希望能得到一些学习建议和指导。

A：学习光通信方向的 FPGA 并实现从离线 Matlab 到实时 FPGA 的转变，需要一个系统的学习过程，以下是一些建议，仅供参考：

1. 巩固基础知识：

• 数字电路和数电知识：确保对数字电路的基本概念，如逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路等有深刻理解。能熟练分析和设计简单的数字电路，这是理解 FPGA 内部逻辑结构的基础。例如，掌握如何通过逻辑门构建加法器、计数器等电路。

• 硬件描述语言：精通 Verilog 或 VHDL 语言，不仅要掌握语法，更要理解其硬件思维方式，与软件编程的顺序执行不同，硬件描述语言是并行执行的。比如，用 Verilog 描述一个简单的状态机，理解其并行执行的特点。

2. 深入学习 FPGA 原理与架构：

• FPGA 内部结构：了解 FPGA 内部的可编程逻辑单元、可编程连线和可编程 I/O 模块等的工作原理和相互关系。清楚知道如何通过配置这些资源来实现特定的逻辑功能。

• FPGA 开发流程：熟悉从设计输入、综合、布局布线到生成配置文件的整个开发流程，以及每个环节的作用和常见工具的使用，如 Xilinx 的 Vivado、Altera 的 Quartus 等。

3. 掌握数字信号处理基础：

• 信号与系统知识：复习信号与系统的基本理论，包括连续时间信号与离散时间信号、傅里叶变换、拉普拉斯变换等，这些是理解数字信号处理的基础。

• 数字信号处理算法：深入学习数字信号处理中的常见算法，如滤波（FIR、IIR 滤波器）、FFT（快速傅里叶变换）、数字调制解调等，明白其原理和应用场景。以 FIR 滤波器为例，要理解其系数设计、实现结构和性能特点。

4. 结合光通信知识：

• 光通信原理：熟悉光通信的基本原理，包括光的调制、传输、接收等过程，了解相干光通信的特点和优势，以及高阶通信编码、概率整形等技术在光通信中的作用。

• 光通信协议：学习相关的光通信协议，如 SDH、SONET 等，掌握协议的帧结构、数据格式和通信流程，以便在 FPGA 中实现对这些协议的处理。

5. 实践项目锻炼：

• 简单模块实现：从实现一些简单的光通信相关模块开始，如光信号的检测与转换模块、低速光通信协议控制器（如 IIC、SPI 等），通过实践加深对 FPGA 开发的理解，掌握硬件实现的技巧。

• 复杂系统设计：逐步尝试设计复杂的光通信系统，如包含高阶通信编码、概率整形功能的实时光通信系统，将数字信号处理算法和光通信技术融合在 FPGA 中实现，锻炼系统级的设计和调试能力。

6. 优化与调试技巧：

• 资源优化：在设计过程中，学会优化 FPGA 资源的使用，如减少逻辑资源的占用、合理使用存储资源等，以提高系统的性能和效率。

• 调试方法：掌握 FPGA 的调试技巧，如使用示波器、逻辑分析仪等工具来观察信号波形和时序，通过在线调试功能实时监测和修改 FPGA 内部的信号和状态，快速定位和解决问题。

7. 参考学习资源：

• 专业书籍：选择一些经典的 FPGA 设计和数字信号处理相关的书籍，如《FPGA 数字信号处理实现原理及方法》《数字信号处理——原理、算法与应用》等，系统地学习理论知识。

• 在线课程：利用一些在线学习平台提供的 FPGA 和光通信方向的课程，跟随专业讲师的讲解和实践指导进行学习。

• 开源项目：参考一些开源的 FPGA 光通信项目，学习他人的设计思路和代码实现，从中获取经验和启发。

8. 持续学习与交流：

• 关注行业动态：光通信技术和 FPGA 领域都在不断发展，持续关注最新的研究成果、新技术和新产品，及时了解行业的发展趋势，将新的知识和技术融入到自己的学习和实践中。

• 加入技术社区：参与 FPGA 和光通信相关的技术论坛、社区或群组，与其他学习者和专业人士交流经验、分享问题和解决方案，拓宽自己的视野和思路。

交流问题（二）

Q：aurora的通信速率怎么计算？

A：一、基本概念

Aurora 是一种高速串行通信协议，常用于 FPGA 之间或 FPGA 与其他设备之间的数据传输。通信速率通常以比特每秒（bps）为单位。

二、计算公式

通信速率 = 线路速率（也称为符号速率）× 每个符号所携带的比特数。

1. 线路速率：取决于 Aurora 所使用的物理层技术和硬件设置。例如，如果使用特定的高速串行收发器，其线路速率可能由收发器的时钟频率和编码方式决定。

2. 每个符号所携带的比特数：由 Aurora 的编码方案确定。常见的编码方式如 8B/10B 编码，每个符号携带 8 位有效数据和 2 位控制信息，所以每个符号携带的比特数为 8。

三、举例说明

假设 Aurora 使用的线路速率为 10 Gbps，采用 8B/10B 编码方式。

则通信速率 = 10 Gbps × (8/10) = 8 Gbps。

四、影响因素

1. 硬件性能：包括收发器的质量、时钟稳定性等，会影响实际的线路速率。

2. 编码效率：不同的编码方式会导致每个符号携带的比特数不同，从而影响通信速率。

3. 传输距离：随着传输距离的增加，信号可能会衰减，需要采取信号补偿措施，这可能会降低通信速率。

总之，计算 Aurora 的通信速率需要考虑线路速率和编码方式等因素，同时实际的通信速率还会受到硬件性能和传输环境等多种因素的影响。

交流问题（三）

Q：Verilog编码问题：如何在避免推断出锁存器的前提下实现期望的功能？

为了避免推断出锁存器，要在条件语句的所有分支上为每个变量赋值，那么就有下面的代码：

  reg [7:0] next ;    always @(*)     begin      if (rst == 1) next = 0 ;      else next = next + 1;    end

上面的语句实现了复位信号有效的时候next置0，无效的时候next自加1。修改所提出的功能，即复位信号有效的时候next保持，无效的时候next自加1，可以像下面这样修改吗：

if (rst == 1) next = next ;

这样的话复位信号有效时这条支线就没有了初值，这样会产生锁存器吗？那进一步的修改所提出的功能，在next初值为3的前提下，复位信号有效的时候next保持，无效的时候next自加1，又该如何修改原有的代码呢？

感谢指教。

A：对于第一个问题，if (rst == 1) next = next;这样会产生锁存器，因为当rst!= 1时才对next进行自加 1 操作，而在rst == 1时没有对所有情况进行明确赋值，所以会推断出锁存器。

对于第二个问题，在next初值为 3 的前提下，复位信号有效的时候next保持，无效的时候next自加 1，可以这样修改代码：

  reg [7:0] next;
  initial     begin      next = 3;    end
  always @(*)     begin      if (rst == 1)        next = next;      else        next = next + 1;    end

在这种情况下，虽然在复位信号有效时没有改变next的值，但由于明确了在复位信号无效时的操作，并且在初始化时给next赋了初值，所以不会推断出锁存器。但这种写法在综合时可能会有一些潜在的问题，比如在实际硬件中可能会出现一些不可预测的行为。更好的写法可以考虑使用case语句，确保对所有情况进行了明确的赋值：

  reg [7:0] next;    initial     begin      next = 3;    end
  always @(*)     begin      case (rst)        1'b1: next = next;        1'b0: next = next + 1;      endcase    end