光通信方向FPGA該怎么學？

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今天給大俠帶來在FPAG技術(shù)交流群里平時討論的問題答疑合集（十六），以后還會多推出本系列，話不多說，上貨。

Q：光通信方向FPGA該怎么學？

光通信方向，主要是做高速相干光通信和數(shù)字信號處理的，做一些高階通信編碼，概率整形之類的，之前都是離線在matlab上實現(xiàn)，現(xiàn)在要用FPGA做實時化，也自學了大半年的FPGA了，感覺啥也沒學，網(wǎng)上的信息又雜又亂，所以希望能得到一些學習建議和指導。

A：學習光通信方向的 FPGA 并實現(xiàn)從離線 Matlab 到實時 FPGA 的轉(zhuǎn)變，需要一個系統(tǒng)的學習過程，以下是一些建議，僅供參考：

1. 鞏固基礎知識：

? 數(shù)字電路和數(shù)電知識：確保對數(shù)字電路的基本概念，如邏輯門、組合邏輯電路、時序邏輯電路等有深刻理解。能熟練分析和設計簡單的數(shù)字電路，這是理解 FPGA 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)的基礎。例如，掌握如何通過邏輯門構(gòu)建加法器、計數(shù)器等電路。

? 硬件描述語言：精通 Verilog 或 VHDL 語言，不僅要掌握語法，更要理解其硬件思維方式，與軟件編程的順序執(zhí)行不同，硬件描述語言是并行執(zhí)行的。比如，用 Verilog 描述一個簡單的狀態(tài)機，理解其并行執(zhí)行的特點。

2. 深入學習 FPGA 原理與架構(gòu)：

? FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)：了解 FPGA 內(nèi)部的可編程邏輯單元、可編程連線和可編程 I/O 模塊等的工作原理和相互關系。清楚知道如何通過配置這些資源來實現(xiàn)特定的邏輯功能。

? FPGA 開發(fā)流程：熟悉從設計輸入、綜合、布局布線到生成配置文件的整個開發(fā)流程，以及每個環(huán)節(jié)的作用和常見工具的使用，如 Xilinx 的 Vivado、Altera 的 Quartus 等。

3. 掌握數(shù)字信號處理基礎：

? 信號與系統(tǒng)知識：復習信號與系統(tǒng)的基本理論，包括連續(xù)時間信號與離散時間信號、傅里葉變換、拉普拉斯變換等，這些是理解數(shù)字信號處理的基礎。

? 數(shù)字信號處理算法：深入學習數(shù)字信號處理中的常見算法，如濾波（FIR、IIR 濾波器）、FFT（快速傅里葉變換）、數(shù)字調(diào)制解調(diào)等，明白其原理和應用場景。以 FIR 濾波器為例，要理解其系數(shù)設計、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能特點。

4. 結(jié)合光通信知識：

? 光通信原理：熟悉光通信的基本原理，包括光的調(diào)制、傳輸、接收等過程，了解相干光通信的特點和優(yōu)勢，以及高階通信編碼、概率整形等技術(shù)在光通信中的作用。

? 光通信協(xié)議：學習相關的光通信協(xié)議，如 SDH、SONET 等，掌握協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式和通信流程，以便在 FPGA 中實現(xiàn)對這些協(xié)議的處理。

5. 實踐項目鍛煉：

? 簡單模塊實現(xiàn)：從實現(xiàn)一些簡單的光通信相關模塊開始，如光信號的檢測與轉(zhuǎn)換模塊、低速光通信協(xié)議控制器（如 IIC、SPI 等），通過實踐加深對 FPGA 開發(fā)的理解，掌握硬件實現(xiàn)的技巧。

? 復雜系統(tǒng)設計：逐步嘗試設計復雜的光通信系統(tǒng)，如包含高階通信編碼、概率整形功能的實時光通信系統(tǒng)，將數(shù)字信號處理算法和光通信技術(shù)融合在 FPGA 中實現(xiàn)，鍛煉系統(tǒng)級的設計和調(diào)試能力。

6. 優(yōu)化與調(diào)試技巧：

? 資源優(yōu)化：在設計過程中，學會優(yōu)化 FPGA 資源的使用，如減少邏輯資源的占用、合理使用存儲資源等，以提高系統(tǒng)的性能和效率。

? 調(diào)試方法：掌握 FPGA 的調(diào)試技巧，如使用示波器、邏輯分析儀等工具來觀察信號波形和時序，通過在線調(diào)試功能實時監(jiān)測和修改 FPGA 內(nèi)部的信號和狀態(tài)，快速定位和解決問題。

7. 參考學習資源：

? 專業(yè)書籍：選擇一些經(jīng)典的 FPGA 設計和數(shù)字信號處理相關的書籍，如《FPGA 數(shù)字信號處理實現(xiàn)原理及方法》《數(shù)字信號處理——原理、算法與應用》等，系統(tǒng)地學習理論知識。

? 在線課程：利用一些在線學習平臺提供的 FPGA 和光通信方向的課程，跟隨專業(yè)講師的講解和實踐指導進行學習。

? 開源項目：參考一些開源的 FPGA 光通信項目，學習他人的設計思路和代碼實現(xiàn)，從中獲取經(jīng)驗和啟發(fā)。

8. 持續(xù)學習與交流：

? 關注行業(yè)動態(tài)：光通信技術(shù)和 FPGA 領域都在不斷發(fā)展，持續(xù)關注最新的研究成果、新技術(shù)和新產(chǎn)品，及時了解行業(yè)的發(fā)展趨勢，將新的知識和技術(shù)融入到自己的學習和實踐中。

? 加入技術(shù)社區(qū)：參與 FPGA 和光通信相關的技術(shù)論壇、社區(qū)或群組，與其他學習者和專業(yè)人士交流經(jīng)驗、分享問題和解決方案，拓寬自己的視野和思路。

Q：aurora的通信速率怎么計算？

A：一、基本概念

Aurora 是一種高速串行通信協(xié)議，常用于 FPGA 之間或 FPGA 與其他設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。通信速率通常以比特每秒（bps）為單位。

二、計算公式

通信速率 = 線路速率（也稱為符號速率）× 每個符號所攜帶的比特數(shù)。

1. 線路速率：取決于 Aurora 所使用的物理層技術(shù)和硬件設置。例如，如果使用特定的高速串行收發(fā)器，其線路速率可能由收發(fā)器的時鐘頻率和編碼方式?jīng)Q定。

2. 每個符號所攜帶的比特數(shù)：由 Aurora 的編碼方案確定。常見的編碼方式如 8B/10B 編碼，每個符號攜帶 8 位有效數(shù)據(jù)和 2 位控制信息，所以每個符號攜帶的比特數(shù)為 8。

三、舉例說明

假設 Aurora 使用的線路速率為 10 Gbps，采用 8B/10B 編碼方式。

則通信速率 = 10 Gbps × (8/10) = 8 Gbps。

四、影響因素

1. 硬件性能：包括收發(fā)器的質(zhì)量、時鐘穩(wěn)定性等，會影響實際的線路速率。

2. 編碼效率：不同的編碼方式會導致每個符號攜帶的比特數(shù)不同，從而影響通信速率。

3. 傳輸距離：隨著傳輸距離的增加，信號可能會衰減，需要采取信號補償措施，這可能會降低通信速率。

總之，計算 Aurora 的通信速率需要考慮線路速率和編碼方式等因素，同時實際的通信速率還會受到硬件性能和傳輸環(huán)境等多種因素的影響。

Q：Verilog編碼問題：如何在避免推斷出鎖存器的前提下實現(xiàn)期望的功能？

為了避免推斷出鎖存器，要在條件語句的所有分支上為每個變量賦值，那么就有下面的代碼：

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

上面的語句實現(xiàn)了復位信號有效的時候next置0，無效的時候next自加1。修改所提出的功能，即復位信號有效的時候next保持，無效的時候next自加1，可以像下面這樣修改嗎：

if (rst == 1) next = next ;

這樣的話復位信號有效時這條支線就沒有了初值，這樣會產(chǎn)生鎖存器嗎？那進一步的修改所提出的功能，在next初值為3的前提下，復位信號有效的時候next保持，無效的時候next自加1，又該如何修改原有的代碼呢？

感謝指教。

A：對于第一個問題，if (rst == 1) next = next;這樣會產(chǎn)生鎖存器，因為當rst!= 1時才對next進行自加 1 操作，而在rst == 1時沒有對所有情況進行明確賦值，所以會推斷出鎖存器。

對于第二個問題，在next初值為 3 的前提下，復位信號有效的時候next保持，無效的時候next自加 1，可以這樣修改代碼：

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

在這種情況下，雖然在復位信號有效時沒有改變next的值，但由于明確了在復位信號無效時的操作，并且在初始化時給next賦了初值，所以不會推斷出鎖存器。但這種寫法在綜合時可能會有一些潛在的問題，比如在實際硬件中可能會出現(xiàn)一些不可預測的行為。更好的寫法可以考慮使用case語句，確保對所有情況進行了明確的賦值：

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

今天先整理三個問題答疑，后續(xù)還會持續(xù)推出本系列。