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光訊號調理板 FPGA 客製化開發
作者: 由你创
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FPGA 光訊號調理板的核心，在於利用 FPGA 強大的即時處理能力與彈性，完成光訊號的擷取、轉換、調理與傳輸。這類板卡通常具備以下功能：
- 光電轉換
利用光偵測器（如 PIN 光電二極體或 APD）把輸入的光訊號轉成電訊號，再透過 TIA（跨阻放大器）與後級放大電路進行訊號放大與調整。 - 電光轉換
把處理好的電訊號經由雷射驅動器或光調變器（如鈮酸鋰 LiNbO₃ 電光調變器）轉回光訊號輸出。 - 訊號調理與處理
FPGA 負責各類 DSP 演算法：FIR / IIR 濾波、等化、時脈回復、誤碼偵測與修正等，以提升訊號品質。 - 協定處理與介面轉換
支援 RS-232、RS-422、Ethernet 等串列或網路訊號的打包、編碼（如 8B/10B），再透過光模組傳輸。 - 智慧控制與自動校準
內建自動偏壓點控制（ABPC）、自動增益控制（AGC）等功能，自動補償溫度變化與元件老化，維持系統穩定。
主要應用領域
光通訊系統：光收發模組、OLT、ONU 等，支援 10 G、25 G、100 G 以上高速資料傳輸與調理。
• 分散式光纖感測：Φ-OTDR、DTS、DAS 系統，即時擷取與解調瑞利、拉曼或布里淵散射光訊號。
• 醫療影像：光聲成像中，對高頻光聲訊號做寬頻高增益放大與時間增益補償（TGC）。
• 工業控制與安防：把 RS-232 / RS-422 / Ethernet 轉成光訊號，拉長傳輸距離並提高抗干擾能力。
• 高畫質影像傳輸：處理 HDMI 的 DDC（I²C）訊號，透過光纖遠距傳輸。
硬體架構設計
典型的 FPGA 光訊號調理板硬體架構包含以下關鍵模組：
| 硬體模組 | 關鍵功能與考量 | 常用晶片選型參考 |
|---|---|---|
| 光電／電光轉換介面 | 光電探測器（PD）、跨阻放大器（TIA）、雷射驅動器（LDD）、電光調變器（EOM）、光模組（Optical Module） | 光電探測器：PIN、APD 調變器驅動晶片：LMH6505、THS3201 等 |
| 高速 ADC / DAC | 橋接角色：高速 ADC 把調理後的類比電訊號轉成數位訊號，交給 FPGA 處理；高速 DAC 則把 FPGA 處理完的數位訊號轉回類比訊號，驅動光發射元件。 | ADC: AD92506, AD9680 DAC: AD9144, AD9739 |
| FPGA 核心處理器 | 訊號處理演算法的核心載體。重點考量邏輯資源（CLB、DSP Slice）、高速串列收發器（如 Xilinx GTY/GTP、Intel GX）的數量與速率，以及記憶體介面頻寬。 | Xilinx: Artix-76, Kintex-7, Zynq UltraScale+ Intel: Cyclone 10 GX, Arria 10, Stratix 10 |
| 高速介面與記憶體 | DDR3 / DDR4 SDRAM：做資料緩衝 QSPI Flash：存放設定檔與韌體 PCIe 介面：與上位機高速通訊 乙太網路 PHY 晶片：提供網路連線 | MT41K系列(DDR3), MT40A系列(DDR4) 乙太網路PHY: KD30022 |
| 時脈電路 | 高頻、低相位雜訊的時脈源是關鍵，為 FPGA、ADC、DAC 提供同步時脈，確保訊號取樣與處理的時序精準度。 | 時脈晶片：Si5338、Si534x 系列時脈產生器 |
| 電源管理系統 | 多路電源：分別供電給 FPGA 核心、高速收發器、ADC/DAC、光模組等，要求低雜訊、高 PSRR、快速暫態響應。 | 常用元件：多通道電源模組（如 MAC46442）、LDO（如 ADP7118）、交換式穩壓器 |
FPGA 邏輯功能設計
FPGA 內部邏輯是整張調理板的「靈魂」，主要負責下列功能：
- 資料擷取與同步控制
• 透過 JESD204B/C 或 LVDS/CMOS 並列介面，精準控制 ADC 取樣與 DAC 輸出。
• 達成多通道資料的嚴格同步。 - 數位訊號處理（DSP）演算法
• 濾波：使用 FIR 或 IIR 濾波器（可採 IP 核心）濾除帶外雜訊與干擾。
• 等化：採 FFT 或時域演算法（如 LMS 自適應等化）補償光纖色散與頻寬限制造成的訊號失真。
• 時脈資料回復（CDR）：針對 NRZ / PAM4 訊號，於 FPGA 內利用 PLL 與資料判決邏輯，從資料流回復精準時脈與資料。
• 編解碼：實作 8B/10B、64B/66B 或前向錯誤更正 FEC（Reed-Solomon、LDPC 等），確保直流平衡與誤碼率要求。 - 控制與狀態監控
• 透過 I²C、SPI 或 UART 設定與管理外部晶片（ADC、DAC、光模組、時脈晶片等）。
• 即時監測光功率、偏壓電壓、溫度等參數，並實現自動功率控制（APC）與自動偏壓控制（ABC）等回授演算法。 - 資料封裝與協定處理
• 將處理後的資料打包成特定訊框格式（如 Ethernet 訊框或自定義協定）。
• 實作相關通訊協定堆疊的部分功能。
關鍵技術實作方案
1、高速訊號完整性（SI）與電源完整性（PI）設計
• SI：針對 >10 Gbps 的 SerDes 通道與高速記憶體介面，需做到精準阻抗控制（單端 50 Ω、差動 100 Ω），並進行拓撲模擬與端接匹配。走線採用微帶線／帶狀線結構，避免過孔與銳角轉彎。
• PI：採分層電源規劃，大量使用不同容值的去耦電容；必要時增設專屬電源層，目標阻抗（Target Impedance）保持極低。
2、雜訊抑制與抗干擾技術
• 板層設計：建議至少 6 層板起跳（推薦 8 層以上），提供完整的電源／接地參考平面。
• 分區佈局：類比電路（光電轉換前端、ADC/DAC 類比電源）、數位電路（FPGA、數位電源）、時脈電路與電源電路嚴格分區，避免互相干擾。
• 接地策略：採單點接地或混合接地，防止地迴路雜訊。
• 遮蔽：對敏感類比區域或時脈電路加金屬屏蔽罩。
3、動態增益控制與 TGC 實作
光聲成像等應用需依深度動態調整增益。常見做法：
• 以 AD8334 等可變增益放大器（VGA）為核心。
• 由 FPGA 產生控制電壓，或透過數位電位器（如 AD5207）產生控制訊號，完成時間增益補償（TGC）。
• FPGA 可依深度計數器或時間序列，線性或非線性地改變增益控制電壓。
4、電光調變器偏壓點控制
鈮酸鋰（LiNbO₃）等電光調變器的最佳工作點會隨溫度、老化漂移。可採用 FPGA 自動偏壓控制：
•FPGA 透過 DAC 在直流偏壓上疊加一個微弱小正弦擾動訊號。
•光電探測器監測調變器輸出光功率並轉為電訊號，經 ADC 取樣後送回 FPGA。
•FPGA 對取樣訊號做帶通濾波與互相關運算（與擾動訊號比對），提取誤差訊號。
•依誤差訊號的極性與大小，FPGA 以 PID 或其他控制演算法調整 DAC 輸出的偏壓電壓，將工作點鎖定在傳輸曲線的 Quad 點（線性中點）或 Null 點（最低點）。
開發流程
1、需求分析與指標定義：先釐清頻寬、動態範圍、靈敏度、傳輸速率、功耗、介面型式等關鍵指標。
2、晶片選型與方案評估：依據指標挑選 ADC/DAC（速度、解析度）、FPGA（資源、SerDes 速率）、光電／電光轉換元件。
3、硬體設計與模擬：
• 採用 Cadence Allegro 或 Mentor PADS 完成電路圖與 PCB 佈線。
• 針對高速差動訊號進行 SI/PI 模擬（如 HyperLynx），確保訊號與電源完整性達標。
4、FPGA 邏輯設計與模擬：
• 使用 Verilog/VHDL 或 High-Level Synthesis (HLS) 開發。
• 進行功能模擬（ModelSim）、靜態時序分析（Static Timing Analysis）與板端除錯。
5、軟硬體聯調與測試：
• 運用邏輯分析儀（LA）、高速示波器、誤碼測試儀（BERT）、光譜分析儀（OSA）等量測關鍵指標。
6、系統整合與優化：執行全系統測試，持續優化演算法與整體效能。
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