基于吉比特收發(fā)器的時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了充分利用光信號(hào)的寬帶寬資源和提高信道利用率，完成線速率為2．5 Gb／s的多路信號(hào)高速傳輸，在FPCA上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)，并對(duì)其功能和性能進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證。為了克服普通FPGA傳輸速率低于1 Gb／s的性能缺陷，選用了Xilinx內(nèi)嵌了支持3．75 Gb／s最高傳輸速率的吉比特收發(fā)器的高速FPGA。最終測(cè)試結(jié)果表明，在短距離有線傳輸條件下，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了線速率為2．5 Gb／s的無(wú)誤碼的時(shí)分復(fù)用通信。
關(guān)鍵詞：高速傳輸；時(shí)分復(fù)用通信；FGPA；吉比特收發(fā)器；先傳輸

    在高速串行通信中，很多基于吉比特收發(fā)器的系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)，并且解決光纖通信中若干技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題。
    本文在此基礎(chǔ)上，提出了將吉比特收發(fā)器高速串行傳輸方式和時(shí)分復(fù)用方式結(jié)合起來(lái)，采用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，設(shè)計(jì)出了一種線速率為2．5 Gb／s的多路信號(hào)的高速傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)為星地之間需要傳輸大量數(shù)據(jù)，如視頻圖像、語(yǔ)音、控制指令等的激光通信實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。
    該系統(tǒng)在FFGA平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，對(duì)帶寬的要求很高。因此，選用了Xilinx公司嵌入了吉比特收發(fā)器的FPGA，使該系統(tǒng)的線速率能夠達(dá)到2．5 Gb／s，實(shí)現(xiàn)高速通信。
    該系統(tǒng)的主要難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)吉比特高速信號(hào)的傳輸，這就要考慮到吉比特高速串行技術(shù)、阻抗匹配和信號(hào)反射、信號(hào)完整性等問(wèn)題。以下將對(duì)本系統(tǒng)的一些主要模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。在發(fā)送端，多路電信號(hào)先各自通過(guò)FIFO(先入先出)緩存，再通過(guò)TDM復(fù)用器復(fù)用后通過(guò)MGT Tx(吉比特收發(fā)器發(fā)送端)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，再通過(guò)SFP(光收發(fā)器，Small Form Pluggable)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后在光纖信道中傳輸。在接收端，接收到的光信號(hào)先通過(guò)SFP轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)MGT Rx(吉比特收發(fā)器接收端)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，再通過(guò)TDM解復(fù)用器解復(fù)用，然后得到每一路的數(shù)據(jù)并送入FIFO進(jìn)行緩存，再恢復(fù)出各路電信號(hào)。這樣就完成了多路信號(hào)的高速?gòu)?fù)用傳輸。

2 吉比特收發(fā)器
    由于現(xiàn)代通信以及各類多媒體技術(shù)對(duì)帶寬的需求迅猛增長(zhǎng)，促使一系列基于差分、源同步、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(Clockand Data Recovery，CDR)等先進(jìn)技術(shù)的互連方式應(yīng)運(yùn)而生。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單端互連方式易受干擾、噪聲的影響，傳輸速率最高只能達(dá)到200～250Mbit／s／  Line；在更高速率的接口設(shè)計(jì)中，多采用包含源同步時(shí)鐘的差分串行傳輸方式(如LVDS、LVPECL等)。但由于在傳輸過(guò)程中時(shí)鐘與數(shù)據(jù)分別發(fā)送，傳輸過(guò)程中各信號(hào)瞬時(shí)抖動(dòng)不一致，破壞了接收數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間的定時(shí)關(guān)系，因而傳輸速率很難超越1 Gbit／s／通道。因此迫切需要新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。
    基于高速的需求和傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，Xilinx公司推出了嵌入到FPGA的用于吉比特收發(fā)的Rocket I／O模塊。RocketI／O通過(guò)采用CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)，Clock and Data Recovery)、8B／10B編碼、預(yù)加重等可在線配置技術(shù)，減少了信號(hào)衰減和線路噪聲的影響，最高速率可達(dá)10 Gbit／s以上，可用于實(shí)現(xiàn)吉比特以太網(wǎng)、PCI—Express等常用接口。
    Rocket I／O作為Xilinx FPGA芯片中內(nèi)嵌的硬件模塊，并不是任何一款FPGA都提供的，只有在Virtex2 Pro以上的部分高端FPGA內(nèi)部才具備。支持Rocket I／O的FPGA型號(hào)如表1所示。

    不同版本Rocket I／O硬核的傳輸速率是不同的，具體數(shù)值如表2所示，毋庸置疑的是，隨著制造工藝的發(fā)展，65 nm的Virtex5系列芯片中GTP和GTX組件具有目前業(yè)界最高的性能和最低的成本。

    該系統(tǒng)是在Virtex5LXT平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，最高速率可達(dá)3．75 Gb／s。吉比特收發(fā)器在該系統(tǒng)中的連接圖如圖2所示。

    在該系統(tǒng)中，吉比特收發(fā)器的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)走線全部采用包含源同步時(shí)鐘的差分串行傳輸方式，時(shí)鐘為125 MHz，采用LNDS電平，數(shù)據(jù)信號(hào)為2．5 Gb／s，采用CML電平，差分信號(hào)的走線嚴(yán)格按照阻抗匹配和信號(hào)完整性來(lái)設(shè)計(jì)。并且采用了8B／10B的編碼方式，以實(shí)現(xiàn)位同步和幀同步，雖然線速率達(dá)到了2．5 Gb／s，實(shí)際上只有2 Gbit的帶寬。
2．1 8B／10B編碼
    8B／10B編碼機(jī)制是由IBM公司開發(fā)的，已經(jīng)被廣泛采用。它是lnfiniband，吉比特以太網(wǎng)，F(xiàn)ibelChannel以及XAUI10 Gbit／s以太網(wǎng)接口采用的編碼機(jī)制。原理上，它是一種數(shù)值查找機(jī)制，可將8位的字轉(zhuǎn)化為10位符號(hào)。這些符號(hào)可以保證有足夠的跳變用于時(shí)鐘恢復(fù)。8B／10B編碼具有良好的直流平衡特性，通過(guò)“運(yùn)行不一致性”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即只使用有相同個(gè)數(shù)0和1的符號(hào)，但這會(huì)限制符號(hào)的數(shù)量。同時(shí)，8B／10B中的Comma字符(用于表示對(duì)齊序列的一個(gè)或兩個(gè)符號(hào))可輔助數(shù)據(jù)對(duì)齊。
    8B／10B機(jī)制能帶來(lái)字對(duì)齊、時(shí)鐘修正機(jī)制、通道綁定機(jī)制和子通道生成等功能，其唯一的缺陷是開銷。為了獲得2．5Gbit的帶寬，它需要3．125Gbit／s的線路速率。

3 時(shí)分復(fù)用
    時(shí)分復(fù)用是把對(duì)信道的使用時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間幀，進(jìn)一步把時(shí)間幀劃分為n個(gè)時(shí)間隙(時(shí)間間隔)，每一個(gè)時(shí)間隙分配給一個(gè)子信道，從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸多路信號(hào)。時(shí)分復(fù)用循環(huán)使用時(shí)間幀，各路信號(hào)通過(guò)循環(huán)順序插入時(shí)間幀中的時(shí)間隙進(jìn)行傳輸。
    時(shí)分復(fù)用主要應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)中，它通過(guò)不同信道或時(shí)隙中的交叉位脈沖，可以同時(shí)在同一個(gè)通信媒體上傳輸多個(gè)數(shù)字化數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻信號(hào)，有效地利用了帶寬資源，提高了信道容量。
    時(shí)分復(fù)用還可細(xì)分為同步時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。
    同步時(shí)分復(fù)用(Synchronization Time-Division Multiplexing，STDM)是指將一個(gè)幀的若干時(shí)隙，按順序編號(hào)，標(biāo)號(hào)相同的成為一個(gè)子信道，傳遞同一路話路信息，速率恒定。這種方法是按照信號(hào)的路數(shù)劃分時(shí)間片，每一路信號(hào)具有相同大小的時(shí)間片，時(shí)間片輪流分配給每路信號(hào)，該路信號(hào)在時(shí)間片使用完畢以后要停止通信，并把物理信道讓給下一路信號(hào)使用，當(dāng)其他各路信號(hào)把分配到的時(shí)間片都使用完以后，該路信號(hào)再次取得時(shí)間片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同步時(shí)分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是如果某路信號(hào)沒(méi)有足夠多的數(shù)據(jù)，不能有效地使用它的時(shí)間片，則造成資源浪費(fèi)；而有大量數(shù)據(jù)要發(fā)送的信道又由于沒(méi)有足夠多的時(shí)間片可利用，所以要拖很長(zhǎng)一段的時(shí)間，降低了設(shè)備的利用效率。
    統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(Stafistic Time-Division Multiplexing，STDM)也叫異步時(shí)分復(fù)用(Asynchronism Time-Division Multiplexing，ATDM)，它指的是將用戶的數(shù)據(jù)劃分為一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)單元，不同用戶的數(shù)據(jù)單元仍按照時(shí)分的方式來(lái)共享信道，但是不再使用物理特性來(lái)標(biāo)識(shí)不同用戶，而是使用數(shù)據(jù)單元中的若干比特，也就是使用邏輯的方式來(lái)標(biāo)識(shí)用戶。這種方法提高了設(shè)備利用率，但是技術(shù)復(fù)雜性也比較高，所以這種方法主要應(yīng)用于高速遠(yuǎn)程通信過(guò)程中，例如，異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)。
    由于要傳輸?shù)膸茁窋?shù)據(jù)速率相差很大，有高速的視頻數(shù)據(jù)，也有低速的RS422數(shù)據(jù)，今后還可能增加其他幾路信號(hào)，因此，該系統(tǒng)采用了統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，動(dòng)態(tài)地給每路信號(hào)分配信道，以提高信道的利用率，同時(shí)方便于增加復(fù)用信號(hào)的路數(shù)而不用手動(dòng)更改分配給各路信號(hào)的時(shí)隙個(gè)數(shù)。但是由于增加了控制碼元的一些比特開銷，帶寬的利用率降低了。

4 幀同步
    幀同步的作用是通過(guò)一些特殊碼組把一幀信號(hào)與另一幀信號(hào)區(qū)別開來(lái)。實(shí)現(xiàn)幀同步的方法一般分為兩類：一類是利用數(shù)字信號(hào)本身的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)幀同步，這類方法稱為自同步法；另一類是在發(fā)送的基帶信號(hào)中插入一些特殊碼組作為幀的頭尾標(biāo)志，這類方法稱為外同步法。在外同步法中。又分為起止同步法和插入幀定位信號(hào)法。起止同步法是在字符的兩端分別加上起始位和終止位實(shí)現(xiàn)幀同步的方法。插入幀定位信號(hào)法是在發(fā)送端將幀定位信號(hào)插入信息碼流中作為幀起始標(biāo)志實(shí)現(xiàn)幀同步的方法。
    在該系統(tǒng)中，幀同步采用了外同步法，即在基帶信號(hào)中插入一些8B／10B編碼中有效的K字符啡為幀頭、各子信道的地址信息、空閑字符等標(biāo)識(shí)，如圖3所示。

    信號(hào)中每一幀都包含幀頭CHARISK_FS。并在每一路信號(hào)前加地址信息作為子幀頭，信號(hào)之后加上空閑字符作為子幀尾，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的子幀，每個(gè)子幀所占用的時(shí)隙是動(dòng)態(tài)分配的。

5 SFP
    SFP光電電光轉(zhuǎn)換器用以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，在激光通信實(shí)驗(yàn)中是必不可少的。該系統(tǒng)采用了海信公司的SFP光收發(fā)器LTD1502，具有波長(zhǎng)為1 550 nm，傳輸速率為2488 Mb／s，傳輸距離為80 km(SONET OC-48／SDHSTM-16，1550 nm，2 488Mb／s，80km)的傳輸性能。相比電傳輸方式，光傳輸充分利用了光信號(hào)在光纖中損耗低、受干擾小等優(yōu)良的傳輸特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離的高速通信中具有重要的作用和意義。SFP在該系統(tǒng)中的外圍接口電路如圖4所示。

6 結(jié)論
    該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在深入研究吉比特收發(fā)器的工作原理、吉比特高速串行技術(shù)、時(shí)分復(fù)用原理、阻抗匹配以及信號(hào)完整性、光收發(fā)器的工作原理、Xilinx FPGA產(chǎn)品等這些基礎(chǔ)上完成的。針對(duì)目前普通FPGA難以達(dá)到的高速傳輸技術(shù)，且基于星地之間激光通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的背景，提出了一種線速率為2．5 Gb／s的多路信號(hào)高速傳輸?shù)慕鉀Q方案，這在高速通信中具有很高的研究?jī)r(jià)值。最終測(cè)試結(jié)果表明，在短距離有線傳輸條件下，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了線速率為2．5 Gb／s的無(wú)誤碼的多路信號(hào)時(shí)分復(fù)用通信。
    在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中有幾個(gè)需要注意的問(wèn)題。首先是MGT和整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位問(wèn)題，在系統(tǒng)上電和初始化過(guò)程中，做好復(fù)位工作，使各個(gè)電路模塊協(xié)調(diào)工作是至關(guān)重要的。其次是MGT差分信號(hào)走線的設(shè)計(jì)，要考慮的因素很多，比如阻抗匹配、等長(zhǎng)線以及如何克服串?dāng)_、電磁輻射等，以保持信號(hào)的完整性。最后是MGT的設(shè)計(jì)問(wèn)題，由于高速串行電信號(hào)或光信號(hào)在自由空間傳輸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)中斷，導(dǎo)致MGT接收端的CDR失鎖后不能正常工作，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最好在接收端設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)模塊，如果信號(hào)傳輸中斷了，能實(shí)時(shí)檢測(cè)到并對(duì)MGT進(jìn)行復(fù)位。