基于吉比特收发器的时分复用通信系统设计

摘要：为了充分利用光信号的宽带宽资源和提高信道利用率，完成线速率为2．5 Gb／s的多路信号高速传输，在FPCA上设计并实现了一种时分复用通信系统，并对其功能和性能进行了测试与验证。为了克服普通FPGA传输速率低于1 Gb／s的性能缺陷，选用了Xilinx内嵌了支持3．75 Gb／s最高传输速率的吉比特收发器的高速FPGA。最终测试结果表明，在短距离有线传输条件下，该系统成功实现了线速率为2．5 Gb／s的无误码的时分复用通信。
关键词：高速传输；时分复用通信；FGPA；吉比特收发器；先传输

    在高速串行通信中，很多基于吉比特收发器的系统已经设计出来，并且解决光纤通信中若干技术上的关键问题。
    本文在此基础上，提出了将吉比特收发器高速串行传输方式和时分复用方式结合起来，采用统计时分复用，设计出了一种线速率为2．5 Gb／s的多路信号的高速传输系统。该系统为星地之间需要传输大量数据，如视频图像、语音、控制指令等的激光通信实验方案的实现提供了依据。
    该系统在FFGA平台上进行设计的。由于要传输的数据量比较大，对带宽的要求很高。因此，选用了Xilinx公司嵌入了吉比特收发器的FPGA，使该系统的线速率能够达到2．5 Gb／s，实现高速通信。
    该系统的主要难点在于如何实现吉比特高速信号的传输，这就要考虑到吉比特高速串行技术、阻抗匹配和信号反射、信号完整性等问题。以下将对本系统的一些主要模块进行简要介绍。

1 系统总体设计
    系统原理框图如图1所示。在发送端，多路电信号先各自通过FIFO(先入先出)缓存，再通过TDM复用器复用后通过MGT Tx(吉比特收发器发送端)进行并串转换，再通过SFP(光收发器，Small Form Pluggable)转换成光信号，然后在光纤信道中传输。在接收端，接收到的光信号先通过SFP转换成电信号，再通过MGT Rx(吉比特收发器接收端)进行串并转换，再通过TDM解复用器解复用，然后得到每一路的数据并送入FIFO进行缓存，再恢复出各路电信号。这样就完成了多路信号的高速复用传输。

2 吉比特收发器
    由于现代通信以及各类多媒体技术对带宽的需求迅猛增长，促使一系列基于差分、源同步、时钟数据恢复(Clockand Data Recovery，CDR)等先进技术的互连方式应运而生。在传统设计中，单端互连方式易受干扰、噪声的影响，传输速率最高只能达到200～250Mbit／s／  Line；在更高速率的接口设计中，多采用包含源同步时钟的差分串行传输方式(如LVDS、LVPECL等)。但由于在传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系，因而传输速率很难超越1 Gbit／s／通道。因此迫切需要新的高速数据传输技术。
    基于高速的需求和传统技术的弊端，Xilinx公司推出了嵌入到FPGA的用于吉比特收发的Rocket I／O模块。RocketI／O通过采用CDR(时钟数据恢复，Clock and Data Recovery)、8B／10B编码、预加重等可在线配置技术，减少了信号衰减和线路噪声的影响，最高速率可达10 Gbit／s以上，可用于实现吉比特以太网、PCI—Express等常用接口。
    Rocket I／O作为Xilinx FPGA芯片中内嵌的硬件模块，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内部才具备。支持Rocket I／O的FPGA型号如表1所示。

    不同版本Rocket I／O硬核的传输速率是不同的，具体数值如表2所示，毋庸置疑的是，随着制造工艺的发展，65 nm的Virtex5系列芯片中GTP和GTX组件具有目前业界最高的性能和最低的成本。

    该系统是在Virtex5LXT平台上进行设计的，最高速率可达3．75 Gb／s。吉比特收发器在该系统中的连接图如图2所示。

    在该系统中，吉比特收发器的时钟和数据信号走线全部采用包含源同步时钟的差分串行传输方式，时钟为125 MHz，采用LNDS电平，数据信号为2．5 Gb／s，采用CML电平，差分信号的走线严格按照阻抗匹配和信号完整性来设计。并且采用了8B／10B的编码方式，以实现位同步和帧同步，虽然线速率达到了2．5 Gb／s，实际上只有2 Gbit的带宽。
2．1 8B／10B编码
    8B／10B编码机制是由IBM公司开发的，已经被广泛采用。它是lnfiniband，吉比特以太网，FibelChannel以及XAUI10 Gbit／s以太网接口采用的编码机制。原理上，它是一种数值查找机制，可将8位的字转化为10位符号。这些符号可以保证有足够的跳变用于时钟恢复。8B／10B编码具有良好的直流平衡特性，通过“运行不一致性”的方法来实现，即只使用有相同个数0和1的符号，但这会限制符号的数量。同时，8B／10B中的Comma字符(用于表示对齐序列的一个或两个符号)可辅助数据对齐。
    8B／10B机制能带来字对齐、时钟修正机制、通道绑定机制和子通道生成等功能，其唯一的缺陷是开销。为了获得2．5Gbit的带宽，它需要3．125Gbit／s的线路速率。

3 时分复用
    时分复用是把对信道的使用时间划分为多个时间帧，进一步把时间帧划分为n个时间隙(时间间隔)，每一个时间隙分配给一个子信道，从而实现在一个信道上同时传输多路信号。时分复用循环使用时间帧，各路信号通过循环顺序插入时间帧中的时间隙进行传输。
    时分复用主要应用在数字通信系统中，它通过不同信道或时隙中的交叉位脉冲，可以同时在同一个通信媒体上传输多个数字化数据、语音和视频信号，有效地利用了带宽资源，提高了信道容量。
    时分复用还可细分为同步时分复用和统计时分复用。
    同步时分复用(Synchronization Time-Division Multiplexing，STDM)是指将一个帧的若干时隙，按顺序编号，标号相同的成为一个子信道，传递同一路话路信息，速率恒定。这种方法是按照信号的路数划分时间片，每一路信号具有相同大小的时间片，时间片轮流分配给每路信号，该路信号在时间片使用完毕以后要停止通信，并把物理信道让给下一路信号使用，当其他各路信号把分配到的时间片都使用完以后，该路信号再次取得时间片进行数据传输。同步时分复用的优点是控制简单，易于实现。缺点是如果某路信号没有足够多的数据，不能有效地使用它的时间片，则造成资源浪费；而有大量数据要发送的信道又由于没有足够多的时间片可利用，所以要拖很长一段的时间，降低了设备的利用效率。
    统计时分复用(Stafistic Time-Division Multiplexing，STDM)也叫异步时分复用(Asynchronism Time-Division Multiplexing，ATDM)，它指的是将用户的数据划分为一个个数据单元，不同用户的数据单元仍按照时分的方式来共享信道，但是不再使用物理特性来标识不同用户，而是使用数据单元中的若干比特，也就是使用逻辑的方式来标识用户。这种方法提高了设备利用率，但是技术复杂性也比较高，所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中，例如，异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)。
    由于要传输的几路数据速率相差很大，有高速的视频数据，也有低速的RS422数据，今后还可能增加其他几路信号，因此，该系统采用了统计时分复用，动态地给每路信号分配信道，以提高信道的利用率，同时方便于增加复用信号的路数而不用手动更改分配给各路信号的时隙个数。但是由于增加了控制码元的一些比特开销，带宽的利用率降低了。

4 帧同步
    帧同步的作用是通过一些特殊码组把一帧信号与另一帧信号区别开来。实现帧同步的方法一般分为两类：一类是利用数字信号本身的特性来实现帧同步，这类方法称为自同步法；另一类是在发送的基带信号中插入一些特殊码组作为帧的头尾标志，这类方法称为外同步法。在外同步法中。又分为起止同步法和插入帧定位信号法。起止同步法是在字符的两端分别加上起始位和终止位实现帧同步的方法。插入帧定位信号法是在发送端将帧定位信号插入信息码流中作为帧起始标志实现帧同步的方法。
    在该系统中，帧同步采用了外同步法，即在基带信号中插入一些8B／10B编码中有效的K字符啡为帧头、各子信道的地址信息、空闲字符等标识，如图3所示。

    信号中每一帧都包含帧头CHARISK_FS。并在每一路信号前加地址信息作为子帧头，信号之后加上空闲字符作为子帧尾，这样就构成了一个完整的子帧，每个子帧所占用的时隙是动态分配的。

5 SFP
    SFP光电电光转换器用以实现电信号与光信号之间的转换，在激光通信实验中是必不可少的。该系统采用了海信公司的SFP光收发器LTD1502，具有波长为1 550 nm，传输速率为2488 Mb／s，传输距离为80 km(SONET OC-48／SDHSTM-16，1550 nm，2 488Mb／s，80km)的传输性能。相比电传输方式，光传输充分利用了光信号在光纤中损耗低、受干扰小等优良的传输特点，在远距离的高速通信中具有重要的作用和意义。SFP在该系统中的外围接口电路如图4所示。

6 结论
    该系统的设计是在深入研究吉比特收发器的工作原理、吉比特高速串行技术、时分复用原理、阻抗匹配以及信号完整性、光收发器的工作原理、Xilinx FPGA产品等这些基础上完成的。针对目前普通FPGA难以达到的高速传输技术，且基于星地之间激光通信实验项目的背景，提出了一种线速率为2．5 Gb／s的多路信号高速传输的解决方案，这在高速通信中具有很高的研究价值。最终测试结果表明，在短距离有线传输条件下，该系统成功实现了线速率为2．5 Gb／s的无误码的多路信号时分复用通信。
    在该系统的设计过程中有几个需要注意的问题。首先是MGT和整个系统的复位问题，在系统上电和初始化过程中，做好复位工作，使各个电路模块协调工作是至关重要的。其次是MGT差分信号走线的设计，要考虑的因素很多，比如阻抗匹配、等长线以及如何克服串扰、电磁辐射等，以保持信号的完整性。最后是MGT的设计问题，由于高速串行电信号或光信号在自由空间传输过程中经常会中断，导致MGT接收端的CDR失锁后不能正常工作，为了保证系统的稳定性，最好在接收端设计一个自动检测模块，如果信号传输中断了，能实时检测到并对MGT进行复位。