摘要：為了充分利用光信號的寬帶寬資源和提高信道利用率，完成線速率為2．5 Gb／s的多路信號高速傳輸，在FPCA上設計并實現了一種時分復用通信系統(tǒng)，并對其功能和性能進行了測試與驗證。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。最終測試結果表明，在短距離有線傳輸條件下，該系統(tǒng)成功實現了線速率為2．5 Gb／s的無誤碼的時分復用通信。
在高速串行通信中，很多基于吉比特收發(fā)器的系統(tǒng)已經設計出來，并且解決光纖通信中若干技術上的關鍵問題。
本文在此基礎上，提出了將吉比特收發(fā)器高速串行傳輸方式和時分復用方式結合起來，采用統(tǒng)計時分復用，設計出了一種線速率為2．5 Gb／s的多路信號的高速傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)為星地之間需要傳輸大量數據，如視頻圖像、語音、控制指令等的激光通信實驗方案的實現提供了依據。
該系統(tǒng)在FFGA平臺上進行設計的。由于要傳輸的數據量比較大，對帶寬的要求很高。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)的線速率能夠達到2．5 Gb／s，實現高速通信。
該系統(tǒng)的主要難點在于如何實現吉比特高速信號的傳輸，這就要考慮到吉比特高速串行技術、阻抗匹配和信號反射、信號完整性等問題。以下將對本系統(tǒng)的一些主要模塊進行簡要介紹。
1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。在發(fā)送端，多路電信號先各自通過FIFO(先入先出)緩存，再通過TDM復用器復用后通過MGT Tx(吉比特收發(fā)器發(fā)送端)進行并串轉換，再通過SFP(光收發(fā)器，Small Form Pluggable)轉換成光信號，然后在光纖信道中傳輸。在接收端，接收到的光信號先通過SFP轉換成電信號，再通過MGT Rx(吉比特收發(fā)器接收端)進行串并轉換，再通過TDM解復用器解復用，然后得到每一路的數據并送入FIFO進行緩存，再恢復出各路電信號。這樣就完成了多路信號的高速復用傳輸。
2 吉比特收發(fā)器
由于現代通信以及各類多媒體技術對帶寬的需求迅猛增長，促使一系列基于差分、源同步、時鐘數據恢復(Clockand Data Recovery，CDR)等先進技術的互連方式應運而生。在傳統(tǒng)設計中，單端互連方式易受干擾、噪聲的影響，傳輸速率最高只能達到200～250Mbit／s／ Line；在更高速率的接口設計中，多采用包含源同步時鐘的差分串行傳輸方式(如LVDS、LVPECL等)。但由于在傳輸過程中時鐘與數據分別發(fā)送，傳輸過程中各信號瞬時抖動不一致，破壞了接收數據與時鐘之間的定時關系，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據傳輸技術。
基于高速的需求和傳統(tǒng)技術的弊端，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通過采用CDR(時鐘數據恢復，Clock and Data Recovery)、8B／10B編碼、預加重等可在線配置技術，減少了信號衰減和線路噪聲的影響，最高速率可達10 Gbit／s以上，可用于實現吉比特以太網、PCI—Express等常用接口。
Rocket I／O作為Xilinx FPGA芯片中內嵌的硬件模塊，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內部才具備。支持Rocket I／O的FPGA型號如表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平臺上進行設計的，最高速率可達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)器的時鐘和數據信號走線全部采用包含源同步時鐘的差分串行傳輸方式，時鐘為125 MHz，采用LNDS電平，數據信號為2．5 Gb／s，采用CML電平，差分信號的走線嚴格按照阻抗匹配和信號完整性來設計。并且采用了8B／10B的編碼方式，以實現位同步和幀同步，雖然線速率達到了2．5 Gb／s，實際上只有2 Gbit的帶寬。
2．1 8B／10B編碼
8B／10B編碼機制是由IBM公司開發(fā)的，已經被廣泛采用。它是lnfiniband，吉比特以太網，FibelChannel以及XAUI10 Gbit／s以太網接口采用的編碼機制。原理上，它是一種數值查找機制，可將8位的字轉化為10位符號。這些符號可以保證有足夠的跳變用于時鐘恢復。8B／10B編碼具有良好的直流平衡特性，通過“運行不一致性”的方法來實現，即只使用有相同個數0和1的符號，但這會限制符號的數量。同時，8B／10B中的Comma字符(用于表示對齊序列的一個或兩個符號)可輔助數據對齊。
8B／10B機制能帶來字對齊、時鐘修正機制、通道綁定機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 時分復用
時分復用是把對信道的使用時間劃分為多個時間幀，進一步把時間幀劃分為n個時間隙(時間間隔)，每一個時間隙分配給一個子信道，從而實現在一個信道上同時傳輸多路信號。時分復用循環(huán)使用時間幀，各路信號通過循環(huán)順序插入時間幀中的時間隙進行傳輸。
時分復用主要應用在數字通信系統(tǒng)中，它通過不同信道或時隙中的交叉位脈沖，可以同時在同一個通信媒體上傳輸多個數字化數據、語音和視頻信號，有效地利用了帶寬資源，提高了信道容量。
時分復用還可細分為同步時分復用和統(tǒng)計時分復用。
同步時分復用(Synchronization Time-Division Multiplexing，STDM)是指將一個幀的若干時隙，按順序編號，標號相同的成為一個子信道，傳遞同一路話路信息，速率恒定。這種方法是按照信號的路數劃分時間片，每一路信號具有相同大小的時間片，時間片輪流分配給每路信號，該路信號在時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使用，當其他各路信號把分配到的時間片都使用完以后，該路信號再次取得時間片進行數據傳輸。同步時分復用的優(yōu)點是控制簡單，易于實現。缺點是如果某路信號沒有足夠多的數據，不能有效地使用它的時間片，則造成資源浪費；而有大量數據要發(fā)送的信道又由于沒有足夠多的時間片可利用，所以要拖很長一段的時間，降低了設備的利用效率。
統(tǒng)計時分復用(Stafistic Time-Division Multiplexing，STDM)也叫異步時分復用(Asynchronism Time-Division Multiplexing，ATDM)，它指的是將用戶的數據劃分為一個個數據單元，不同用戶的數據單元仍按照時分的方式來共享信道，但是不再使用物理特性來標識不同用戶，而是使用數據單元中的若干比特，也就是使用邏輯的方式來標識用戶。這種方法提高了設備利用率，但是技術復雜性也比較高，所以這種方法主要應用于高速遠程通信過程中，例如，異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)。
由于要傳輸的幾路數據速率相差很大，有高速的視頻數據，也有低速的RS422數據，今后還可能增加其他幾路信號，因此，該系統(tǒng)采用了統(tǒng)計時分復用，動態(tài)地給每路信號分配信道，以提高信道的利用率，同時方便于增加復用信號的路數而不用手動更改分配給各路信號的時隙個數。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一些特殊碼組把一幀信號與另一幀信號區(qū)別開來。實現幀同步的方法一般分為兩類：一類是利用數字信號本身的特性來實現幀同步，這類方法稱為自同步法；另一類是在發(fā)送的基帶信號中插入一些特殊碼組作為幀的頭尾標志，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現幀同步的方法。插入幀定位信號法是在發(fā)送端將幀定位信號插入信息碼流中作為幀起始標志實現幀同步的方法。
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、空閑字符等標識，如圖3所示。
信號中每一幀都包含幀頭CHARISK_FS。并在每一路信號前加地址信息作為子幀頭，信號之后加上空閑字符作為子幀尾，這樣就構成了一個完整的子幀，每個子幀所占用的時隙是動態(tài)分配的。
5 SFP
SFP光電電光轉換器用以實現電信號與光信號之間的轉換，在激光通信實驗中是必不可少的。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在光纖中損耗低、受干擾小等優(yōu)良的傳輸特點，在遠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 結論
該系統(tǒng)的設計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、時分復用原理、阻抗匹配以及信號完整性、光收發(fā)器的工作原理、Xilinx FPGA產品等這些基礎上完成的。針對目前普通FPGA難以達到的高速傳輸技術，且基于星地之間激光通信實驗項目的背景，提出了一種線速率為2．5 Gb／s的多路信號高速傳輸的解決方案，這在高速通信中具有很高的研究價值。最終測試結果表明，在短距離有線傳輸條件下，該系統(tǒng)成功實現了線速率為2．5 Gb／s的無誤碼的多路信號時分復用通信。
在該系統(tǒng)的設計過程中有幾個需要注意的問題。首先是MGT和整個系統(tǒng)的復位問題，在系統(tǒng)上電和初始化過程中，做好復位工作，使各個電路模塊協(xié)調工作是至關重要的。其次是MGT差分信號走線的設計，要考慮的因素很多，比如阻抗匹配、等長線以及如何克服串擾、電磁輻射等，以保持信號的完整性。最后是MGT的設計問題，由于高速串行電信號或光信號在自由空間傳輸過程中經常會中斷，導致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，最好在接收端設計一個自動檢測模塊，如果信號傳輸中斷了，能實時檢測到并對MGT進行復位。