（通信与信息系统专业论文）10gbsxfp光收发模块设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着全球信息量呈级数增长，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的 要求，而光纤通信的最大优势就是其近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量，所以光纤 通信在当今信息社会得到了迅猛发展，成为通信传输网络的主流技术。光模块 是光网络中一种用于实现光电，电光转换的重要子模块。自1 9 9 9 年问世以来， 光模块技术不断向着高速传输速率的方向发展，已从1 5 5 m b s ，6 2 2 m b s 不断提 高至2 5 g b s ，1 0 g b s ，甚至4 0 g b s 。目前，1 0 g 光收发模块已逐渐进入主流市 场，成为光模块厂商发展的重点。在各种1 0 g x f p 模块中，体积小、成本低、 带数字诊断的x f p 模块被认为是最有优势的一种类型。 本文在此背景下研究了10 g b s 带d d m 的x f ps r 收发一体光模块的设计 实现。首先，本文研究了1 0 g b sx f p 光收发模块使用的协议，包括i n f 8 0 7 7 i 协议及自定义协议。其中，8 0 7 7 i 协议规定的x f p 模块的各引脚定义及其时序分 析为硬件电路设计打下了基础，x f p 双线串行总线协议是实现上下位机通信的 理论基础，数字诊断监控接口及自定义协议则用于实现数字诊断。其次，本文 在分析了x f p 光模块工作原理的基础上，结合设计目标进行了器件和芯片选型， 确定了模块硬件实现方案，并根据高速电路设计技术给出了x f p 光收发模块的 原理图。然后，本文结合信号完整性分析进行了x f p 光模块的高速p c b 设计， 包括叠层设计、阻抗设计、e m c 设计、布局与布线设计，并利用c a d e n c e 软件 进行了电源完整性设计与仿真，从而确保p c b 设计不断优化。最后，本文研究 了x f p 数字诊断功能的软件实现。在分别分析了并口转1 2 c 通信和u s b 接口转 1 2 c 通信的实现的基础上使用面向对象的思想进行了上位机监测软件的编写，使 软件可复用性高，可扩展性强。 为验证模块性能，对本x f p 模块发射部分和接收部分分别进行测试，结果 显示，模块的眼图、发射光功率、消光比、灵敏度等重要指标都能达到设计要 求。同时，监测软件工作良好，能够实时检测模块运行状态，实现数字诊断功 能。 关键词：x f p ，信号完整性，高速电路，数字诊断 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ee x p o n e n t i a lg r o w t ho fg l o b a la m o u n to fi n f o r m a t i o n ，h i g h e rd e m a n d so n b a n d w i d t ha n dc a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka r er e q u i r e d t h eb i g g e s t a d v a n t a g eo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ni s i t s e n o r m o t l sp o t e n t i a lb a n d w i d t h c a p a c i t yo fn e a r l y3 0 t h z w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e e nt ob e c o m em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n t o d a y si n f o r m a t i o ns o c i e t y 1 1 1 eo p t i c a lm o d u l ei sa ni m p o r t a n ts u b - m o d u l ei no p t i c a l n e t w o r k i ti su s e dt or e a l i z eo p t i c a l - e l e c t r o ，e l e c t r o o p t i c a lc o n v e r s i o n s i n c ei t s i n c e p t i o ni n19 9 9 ，t r a n s f e rr a t eo f t h eo p t i c a lm o d u l eh a sb e e nc o n t i n u a l l yp r o m o t e d ， f r o m15 5 m b s ，6 2 2 删su pt o2 5 g b s ，lo g b so re v e n4 0 g b s a tp r e s e n t , 10 g o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l eh a sg r a d u a l l ye n t e r e dt h em a i n s t r e a mm a r k e t b e c a u s eo f i t ss m a l ls i z ea n dl o wc o s t ，t h ex f pm o d u l e 、i md i g i t a ld i a g n o s t i c si sc o n s i d e r e dt o b et h em o s ta d v a n t a g e o u st y p ei nv a r i o u s10 gm o d u l e s i nt h i sc o n t e x t , 10 g b sx f ps ro p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ew i t hd d mi s r e s e a r c h e do nt h i sa r t i c l e f i r s t l y ，e s s e n t i a l p r o t o c o l so f lo g b sx f po p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l ei sr e s e a r c h e d , i n c l u d i n gt h ei n f - 8 0 7 7 ip r o t o c o la n dac u s t o m p r o t o c 0 1 a m o n gt h e m ，t h ep i nd e f i n i t i o no f x f pm o d u l ea n dt i m e - s e r i e sa n a l y s i si n 8 0 7 7 ip r o t o c o la r ef o u n d a t i o n sf o rh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，x f p2 - w i r ei n t e r f a c e p r o t o c o li st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no f o ft h ei m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o n ， d i g i t a ld i a g n o s t i cm o n i t o r i n gi n t e r f a c ea n dt h ec u s t o mp r o t o c o li su s e df o rd i g i t a l d i a g n o s t i c s s e c o n d l y ，o nt h e b a s i so ft h ex f po p t i c a lm o d u l ew o r k i n gp r i n c i p l e s ， c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g ng o a lo ft h i sa r t i c l e ，e s s e n t i a ld e v i c e sa n dc h i p so ft h ed e s i g n a l es e l e c t e d ，a n dt h es c h e m a t i co ft h ex f po p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ei sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt oh i g h - s p e e dc i r c u i td e s i g nt e c h n i q u e s t h e n ，b a s e do ns i g n a li n t e g r i t y a n a l y s i s ，h i g h s p e e dp c bd e s i g nf o r t h ex f po p t i c a l m o d u l eo nt h i sp a p e ri s r e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gl a m i n a t e dd e s i g n ，i m p e d a n c ed e s i g n ，e m cd e s i g n ，l a y o u ta n d w i r i n gd e s i g n p o w e ri n t e g r i t yd e s i g n i ss i m u l a t e db yc a d e n c es o f t w a r e ，t h u s e n s u r i n gt h ec o n t i n u e do p t i m i z a t i o no fp c bd e s i g n f i n a l l y ，t h ei m p l e m e n to fx f p u 武汉理工大学硕士学位论文 d d m ( d i g i t a ld i a g n o s t i cm o n i t o r i n g ) f u n c t i o ni ss t u d i e do nt h ep a p e r o nb a s i so f t h e r e a l i z a t i o no fp a r a l l e lp o r tt o1 2 cc o m m u n i c a t i o na n du s bi n t e r f a c et o1 2 c c o m m u n i c a t i o n ，t h em o n i t o r i n gs o f t w a r ei sc o m p l e t e db yu s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e d t h i n k i n gt oe n a b l et h er e u s a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y t h et r a n s m i ta n dr e c e i v es e c t i o n so fx f pm o d u l ea r et e s t e dt ov e r i f yt h e p e r f o r m a n c eo ft h em o d u l e t h er e s u l t ss h o wt h a ti n d i c a t o r so ft h em o d u l ec a l lm e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，i n c l u d i n ge y e d i a g r a mq u a l i t y ，l a u n c h e do p t i c a lp o w e r , e x t i n c t i o nr a t i o ，s e n s i t i v i t ya n do t h e ri m p o r t a n ti n d i c a t o r s a tt h es a m et i m e ，t h e m o n i t o r i n gs o f t w a r ew o r k sw e l l i tc a ni m p l e m e n td d mb yd e t e c t i n gm o d u l es t a t u s r e a l t i m e k e y w o r d s ：x f p ，s i g n a li n t e g r i t y ，h i g h s p e e dc i r c u i t , d i g i t a ld i a g n o s t i cm o n i t o r i n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着通信技术的不断发展，当今社会对通信网络的容量和带宽有着越来越 高的要求。这是因为新业务的不断涌现，特别是i p 业务的突飞猛进，导致全球 信息量爆炸性增长。通信业务正由传统单一的电话业务转向多媒体和高速m 数 据为代表的宽带业务l l j 。而光纤通信的最大优势之一就是其近3 0 t h z 的巨大潜 在带宽容量，所以在光滤波技术，相干光通讯技术，光纤数据传输技术，光交 换技术等光通信技术的不断发展推动下，光纤通信在当今信息社会得到了迅猛 发展，成为了支撑通信传输网络的主流技术 2 1 。 在光纤通信网络不断发展的情况下，光网络设备逐渐往模块化方向发展。 光模块即是光网络中一种用于实现光电，电光转换的重要子模块。在真正实现 全光网络通信之前，光电，电光转换仍是现有光通信网中不可或缺的一部分【3 】。 现在还没有一种理想的光缓冲方式，没有一种实用的光设备可以像电子设备缓 冲数据包那样存储光或者减缓光的传播速度。而且，现有的全光网络中也没有 类似路由协议的规范，而智能的路由协议是实现复杂拓扑结构的必不可少的支 持【4 j 。因此现有光网络仍不可避免地要在各个节点实现某种程度上的光电、电光 转换。完成这种转换的通常是由电子器件和光学元件共同组成的一种光电子系 统，即光模块【5 】。光模块现已成为各类光通信网络接e l 部分的核心光器件。 光模块从最初光发射模块和光接收模块分立逐渐演变为如今的收发一体光 模块，这与光器件封装技术和集成电路技术的发展是分不开的【6 j 。收发一体光模 块包含独立的发射驱动电路和独立的接收放大电路，从而实现光电，电光转换。 为了充分利用光纤的高带宽特性以满足不断增长的带宽应用需求，光模块技术 不断向着高速传输速率的方向发展【7 1 。自1 9 9 9 年问世以来，光模块传输速率已 从1 5 5 m b s ，6 2 2 m b s 不断提高至2 5 g b s ，1 0 g b s ，甚至4 0 g b s 。 据o v u m r h k 调查显示，从2 0 0 9 年开始，在经过金融危机影响的短暂低迷 后，随着f t t x 网络的大规模部署，全球光模块市场复合增长率达1 5 t 引。而全 球一些主要光器件生产厂商f i n i s a r ，o p n e x t 等1 0 g 以上产品业务增长更高达 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 。据i c c s z 统计，2 0 1 0 年，国内1 0 g 以上产品市场平均增长率为9 1 ， 市场需求旺盛。可见，近年来，1 0 g 光收发模块已逐渐进入主流市场，市场增长 强劲，成为光模块厂商发展的重点。对1 0 g b s 光收发模块进行研究，推动高速 传输光网络的发展，不仅可带来相应的经济利益和社会利益，也对发展我国民 族光通信产业具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 在1 0 g 光收发模块的发展历程中，最早标准化的1 0 g 光模块是 2 0 0 3 0 0 p i n t r a n s p o n d e r ，随后出现了最早面向以太网的光模块x e n p a k 光模块， x p a l ( 、x 2 都是从x e n p a k 标准演进而来的 9 1 。严格来讲，与x e n p a k 、x p a k 和 x 2 这些光收发模块相比，x f p 模块应该称为光收发器。因为二者在功能和内部 结构都上有所不同。表1 1 显示了各种1 0 g 光模块的性能对出1 0 】。从表中可以 看出，x f p 模块将复用解复用、6 4 b 6 6 b 编码等电路放在模块外，因而模块体积 大大减小，系统成本也大大降低，而x e n v a k 、x 2 等相对集成度高，体积大【l l 】。 同时，x f p 模块拥有一个两线串行接口，方便实现数字诊断，因此，在现在大 量应用的1 0 g b s 光收发模块中，x f p 被认为是最有优势的一种类型。 表1 1 各种1 0 g 光模块性能对比 支持的特性 x e n p a kx 2x f p 所有i e e e 端口类型支持支持除l x 4 以外 非i e e e 端口类型支持( 8 0 k m d w d m )不支持不支持 尺寸( r a m ) 1 2 6 x 3 6 x1 7l o o x 3 6 x1 27 8 x 1 8 x 1 0 连接器类型 s c s c l c 除万兆以太网以外的 不支持不支持 o c - 19 29 9 5 g b s 协议 g 7 0 9l0 7 0 9 g b s 为了使x f p 模块在保持良好兼容性的基础上快速发展，2 0 0 2 年3 月，f i n i s a r ， b r o a d c o r n ，j d s u n i p h a s e ，b r o c a d e ，m a x i m 等公司联合推出了x f p m s a ( 1 0 g 小型可插拔多源协议) 0 2 j 。根据m s a ，x f p 模块支持的速率包括：9 9 5 g b s 、 1 0 3 1 g b s 、1 0 5 2 g b s 、1 0 7 0 g b s 和11 0 9 g b s 。它的功能具有以下特点：( 1 ) 热 拔( 带电插拔) ：( 2 ) 协议无关性；( 3 ) 具有数字诊断功能【1 3 】。x f pm s a 推出后，采 用此标准的光模块公司越来越多，x f p 模块也得到了更快更好的发展。 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 7 年4 月，n e c 推出了可实现光纤传输1 6 0 k m 以上、途中无长波分散辅 助的x f p 型1 0 g b p s 光收发器【1 4 】。此光收发器融合了a z n a 公司的c m l 技术和 n e c 的光平面电路( p l c ) 技术，是一种小型且适应于批量生产的，以光通信 模块为基础的光收发器。在支持热插拔的光接口中，该光收发器可在不用追加 分散辅助的情况下，将每个通道的容量扩大到2 5 g b p s 至1 0 g b p s 。 2 0 0 7 年6 月，t i t a n 光子推出新的1 0 g b p s1 5 5 0 n mx f p 模块【”】。该模块支持 9 9 5 1 0 7 g b p s 速率，最远传输距离8 0k m 。该模块内置15 5 0 n me m ld f b 激光 器，高灵敏度a p d 探测器，内置数字诊断功能，具有领先的散热和电磁屏蔽性能。 2 0 1 0 年1 月，深圳市易飞扬通信技术有限公司也正式发布适用于 o c l 9 2 s t m 6 4 、1 0 g 光纤通道、1 0 g 以太网的长距1 0 gx f p 系列光收发模块 g x 5 5 1 9 2 g x d x x l 9 2 ，包括普通1 5 5 0 n m 8 0 公里和d w d m8 0 公里两个系列， 完全兼容x f pm s a 4 5 i 阍。在易飞扬研发中心实验室测试中，该模块s t m 6 4 眼 图模板余量达到了3 0 以上，1 0 g b e 眼图模板余量更是高达6 0 。这证明了我 国的1 0 g x f p 模块研制技术已逐渐缩小了同世界领先水平的差距。 1 3 课题主要工作和论文主要内容 本课题来源于深圳某光电子企业1 0 g b s 带d d m 的x f ps r 收发一体光模 块项目。 该项目的总体目标是：设计一种1 0 gx f ps r 收发器，符合m s a 标准。光 接口采用l c ，电接口采用x f i ，传输距离3 0 0 m ，中心波长8 5 0 n m ，消光比在 3 5 5 5 之间，发光功率为0 0 5 d b m 左右，灵敏度为1 3 d b m 左右。模块具有智能 诊断功能，能够实现模块工作状况的实时监测。 课题首先研究了光纤通信理论及x f pm s a 相关协议，了解x f p 光模块的 标准定义，然后基于保证产品质量，控制产品成本，研发周期尽量短，软件具 有可复用性的总体思路，提出了本设计的1 0 g b i f f sx f p 光收发模块技术方案， 最后根据设计方案进行了硬件和软件实现。 作者参加研发全过程，进行了原理图及硬件设计，并编写了上位机数字诊 断监测软件。 本文共六章，各章节主要内容如下： 第一章简要介绍了光模块的发展历程和x f p 光模块的国内外研究动态，并 说明了本课题研究工作和论文的主要内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章主要分析了1 0 g b s 光收发模块使用的协议，包括i n f 8 0 7 7 i 协议及 自定义协议。其中，8 0 7 7 i 协议规定的x f p 模块的各引脚定义及其时序分析为硬 件电路设计打下了基础，x f p 双线串行总线协议是实现上下位机通信的理论基 础，数字诊断监控接口及自定义协议则用于实现数字诊断。 第三章介绍了x f p 光收发模块的硬件实现。首先分析了x f p 光模块的工作 原理，然后进行了器件和芯片选型，确定实现方案，接着分析了高速数字电路 设计的相关技术，最后给出了x f p 光收发模块的原理图。 第四章结合信号完整性进行了本设计光模块高速p c b 设计，并给出了电源 完整性设计与仿真，最后对设计好的光模块进行测试，测试结果显示本x f p 模 块性能符合要求。 第五章介绍了x f p 数字诊断功能的软件实现。首先分别分析了并口转1 2 c 通信和u s b 接口转1 2 c 通信的实现，接着使用面向对象的思想进行了上位机监 测软件的编写，使软件可复用性高。 第六章是全文的总结和展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章1 0 g b sx f p 光收发模块的协议分析 2 1i n f 8 0 7 7 i 协议分析 i n f 8 0 7 7 i 协议是1 0 g b i t s 小型化可插拨光模块规范，该规范定义了x f p 模 块的电气，控制和机械接口【1 7 1 。该协议定义的x f p 模块是可热插拔小尺寸串行 到串行数据无关的多速率光收发器，可支持电信( s o n e to c 1 9 2 和g 7 0 9o t u - 2 ) 和数据通信( 1 0g b s 以太网和1 0 g b s 光纤通道) 应用1 蚋。 2 1 1x f p 光收发模块p c b 管脚分配及定义 i n f 8 0 7 7 i 协议详细说明了x f p 模块的p c b 管脚分配及各自定义，如图2 1 所示【1 9 j 。 图2 1x f p 模块输入输出引脚顶层视图 其中，各主要引脚介绍如下： 1 ) m o dd e s e h 模块片选引脚。输入引脚，低压t t l 电平。当此引脚为低 时，模块响应两线串行接口通信命令。 2 ) i n t e r r u p t ：中断输出引脚。低电平显示模块当前异常状态，当有异常 时，将异常通过两线串行接口输出。该引脚是集电极开路输出。 3 ) t xd i s ：输入引脚，高电平时禁止传输，关闭激光器。 4 ) m o da b s ：高电平表示模块不存在。 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) m o dn r ：输出引脚。高电平指示模块未准备好，发射机和接收机数据 无效，模块运行错误。 6 ) r xl o s ：高电平表示光功率不足以可靠地接收信号，接收信号丢失。 该引脚是集电极开路输出，须拉高至主板v c c 。 7 ) r d - + ：接收器差分输出引脚。高速c m l 电平输出。 8 ) pd o w n r s t ：降低功率或复位引脚。当此引脚为高时，模块功耗必须 限制在1 5 w 以下，两线串行接1 2 1 也必须工作在低功耗模式下【2 0 】。引脚下降沿启 动一次完整的模块复位，其中包括两线串行接口，相当于一个电源周期【2 l 】。 9 ) t d - + ：发射器差分输入引脚。高速c m l 电平输入。 2 1 2 控制和状态i o 的时序要求 i n f 8 0 7 7 i 协议规定的x f p 光模块的控制和状态i o 的时序指标如表2 1 所 示【2 2 1 。x f p 光模块只有在满足表中所示时序要求时才能正常工作。 表2 1 控制和状态i o 的时序参数 参数符号最小值最大值单位 t x d i s 有效时间 to n1 0 u s t xd i s 无效时间to f f 2n 塔 初始化时间 ti n i t3 0 0m s i n t e r r u p t 有效延时 i n t e r r u p t _ o n 2 0 0u s i n t e r r u p t 无效延时 i n t e r r u p t - o f j f 5 0 0m s pd o w n r s t 有效延时 p d o w n r s t o n 1 0 0璐 m o dn r 有效延时 m o d n r o n lm s m o dn r 无效延时 m o d n r o f f lm s pd o w n 重置时间 1 0u s r xl o s 有效延时 t1 0 s so f f1 0 0惜 r xl o s 无效延时 tl o s so f fl o o懈 2 1 3x f p 双线串行接口协议 带数字诊断功能的x f p 光模块通过双线串行接口与上位机通信，双线即时 6 武汉理工大学硕士学位论文 钟线s c l 和数据线s d a 。i n f 8 0 7 7 i 协议中定义了x f p 双线串行通信的时序及 读写操作规范。 2 1 3 1x f p 双线串行时序介绍 1 2 c 总线的通信方式是主从双向通信。发送数据到总线上的设备定义为发 送器，接收数据的设备定义为接收器【2 3 1 。主器件和从器件都可接收和发送数据。 总线必须由主器件控制，主器件产生串行时钟( s c l ) ，控制总线的传输方向， 并产生起始和停止条件。开始信号即在s c l 高电平期间，s d a 由高变低；停止 信号即在s c l 高电平期间，s d a 由低变高。另外，数据传输过程中，只有在s c l 低电平期间s d a 信号才可以改变，在s c l 为高电平期间则必须保持s d a 信号 的稳定。 i n f 8 0 7 7 i 协议规定的x f p 光收发模块双线串行通信的时序定义见表2 2 。 表2 2x f p 双线时序规范定义 参数符号最小值最大值单位 时钟频率f s c l 04 0 0k h z 时钟脉冲宽度低t l o w 时钟脉冲宽度高t l g h 新一次传输开始前总线空闲的时间 t b u f 2 0懈 起始条件保持时间t h d , s t a 0 6璐 开始设置时间t s u ，s t a o 6眦 数据保持时间t h d d a t 0憾 数据建立时间t s u d a t 0 1u s 输入上升时间( 1 0 0 k h z )t i l l 0 0 1 0 0 0璐 输入上升时间( 4 0 0 k h z )城4 3 0 0鹏 输入下降时间( 1 0 0 k h z ) t f 1 0 0 3 0 0m 输入下降时间( 4 0 0 k h z )t f 4 0 0 3 0 0n s 停止设置时间 t s u s t o 0 6吣 主机提供的模块未选中设置时间 h o s t _ s e l e c t _ s e t u p 2 m s 主机提供的模块未选中保持时间h o s t s e l e c t h o l d 1 0憾 终止序列总线释放 d e s e l e c t a b o r t 2 m s 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 2x f p 双线串行读写操作 i n f 8 0 7 7 i 协议规定x f p 模块的双线串行接口地址是1 0 1 0 0 0 0 0 x ( a 0 h ) 2 4 1 。 协议规定了x f p 双线串行通信的五种读写操作：当前字节读、随机字节读、连 续读、字节写、连续写。 1 ) 当前字节读 当前地址读操作只需要由主机发送设备地址读字节( 1 0 1 0 0 0 0 1 ) 。一旦收 到x f p 模块的确认信号，在当前地址的数据串行输出。主机不响应一个应答信 号，而是在接收结束后发送应答n a c k ，接着主机发起s t o p 信号，释放对总 线的控制。 2 ) 随机读操作 随机读操作需要一个“虚拟 的写操作载入目标字节地址。过程如下：主 机先发送一个设备地址写字节( 1 0 1 0 0 0 0 0 ) ，x f p 发送正确应答信号，接着主机 发送读操作目标数据地址，x f p 发送正确应答信号。主机生成一个起始条件，发 送设备读地址( 1 0 1 0 0 0 0 1 ) 进行当前地址读。x f p 模块正确应答后连续发送要求 数据到总线，主机不响应一个应答信号，而是在接收结束后发送应答n a c k ，接 着主机发起s t o p 信号，释放对总线的控制。 随机读操作不存在页面问题，前后两次连续的读操作的1 2 c 操作地址可以 是连续的也可以不连续【2 5 1 。 3 ) 连续读操作 连续读可开始于一个当前地址或随机地址。在连续读时，主机在每个数据 字节后响应一个应答。只要x f p 接收到一个应答确认，它就串行时钟输出下一组 数据。该接受完最后一个数据后，主机发送一个n a c k 和一个s t o p ，释放对总 线的控制。 4 ) 字节写 主机发起开始信号，发送设备地址写字节( 1 0 1 0 0 0 0 0 ) ，接收至i j x f p 模块正 确应答a c k ；主机发送操作地址数据( 范围是0 0 x f f ) ，接收正确应答a c k ； 主机向x f p 模块发送8 位的待写数据，模块产生a c k 应答，并把该数据写到第2 步接收到的1 2 c 操作地址中；主机发起s t o p 信号，释放对总线的控制。 5 ) 连续写 连续写依然是由主机发起开始信号，发送设备地址写字节( 1 0 1 0 0 0 0 0 ) ， 接收到模块应答a c k 后，发送操作地址数据( 范围是0 - 0 x f f ) ，再次接收到正 8 武汉理工大学硕士学位论文 确应答a c k 后，主机开始连续向x f p 模块发送待写数据，并且每发送一个字节， 主机都要求得到模块的正确应答信号( a c k ) ，最后主机产生停止信号释放总 线，并等待一个擦写时间。 连续写操作必须严格按照1 2 c 从器件的页写参数进行，不然不能正确写入 数据，翻页的数据会写到该页前面的地址，覆盖前面的数据【2 6 1 。 2 2 4 数字诊断监控接口 数字诊断监控接口是整个模块的核心部分，在i n f 8 0 7 7 i 协议中，x f p 数字 诊断存储器映射地址如图2 2 所示。 图2 2x f p 数字诊断存储器映射地址 如图，共2 5 6 字节的地址空间被分成了两部分，低1 2 8 字节被直接用于数 字诊断和控制功能。经过数模转换后的监测参数、校准参数、告警和警告阈值 以及各种状态和控制标志位等都存在低1 2 8 字节中【2 7 1 。第1 2 7 字节的地址单元 是表选择字节，高1 2 8 字节可通过此字节的不同进行寻址，因此在高1 2 8 地址 9 武汉理工大学硕士学位论文 空间总共有2 的八次方张表，共1 2 8 x 2 5 6 = 3 2 k 字节的大小。每张表定义了不同 的内容，包括一些基本信息，如生产日期、公司信息、序列号、模块类型、波 长和传输长度等以及自定义的各个管脚的状态镜像和用户可写的存储单元。 这些信息都存储在标准的内存单元中，上位机可通过双线串行接口进行读 q 暑 2 8 1 1o 2 2x f p 自定义协议分析 为应用x f p 模块的数字诊断功能，需自定义一些存储地址空间，用于存储 数字诊断应用中的一些控制及数据信息，如a d c 采集值，d a c 输出值，用户密 码，g p i o 口数据格式等信息【2 9 】。部分自定义协议表见附录a 所示。 在i n f 8 0 7 7 i 协议中，第1 2 7 字节的是表选择字节，如向此字节写入0 3 h ， 则可读写0 3 h 表定义的高1 2 8 字节内容。整个地址空间可定义2 5 6 张表。可实 现丰富的自定义功能，便于进行数字诊断。 2 3 本章小结 本章主要分析了1 0 g b s 光收发模块使用的协议，包括i n f 8 0 7 7 i 协议及自 定义协议。其中，i n f 8 0 7 7 i 协议规定的x f p 模块的各引脚定义及其时序分析为 硬件电路设计打下了基础，x f p 双线串行总线协议是实现上下位机通信的理论 基础，数字诊断监控接口及自定义协议则用于实现数字诊断，可以说，本章内 容是整个系统实现的理论依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章1 0 g b s x f p 模块的原理分析与核心电路设计 3 11 0 g b sx f p 光收发模块的原理分析 3 1 11 0 g b sx f p 光收发模块的工作原理 本课题研究的1 0 g b sx f p 光模块从功能上分由三部分组成：发射部分，接 收部分以及数字诊断部分。其中，发射部分将电信号转换为光信号发射出去， 接收部分将接收光信号转换为光信号，数字诊断部分则可实现对模块工作参数， 包括发射光功率，接收光功率，偏置电流，温度，工作电压的实时监测，实现 对模块工作性能的数字诊断p 0 1 。整个系统原理框图如图3 1 。 t xd i s + t 阱l 仪南，光“ c 队激光嚣驱动激光嚣 x 阿 l t ： r e 融口k 卅 l s n c m u 卜 r 虻l m o dd e s i 徽处理曩 n 门t l u l u p ， m o da b s l m o dn r pd 0 僵i 囔 r1， ： i o o b s ：r m c 。rl 限幅放大曩m光检测嚣 一 x n 图3 - 1x f p 光模块原理框图 从图中可看出，模块内部不含复用解复用器。模块通过x f i 接口将1 0 g b i t s 的数据信号传送到背板上的复用解复用器进行处理。图3 1 中的c m u 表示接入 的参考时钟是同步时钟。 武汉理工大学硕士学位论文 发射部分主要包括l d 芯片及l d 驱动器、c d r 电路、自动功率控制电路 ( a p c ) 和内部光功率监视控制电路。工作原理为：时钟数据恢复( c d r ) 电 路将从串行解串行器出来的n r z 码信号重新整形，输出到激光器驱动器。经过 一定的增益，驱动器通过放大后的电压调制信号来控制光调制器的“开 和“关， 最终把电信号变换为光脉冲输出。其中，激光器的偏置电路提供偏置电流，偏 置电流和调制电流可以控制输出功率和消光比。 接收部分主要由光电二极管、跨阻放大器( t i a ) 、限幅放大器( l p ) 和 c d r 芯片组成。工作原理为：光检测器首先检测光纤传来的光信号并将其转换 成电流信号，然后由跨阻放大器将该电流信号转换成电压信号( 一般为差分信 号) 。由于接收光信号功率较低，转换产生的输出电压一般都幅度不足，必须 在跨阻放大器末端配置一个末级放大器，多为限幅放大器。限幅放大器之后是 时钟和数据恢复电路【3 1 1 。通过判决和时钟提取之后，时钟与数据信号分离，分 别输出，完成数据接收。 数字诊断部分主要由微处理器来完成，并可通过1 2 c 接口与上位机通信。 采集电路首先将需要监测的五个检测参数进行采集，然后送至模数转换( a d c ) 输入端，a d c 电路将采集的五个模拟量转换成数字信号后存储于支持d d m 的 存储器的相应地址位上，上位机通过1 2 c 接口读取存储器内的偏置电流，工作 电压，温度，发射光功率，接收光功率等信息，判断模块工作状态是否为警告 或告警，并将相应参数设置后通过1 2 c 接口写入存储器，进行数模转换( d a c ) 后由微处理器控制模块工作在正常状态。上位机也可进行模块通用信息的读取， 包括存储模块类型、接口形式、传输特性、产品型号、及制造日期等。 3 1 2 设计目标 本项目设计的总体目标是： ( 1 ) 设计数据速率为1 0 g b s 的光收发模块，满足电信和数据业务的需求。 ( 2 ) 研究符合协议要求的光接口、电接口及机械接口等标准的x f p 收发器 的结构。 ( 3 ) 研究数字诊断功能的微处理器电路设计及上位机监控软件实现。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 技术指标 按照协议和目标制定的具体技术指标如表3 1 。 表3 - 1 模块设计技术指标 正常值最小值最大值 中心波长 8 5 0 n m 光功率 - 4 d b m7 5 d b m1 d b m 消光比 4 5 d b3 5 d b5 5 d b 发射特性上升延 _ 4 0 p s 下降延 _ 4 0 p s 交点 4 5 - - - 5 5 偏置电流 _ r f ，则放大器的 3 d b 带宽为： 武汉理工大学硕士学位论文 a w 1 巧( c + c ，彳) ( 3 3 ) 因为a 1 ，c f 很小，c f a 信号层2 - - 电源层l _ 地层2 信号层3 。 武汉理工大学硕士学位论文 t o a - a y e r f i n d l 一 s i g i v c c f i n d 2 b o l o m l _ a g e t 图4 2a l t i u m 中设计叠层图 一般而言，高速信号应放在内层且在两个敷铜层之间，因为两个敷铜层可 以为高速信号提供屏蔽作用并且将高速信号的辐射限制在两个敷铜区域内。但 是考虑到盲孔的加工费用以及盲孔的寄生电感等对信号的不利影响，本设计中 所有高速信号全部放在p c b 的顶层。而由于p c b 板外围有金属罩，所以顶层高 速信号也能受到较好的电磁防护。第二层为地平面，与顶层信号层耦合，为高 速收发信号提供良好的回流路径，同时也与信号层2 紧密耦合，保证信号层2 信号质量。信号层2 和底层分布着低速信号和控制信号。电源层和地层2 相邻， 紧密耦合，形成了一个具有滤波作用的电容。整个p c b 板设计了两个地敷铜层， 用以减小p c b 板的阻抗，减小e m i 。 表4 1 常见板材性能参数 板材 性能参数 单位 f 4 f r 4s 1 1 3 9r 0 4 0 0 3p t f e ( s g p 5 0 0 ) 介电常数 4 2 5 43 83 3 82 62 5 损耗角正切 0 0 0 80 0 0 40 0 0 2 20 0 0 1 9 0 0 3 5 热胀系数 p p m o e 2 11 4 1 62 1 e ，温度系数 p p m o e n a5 0 尺寸稳定度 m m m0 5 铜箔抗剥强度 p i i l o2 90 92 9 加工工艺难易( 孔与f r 4 相与f r 4 相 加工通孔时 表面需特殊 化、表面处理)当当 处理 曲 圳 删 悒 删旧州哆州一吣嚣嚣 武汉理t 大学硕：t = 学位论文 表4 1 是各种常见板材的参数说明。在板材选择上，由于顶层信号速度高达 1 0 g b p s ，选用介电常数和损耗正切尽可能小的板材可以减小高频损耗和信号反 射，同时又结合加工工艺和价格等因素考虑，最终选择的是r o g e r s 4 0 0 3 型号 的板材，而其它的信号层和参考层选择的是普通f r 4 板材。 4 2 2 阻抗设计 当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料 r 气一 的介电常数有关，可表示为：z = 等弓。如果传输线均匀，即p c b 上传输线 l ，三 和返回平面间距离不变，并且传输线的宽度和厚度都不变，那么信号感受到的 瞬态阻抗不变。恒定的瞬态阻抗即均匀传输线的特性阻抗。 如果传输线非均匀，那么特性阻抗就会发生变化，引发信号完整性问题。 当p c b 上传输线的宽度增加或厚度增大时，单位长度电容增大，或者走线和返 回平面间距离减小，电容增大，特性阻抗都会变小；反之，特性阻抗增大。 高速设计中很重要的一步就是阻抗控制。阻抗控制的目的是保持传输线上 阻抗的连续性。如果传输线上阻抗不连续，就会出现反射，产生信号完整性问 题。为了保证信号完整性，必须进行阻抗控制。在本设计中，高速信号采用差 分线和单端线的布线结构，阻抗分别控制在1 0 0q 和5 0q 。根据上述叠层设计 和p c b 厂家提供的板材、阻焊参数，用p o l a ri n s t r