（电路与系统专业论文）40gbs甚短距离光传输技术.pdf

摘要 摘要 随着人们对信道带宽需求的爆炸式增长，高速光网络得到了越来越广泛的应用。除 了传统的长距离光纤骨干网应用，还存在着在较短距离内传输大容量数据的传输需求， 例如电信局内的核心路由器、a t m 设备、光交叉连接设备( o x c ) 、密集波分复用 ( d w d m ) 设备甚至芯片到芯片之间，数据传输速率都达到了1 0 g b s 甚至4 0 g b s 。因 此，甚短距离( v s r ，v e r ys h o r tr e a c h ) 光传输已成为通信领域内的一大热门技术，有着 广阔的市场前景。 光网络互连论坛( o i f ，o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r u m ) 制定的针对4 0 g b s 甚短距 离光传输的v s r 5 标准中，收发机系统由转换集成电路、并行光发射和光接收模块以及 互连光纤组成，其中的转换集成电路用于s f i 5 与v s r 5 接口之间的转换。本文研究了 基于1 2 路并行技术方案的v s r 5 实验系统，重点研究了转换集成电路的设计和实现。 通过采用两片a l t e r af p g a ，本文设计实现了包括去斜移、帧同步、通道映射等在内所 有转换电路的功能。 为了满足系统的4 0 g b s 的数据率，本文对转换集成电路各功能模块均进行了精心 设计，包括合理配置f p g a 内嵌吉比特收发器，设计发送端去斜移电路使用滑动窗口生 成器和通道复用的窗口比较器，设计接收端去斜移电路使用分级判决结构，设计帧对齐 电路采用二分查找法，设计通道映射模块应用读写时钟频率异步的双端口r a m 等，不 仅节省了器件资源，而且确保了系统的稳定工作和o c 7 6 8 帧数据的准确传输。 将本文设计的转换集成电路应用到v s r 5 实验系统中，配合并行光发射和接收模块 以及1 2 芯扁平带状光纤进行了点到点的测试，二小时的测试结果表明误码率小于 l x l 0 。1 2 。该转换集成电路可应用于实际设备间的高速光背板连接，为今后设计完全自主 知识产权的4 0 g b s 甚短距离并行光传输系统奠定了基础。 关键词：4 0 g b s 甚短距离并行光传输；v s r 5 ；s f i 5 ；f p g a ；转换集成电路；去斜移； 帧同步；通道映射 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ee x p l o s i v ei n c r e a s eo ft h ed e m a n do fb a n d w i d t h ，h i g h - s p e e do p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e mi su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y b e s i d e st r a d i t i o n a ll o n g d i s t a n c eb o n en e t w o r k s ，t h e r e a r ea l s ot r a n s m i s s i o nd e m a n d sf o rh u g ea m o u n to fd a t ai nas h o r td i s t a n c e f o re x a m p l e ，t h e r a t eo fd a t at r a n s m i t t e dh a sa l r e a d yr e a c h e d10g b s ，e v e n4 0 g b s ，b e t w e e nc o r er o u t e r s ， a t md e v i c e s ，o x cd e v i c e s ，d w d md e v i c e si nt e l e c o m m u n i c a t i o no f f i c e ，e v e nf r o mc h i pt o c h i p a sar e s u l t ，t h ev s r ( v e r ys h o r tr e a c h ) o p t i c a lt r a n s m i s s i o nh a sa l r e a d yb e c o m eah o t t e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，a n dh a sw i d em a r k e tf o r e g r o u n d a4 0 g b sv e r ys h o r tr e a c ht r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc o m p o s e do fac o n v e r t e rc i r c u i t ，a p a r a l l e lo p t i c a lt r a n s m i t t e r , ap a r a l l e lo p t i c a lr e c e i v e ra n dc o n n e c t i o nf i b e r s i nv s r 5 a g r e e m e n tm a d eo u tb yo p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r u m ，i nw h i c ht h ec o n v e r t e rc i r c u i ti su s e d f o rc o n v e r s i o nb e t w e e ns f i 一5a n dv s r 5i n t e r f a c e s t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nv s r 5 i m p l e m e n t a r ys y s t e m ，f o c u s i n go nt h ed e s i g no fc o n v e r t e rc i r c u i t b yt w of p g ac h i p so f a l t e r ac o m p a n y , t h i sd e s i g nr e a l i z e sa l lc o n v e r s i o nf u n c t i o n s ，i n c l u d i n gd e - s k e w , f r a m e s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e lm a p p i n g i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do ft h e4 0 g b sd a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，t h ep a p e rd e s i g n sa l l f u n c t i o n a lm o d u l e si nt h ec o n v e r t e rc i r c u i ta b o r a t i v e l y , i n c l u d i n gc o n f i g i n gt h eg x b e m b e d d e di nt h ef p g a p r o p e r l y , a p p l y i n gs l i p - w i n d o wg e n e r a t o ra n dw i n d o wc o m p a r a t o r s h a r e db ya l lc h a n n e l si nd e - s k e wm o d u l eo ft r a n s m i t t e r , a p p l y i n gh i b e r a r c h ya d j u d i c a t o ri n d e - s k e wm o d u l eo fr e c e i v e r , a d o p t i n gb i n a r y - s e a r c hm e t h o di nf r a m es y n c h r o n i z a t i o na n d u s i n gd u a l p o r tr a mi nw h i c ht h er e a dc l o c ka n dt h ew r i t e c l o c kw o r k si n d i f f e r e n t f i e q u e n c y a l lt h e s em e a s u r e sn o to n l ys a v et h er e c o u r c ei nf p g a ，b u ta l s oi n s u r et h a tt h e s y s t e mc o u l dw o r k ss t e a d i l ya n dt h eo c 7 6 8f r a m ec o u l db et r a n s f e r r e da c c u r a t e l y t h ec o n v e r t e rc i r c u i td e s i g n e di nt h i sp a p e ri sa l s oa p p l i e di nv s r 5i m p l e m e n t a t i o n s y s t e m ，c o o p e r a t i n gw i t hp a r a l l e lo p t i c a lt r a n s c e i v e ra n d12 - f i b e rr i b b o n t h ep o i n t - t o p o i n t t e s tg o i n go nf o r2h o u r sp r o v e st h a tt h eb i te r r o rr a t ei sb e l o wlxlo 一1 2 t h i sc o n v e r t e rc i r c u i t c o u l db ea p p l i e di na c t u a lh i 曲s p e e do p t i c a lb a c k b o a r dc o n n e c t i o nb e t w e e nd e v i c e s f u r t h e r m o r e ，i th a sf o u n d e db a s ef o rd e s i g n i n gi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yv s rp a r a l l e l o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mi nf u t u r e 1 东南大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：4 0 g b sv e r ys h o r tr e a c hp a r a l l e lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n ：v s r 5 ；s f i - 5 ：f p g a ： g x b ；c o n v e n e rc h i p ：d e s k e w ；f r a m es y n c h r o n i z a t i o n ：c h a n n e lm a p p i n g 第1 v 页 图片索弓 图片索引 图1 1v s r 链路在现有网络体系中的位置2 图2 14 0 g b sv s r 的三种技术方案5 图2 2s t m 2 5 6 帧结构7 图2 3s f i 5 系统信号连接参考模型8 图2 4r x d a t a 1 5 ：0 t x d a t a 1 5 ：0 和r x d s c t x d s c 的时序图1 1 图2 5s f i 5 差分信号的参数定义1 2 图2 6s f i 5 终端信号一1 2 图2 7s f i 5 的眼图模板和抖动的参考模型1 3 图2 8s f i 5 发送器和接收器输出信号眼图模板1 4 图2 - 94 0 g b s 并行v s r 5 功能模块方框图1 5 图2 1 0s t m 2 5 6 帧字节在1 2 路数据发送信道中的映射关系1 6 图3 1 异步复位的端口电路1 9 图3 2 电平同步器2l 图3 3 边沿检测同步器。2 l 图3 4 脉冲同步器2 2 图3 5 完整的f p g a 设计流程2 4 图4 1v s r 5 收发机的系统框图2 9 图4 2 高速串行收发器模块g x b 的结构框图3 0 图4 3m e g a w i z a r d 中的a l t 2 g x b 调用界面3l 图4 _ 4g x b 的属性设置界面( 之一) 3 2 图4 5g x b 的属性设置界面( 之二) 3 2 图4 6g x b 的属性设置界面( 之三) 3 3 图4 7g x b 的属性设置界面( 之四) 。3 3 图4 8g x b 的属性设置界面( 之五) 3 4 图4 9g x b 的属性设置界面( 之六) 3 4 图4 1 0 去斜移电路实现框图3 5 图4 1 1 窗口比较器结构框图3 6 图4 1 2d s c 帧对齐电路结构框图3 6 图4 1 3d s c 帧同步状态机( f p ：f i n dd s cf r a m eh e a dp a t t e m ) 。3 7 图4 1 4 滑动窗口生成器3 7 图4 1 5 斜移量监测状态机3 8 图4 1 6s f i 5 去斜移模块的在系统验证结果3 9 图4 1 7 异或定位原理图4 0 图4 1 8 基于二分查找的帧对齐电路结构图4 l 图4 1 9 二分查找单元原理图4 l 图4 2 0 发送方向字节对齐帧对齐模块的在系统验证波形图4 2 图4 2 1 接收方向字节对齐帧对齐模块的在系统验证波形图4 2 图4 2 2 通道映射模块电路结构原理图4 3 图4 2 3 发送方向1 6 1 2 通道映射模块在系统验证波形图( 输入端口) 4 4 图4 2 4 发送方向1 6 一1 2 通道映射模块在系统验证波形图( 输出端口) 4 5 v i i 东南大学硕士学位论文 图4 2 5 接收方向1 2 1 6 通道映射模块在系统验证波形图( 输入端1 2 1 ) 4 5 图4 2 6 接收方向1 2 1 6 通道映射模块在系统验证波形图( 输出端1 2 1 ) 4 6 图4 2 7 接收端通道间去斜移模块缓存器地址生成原理框图4 7 图4 2 8 接收端通道间去斜移模块在系统验证波形图4 8 图4 2 9 发送端电路p o w e r p l a yp o w e ra n a l y z e r 功耗分析结果4 9 图4 3 0 接收端电路p o w e r p l a yp o w e ra n a l y z e r 功耗分析结果4 9 图5 1 收发机系统的光电连接5 0 图5 2 系统测试平台5l 图5 3 误码率测试结果5 2 第v i i i 页 表格索引 表格索引 表2 1v s r 5 参考应用模型与3 种技术解决方案的关系6 表2 2s t m o c 系列帧结构的比特率6 表2 - 3 输出差分信号特性指标1 2 表2 - 4 输入差分信号特性指标13 表2 5 斜移、游走和抖动的相关参数要求1 3 表2 - 6 发送信号眼图模板参数定义1 4 表2 7 接收信号眼图模板参数定义1 4 表4 1e p 2 s g xl3 0 g f l5 0 8 1 4 资源列表3 0 表4 2 比特重排模块的输入输出比特映射关系表3 9 第页 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：7 肚浓日期： ，一 、一 型丝，莎 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：焦鎏导师签名： 引言 第1 章引言 1 1 甚短距离光传输技术( v s r ) 概述 2 0 世纪8 0 年代以来，光通信系统从最初传输几公里、速率在每秒兆比特量级的准同步数字系 列系统迅速发展到现在传送几千公里、速率超过每秒太比特量级的密集波分复用系统。各种光通信 技术的进步极大的推动了整个信息技术的发展，构成了现代信息社会的基础。 对骨干网的光纤线路而言，要求将尽可能大的信息量和传送尽可能远的距离，以减少中继设备， 降低建设和运行维护成本，提高可靠性。然而，随着人们对信息量需求的日益增大，在实际的光通 信系统应用中，出现了很多短距离、高速率的传送要求。例如，在骨干网的中心机房内、在基于万 兆以太网的局域网范围内，还有在设备内部，其数据传输速率一般都已超过了l o g b s ，传送距离小 于6 0 0 米。针对这种在较短距离内高速率的数据传输，电连接已经不再适用，采用光传送技术是解 决这一问题的首选。现有的同步光网络系统是按长距离骨干网设计的，采用的是比较昂贵的串行光 发射和接收设备，对光纤线路的要求较高，必须对整个光纤链路进行细致的设计、模拟。而在短距 离光传送方式中，可以不考虑如色散和非线性等复杂的光纤线路设计，不需要解决光放大等中继问 题，对光源的要求也相应降低。此时再采用串行光传送设备显然代价太高。相比而言，采用并行传 送方式可以降低每根光纤上的传送速率，降低对光器件的要求，减少连接成本。为此，光网络互连 论坛( o i f ，o p t i c a l i n t e m e t w o r k i n g f o r u m ) 推出了甚短距离光传输( v s r ，v e r y s h o r t r e a c h ) 技术， 主要采用并行光互连，降低每根光纤上的传输速率，从而降低对系统其它器件的要求，实现低成本。 从i s o 的网络7 层协议来看，v s r 主要涉及到物理层和数据链路层的规范。在物理层上，针对 不同的应用场合，它对光源、光纤以及链路的功率分配等进行了详细的规范。在数据链路层上，由 于涉及到光信号串并转换的问题，因此需要对所承载信号的帧结构进行重组，加入诸如c r c 校验等 适当的检错和纠错信息。 自2 0 0 2 年以来，o i f 相继通过了一系列v s r 建议( v s r 4 1 0 ，v s r 4 2 0 ，v s r 4 3 0 ，v s r 4 4 0 ， v s r 4 5 0 和v s r 5 ) ，在电接1 2 1 上直接面向作为城域网和骨干网承载技术的s d h s o n e t 技术。此外， 随着人们对信息量的要求越来越大，还有很多技术，诸如，万兆以太网、光纤通道、i n f m i b a n d 和 r a p i d l o 等的发展同样要求在较短距离上实现大容量信号的传输，其物理层和数据链路层实现同 v s r 技术非常相似，甚至可以直接采用v s r 的相关技术。 对于电信网络，其体系大致分为局域网( l a n ，l o c a la r e an e t w o r k ) 、城域网( m a n ， m e t r o p o l i t a n ) 、和广域网( w a n ，w i d ea r e an e t w o r k ) 。终端的用户和服务器分别通过接入路由器 和主机路由器( 或交换机) 进入局域网，这些交换机和路由器再通过局域网顶层的核心路由器连接 到城域网中心局，也就是汇接点( p o p ，p o i n to f p r e s e n c e ) 。不同的汇接点之间的相互连接通过骨干 网来实现，这个过程需要通过广域网路由器，以及密集波分复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 系统和光交叉连接( o x c ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n ) 设备来实现。v s r 技术渗透到 整个网络的各个层面，这一点可以从图1 1 中看出。 东南大学硕士学位论文 图1 1v s r 链路在现有网络体系中的位置 例如，在骨干网中心机房内，o x c 设备内部光信号的互连，完全可以采用o i f 建议的并行或者 串行方式来实现：在局域网范围内，万兆以太网的x a u i ( 1 0 g b s 以太网连接单元接口，1 0 g b s a c c e s s u n i ti n t e r f a c e ) 接口也可以通过o i f 建议中4 路并行方式来实硎。 1 2 本研究的背景和意义 随着人们对传输信息量要求的不断增长，4 0 g b s 网络传输存在着相当大的优势。第一，可以有 效地使用传输频带，频谱效率比较高。第二，降低了设备的成本，如果4 0 g b s 的成本能降到1 0 g b s 实际成本的三分之一以下时，就达到了合理应用的程度；如果能够降到这一点的话，就可能实现大 规模的应用。第三，减少了o a m 的成本、复杂性以及备件的数量。这是很明显的，因为它只用一 个网元代替了四个网元，自然简单了很多。第四，每比特的成本比其他的城域网方案更加经济。第 五，通常单波长可以处理多个数据连接，核心网的功能将会大大增强。因此，随着路由器有了1 0 g b p s 的端口，核心传送网理应转向4 0 g b s 。也就是说，传送网应该比路由器接口速率高4 倍，这样组网 效率较高。可能用不了几年，大多数骨干路由器的端口都是1 0 g b s 了，在这样的前提下就会迫使传 输设备走向4 0 g b s 。 进入2 0 0 7 年以后，业界关于4 0 g b s 高速传输系统商用的报道不断涌现。至2 0 0 8 年底，主流电 信运营商在其传输网络中都已或多或少地应用了4 0 g b s 高速传输技术。知名咨询公司o v u m 在2 0 0 8 年1 1 月下旬最新出版的行业报告中认为，4 0 g b s 传输技术已经进入“普及应用阶段”，将迎来健康持 续的发展期。无论是国外还是国内的发展现状都印证了上述观点：一方面受持续高速增长的i p 业务 的驱动，运营商对4 0 g b s 高速传输的需求日渐迫切，特别是a t & t 、v e r i z o n 、中国电信等承载大量 p 流量的基础电信运营商，而且核心路由器早在3 年前就具备了商用的4 0 g b sp o s 板卡，4 0 g b s 传输设备的滞后成为4 0 g b s 网络无法迅速普及的重要瓶颈；另一方面，至2 0 0 8 年底，国内外主流 传输设备厂商都已发布了4 0 g b s w d m 传输设备，在国内较活跃的厂商就有华为、烽火、中兴、北 电、阿尔卡特朗讯、爱立信等1 2 】。 据统计，8 0 的数据通信是在3 0 0 米距离之内，称之为甚短距离( v s r ) 通信，所以发展短距离的 高速、低成本通信模块具有相当重要的意义和经济效益，这些短距离高速通信模块被广泛应用于存储 域、中心办公室和数据中心中连接计算机、存储器、交换机和路由器等。同时高速短距离通信模块 还朝着更短距离的方向发展，如计算机内的背板互连，甚至板上芯片之间的互连，以克服电子互连的瓶 第2 页 颈效应。例如，2 0 0 8 年i n t e l 研究人员成功实验一个传输速率达4 0 g b p s 的光通信芯片，并能降低光通 信集成电路成本。 市场研究和行业分析公司c i r 的一份最新报告显示，到2 0 1 2 年，电信设备制造商将会购买价 值约5 亿美元的4 0 g b s 收发器和其他器件。4 0 g b s 市场目前处于甚短距离应用阶段，部署主要局 限在核心路由器上。虽然包括a t & t 、s p r i n t 和s o f t b a n k 在内一些运营商已经宣布计划升级到 4 0 g b s ，但是c i r 仍认为产业界4 0 g b s 首例应用要等到2 0 1 0 年。分析师说，至少2 0 1 5 之后，4 0 g b s 才能够达到今天1 0 g b s 市场的发展水平。虽然如此，4 0 g b s 仍将会提前找到一个相当大的市场， c i r 预计新技术的驱动、成本的降低以及不断增加的带宽需求都会带动4 0 g b s 市场的发展。近来最 重要的创新就是先进光调制格式的出现和色散补偿的改进，这两者将使得在现有网络上完成4 0 g b s 传输更为可行p 】。 在国际上，很多著名通信产品器件供应商和研究机构均把v s r 的研发放在相当重要的位置上。 在标准制定方面，半导体及网络系统供应商组成的光网络互连论坛( o i f ，o p t i c a li n t e m e t w o r k i n g f o r u m ) 已于2 0 0 1 年1 月1 8 起陆续发布了在o c 1 9 21 0 g b s 速率等级的o i f v s r 4 0 1 0 、 o i f v s r 4 0 2 0 、o i f v s r 4 0 3 0 和o i f v s r 4 0 4 0 系列光传输参考规范。目前已发布o c 7 6 84 0 g b s 速率等级的o i f v s r 5 0 1 0 规范。国际电信联盟i t u t 也于2 0 0 1 年底制定了v s r 标准：g ；6 9 3 。目 前，关于甚短距离光传输的标准仍在由各个国际组织制定之中，以满足各种各样的客户需求和适应 技术的快速发展，保证不同厂商之间产品能够互联互通，进而保证其最优的性能价格比。另外，很 多高速数据传输标准都可以采用v s r 并行光传输解决方案。例如：i e e e s 0 2 3 工作组制定的 i e e e 8 0 2 3 a b 千兆以太网标准中，可采用单通道v s r 甚短距离传输直接作为千兆以太网的物理层器 件；i e e e 8 0 2 3 a e 万兆以太网标准中，把万兆以太网连接单元接口( x a u i ，1 0g i g a b i t a t t a c h m e n tu n i t i n t e r f a c e ) 采用4 x 3 1 2 5 g b s 并行甚短距离光传输系统实现x a u i 传输功能；当采用r a p i d l o 高速率 接口时，可以用一个或多个甚短距离光传输高速串行通路( 目前定义了1 和4 ) ，来建立全双工点 对点链接。 国内在甚短距离光传输方面的相关标准几乎是空白，国内最著名的光模块制造企业，如飞通、 飞博创和武汉光器件公司在并行光模块的研发与制造处于刚刚起步阶段；在转换芯片设计方面，我 国目前还没有生产出应用于v s r 的专用a s i c 芯片。为此，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 在“十五”和“十一五”期间陆续发布指南，研究基于并行光信号甚短距离v s r 传输的关键技术、研究 v s r 应用参考模型与相关技术标准，研制超大规模专用并行接口适配集成电路，分析和研制高速率 并行光发射模块和光接收模块，研究集成电路高密度封装技术以降低成本和小型化，根据实验系统 运行情况并结合o i f 技术规范，拟定我国自己的技术规划引。 东南大学射频与光电集成电路研究所在十一五期间承担了国家8 6 3 项目“4 0 g b p s 甚短距离并行 光互连技术与实验系统”，本文正是在该项目支持下，作者对4 0 g b s 甚短距离并行光传输系统领域 某些方面研究成果的总结。 第3 页 东南大学硕士学位论文 1 3 论文的主要内容与结构安排 本文在讨论4 0 g b s 甚短距离光传输技术的基础上，提出了一种基于f p g a 实现的v s r 5 收发机 系统的实现方法，并重点就其中s f l 5 - - v s r 5 接口转换集成电路的设计进行了研究。 本文正文共分六章。 第一章是引言。简要介绍甚短距离光传输技术的产生背景、技术范畴、应用领域、发展情况以 及本论文研究的意义。 第二章阐述了针对4 0 g b s 甚短距离光传输技术的v s r 5 规范，包括涉及的接口逻辑、电气标准、 数据帧结构、实现架构等方面，特别是对并行1 2 路技术方案作了比较详细的讨论。 第三章归纳了数字集成电路的设计方法，对数字设计中的一些关键问题进行了分析，然后介绍 了f p g a 设计方法的特点、流程和本设计中使用的e d a 开发工具，最后介绍了a l t e r a 公司的带嵌 入式吉比特收发器的s t r a t i xi ig x 系列f p g a 的特点。 第四章是本论文的核心内容，以第二章中提到的v s r 5 并行1 2 路技术方案为参考，首先提出了 一种基于f p g a 实现的v s r 5 收发机的系统架构，然后重点分析了其中s f l 5 v s r 5 接口转换集成电 路的设计方法，包括内嵌式吉比特串行收发器( g x b ) 模块的应用、各功能模块( 发送端去斜移、 接收端去斜移、字节同步帧同步、比特重排、通道映射等) 的r t l 设计和逻辑验证结果，以及系 统的静态时序分析结果和功耗分析结果。 第五章是系统的测试部分，包括测试方案、测试用仪器、系统板结构、光电连接和误码率测试 结果等。 第六章即最后一章是对全文的总结与展望，并提出进一步的研究任务和方向。 第4 页 4 0 g b sv s r 系统介绍 第2 章4 0 g b sv s r 系统介绍 v s r 5 是面向4 0 0 b s 甚短距离光传输应用而制定的接口规范1 5 l 。制定这个规范的目的是降低网 络的复杂性及运营成本，能以最少的技术解决方案满足大多数情况的应用需求。对于协议中的每一 个具体的技术解决方案，要能够做到具有广阔的市场前景、应用面广、兼容性好、技术上可行和经 济上可行等特点。最终，在v s r 5 协议中共定义了3 个技术解决方案，即1 2 路并行光技术方案、单 模光纤( s m f ) 4 x1 0 0 b s c w d m 光技术方案和单模光纤( s m f ) 串行光技术方案。 无论是哪一种技术解决方案，其接口模块都是由一个转换器集成电路，一个光发射器模块和一 个光接收器模块所组成。电接口则采用传输s d h 帧格式数据的串并转换成帧器接n ( s f i 5 ，s e r d e s f r a m e ri n t e r f a c e ) ，它包括了对总线的物理标准、通信用信令协议和数据格式等功能的规定。 在信号发送方向上，转换器集成电路的作用是将位宽为1 6 位、工作时钟频率为2 4 8 8 g h z 的数 据总线传来的电信号映射入光发射信道中，驱动激光器发射光脉冲信号。在信号接收方向上，将光 接收器传来的信号重新组合成1 6 b i t 位宽、带宽为2 4 8 8 g h z 的数据总线。 图2 1 是v s r 5 协议的三种光传输技术方案的光模块功能框图及接口。 1 6 x 2 5 g b s1 2 3 3 1 8 g b s 。1 2 路并行l s t m - 2 5 6 h 1 6 ：1 2 7 1 光发射器广 成帧器 转换器i c p 1 2 ：1 6 j1 2 路并行l1 l 光接收器r ( a ) 1 2 路并行技术方案 1 6 x 2 5 0 b s 4 】0 0 b s 带状 光纤 复用器 i1 6 ：4 y l 光发射器r l i s t m - 2 5 6 r * 由占口转换器i c l 劂隗器 ： 4 ：1 6 l 一 光接收器 一 解复用器 1 6 x 2 5 g b s ( b ) c w d m 技术方案 s f i - 5 电接口 ( c ) 串行技术方案 图2 14 0 g b sv s r 的三种技术方案 第5 页 光纤 模光纤 东南大学硕士学位论文 v s r 5 规范中的3 个技术解决方案的参考应用模型示于表2 1 中。 表2 1v s r 5 参考应用模型与3 种技术解决方案的关系 本章将先简要介绍v s r 5 所传输的数据的s d h s o n e t 标准化系列帧结构，特别是s t m - 2 5 6 的 数据格式，然后介绍针对v s r 5 系统转发设备和成帧器设备电接口的串并转换成帧器接1 3s f i 一5 标 准，最后着重介绍并行1 2 路技术方案的实现结构。 2 1s d h s o n e t 帧结构 s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字体系) 是一种将复接、线路传输及交换功能融为 一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络标准【们。该标准是在美国贝尔通信技术研究所提 出来的同步光网络( s o n e t ) 的基础上形成的。s d h 网的一个关键功能是要求对各种低速率支路信 号进行同步的数字复用和交叉连接，因此帧结构必须能适应所有这些功能。同时也希望支路信号在 一帧内的分布是均匀的、有规律的，以便于接入和取出。最后，还要求帧结构对1 5 m b w s 系列和2 m b i t s 系列信号同样方便和实用。这些要求导致i t u t 最终采纳了一种以字节结构为基础的矩形块状帧结 构。 表2 - 2s t m o c 系列帧结构的比特率 s d hs o n e t 系列比特率( m b s ) 系列 比特率( m b s ) o c 15 1 8 4 0 s t m 11 5 5 5 2 0 o c 31 5 5 5 2 0 o c 94 6 6 5 6 0 s t m - 4 6 2 2 0 8 0 o c 1 26 2 2 0 8 0 o c 1 89 3 3 1 2 0 o c 2 4 1 2 4 4 1 6 0 s t m 1 6 2 4 8 8 3 2 0o c 4 8 2 4 8 8 3 2 0 o c 9 64 9 7 6 6 4 0 s t m 6 49 9 5 3 2 8 0o c 1 9 29 9 5 3 2 8 0 s t m - 2 5 63 9 8 1 3 1 2 0o c 7 6 83 9 8 1 3 1 2 0 第6 页 4 0 g b ，sv s r 系统介绍 s d h 最重要和最基本的传输模块是s t m 1 ，它的比特率是1 5 5 5 2 0 m b s ，光接口处相应的线路 信号是由电信号经加密转化而成的光信号，其比特率仍然是1 5 5 5 2 0 m b s 。更高速率的s t m - n 信号是 把n 个s t m 1 通过按字节复接而形成的。目前由c c i t t 标准化了的n 值有1 、4 、1 6 、6 4 矛d 2 5 6 ，它们 的比特率和由a n s i 标准化了的s o n e t 的比特率如表2 2 所示。 一个s t m 1 由一个a u g ( 管理单元组) 加上7 2 字节的段开销s o h ( s e c t i o no v e rh e a d ) 形成。因此 1 5 5 5 2 0 m b s 的比特率等于a u g 的1 5 0 9 1 2 m b s 力 i 上s o h 的4 6 0 8 m b s 。一个s t m - n 可由个s 刑1 按 字节间插或者 ，个a u g 加上7 2 n 个字节s o h 按字节间插获得。这样，比特率就是7 v 幸1 5 5 5 2 0 m b s 。任 何s t m - n 的传输速率都是8 0 0 0 帧秒，这与电话信号的取样率是一样的。 每个s t m - n 帧由2 7 0 x n 歹：l j 和9 行8 比特字节组成。对于s t m 2 5 6 而言，它的帧结构有9 行和2 7 0 x 2 5 6 列，帧长度为9 2 7 0 2 5 6 = 6 2 2 0 8 0 个字节，相当于4 9 7 6 6 4 0 个比特，如图2 2 所示。 1 9 * 2 5 6 2 7 0 * 2 5 6 再生段开销 a i j 指针 $ t i i - n 净负荷 ( 含p o h ) 复接段开销 图2 2s t m 2 5 6 帧结构 数据的传输顺序和读书顺序一样，又左上到右下按顺序传送，直至整个帧都传完再转入下一帧， 每帧传送耗时1 2 5 u s 。结构整体上可分为3 个部分： ( 1 ) 段开销( s o l i ) 帧结构的第l 至第9 x 2 5 6 歹d ，第1 至第3 行及第5 至第9 行的7 2 x 2 5 6 个字节分配给段开销，其中前四 行是再生段开销，后四行是复用段开销。s o h 被用于网络的操作、管理和服务，可见段开销是相当 丰富的，这是光同步传送网的重要特点之一。 c z ) 管理单元指针( a up 1 r ) 它位于第四行的前9 2 5 6 个字节，用于指出有效载荷字节的第一个字节，从而使有效载荷能够从 帧中读取出来。 ( 3 ) 有效载荷 这部分用来装载将要被传送的信息。其中还包括少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开 销字节( p o h ) 。通常，p o h 作为净负荷的一部分一起在网络中传送。 2 2s f i 5 接口数据标准 s f i - 5 ( s e r d e sf r a m e ri m e r f a e el e v e l5 ) 接口是由o i f 于2 0 0 2 年1 月制定的一个针对物理层4 0 g b s 第7 页 墟 轧 m 地 东南大学硕士学位论文 转发设备和成帧器设备电接口应用的标准，制定这个标准的目的是使4 0 g b s 数据传输系统的成本进 一步降低【7 1 。 s f i 5 系统主要由一个包含s e r d e s 组件的光模块，一个f e c ( f o r w a r de l l o rc o r r e c t i o n ) 和一个 f r a m e r 组成。图2 3 所示是一个s f i 5 系统信号连接参考模型。 系统到光 t x i 迮f c kit x r e f c kit x r e f c k s d h s o n e t 成帧器 f e c 处理器串行解串器 i r x r e f c kl r x r e f c k 光到系统 图2 3s f i 5 系统信号连接参考模型 s f i