（电路与系统专业论文）甚短距离（vsr）光传输数据转换芯片设计.pdf

摘要 摘要 近几年来，随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对带宽的需求呈指数增长，高速网络设备 之间的光互连需耍更高的带宽和更低的成本，而高性价比的甚短距离( v e r y s h o r t r e a c h ，v s r ) 光传输技术是解决短距离( 3 0 0 米) 光互连的优选方案。 在o c 1 9 2 速率等级( 1 0 g b s ) 以及o c 7 6 8 速率等级( 4 0 g b s ) 上，光互连论坛制定了 一系列的v s r 光传输应用协议，其中v s r 4 0 1 0 、v s r 4 0 3 0 和v s r 5 0 1 0 协议中的数据转 换芯片是本文的主要研究对象。 在对现有s d h 帧对齐电路性能分析的基础上，提出了一种创新的基于二进制搜索( b i n a r y s e a r c h ) 的帧对齐方法。仿真与测试结果均显示，该电路在相同数据位宽条件下，性能明显 优于现有帧对齐电路，己申请国家发明专利。通过对系统纠错性能的分析，提出了一种字节 纠错方法。分析指出，该方法可以充分利用系统结构，大幅提高系统纠错能力。 在v s r 4 0 1 电路的基础上，设计了v s r 4 0 3 0 数据转换芯片，在对整个设计进行充分仿 真验证的基础上，采用s t r a t i xg x 系列f p g a 设计了系统测试与验证硬件平台，经s d h 测试 仪单板环回测试与点对点通信测试，v s r 4 0 3 接口系统采用多模光纤传输误码率小于1 0 d 3 。 为了全面掌握v s r 技术，设计了针对o c 7 6 8 速率等级的v s r 5 01 数据转换芯片数字部 分，对全部电路做了仿真，并对关键模块进行了f p g a 下载测试，仿真与测试结果证明，整 个电路达到了设计要求。 本课题受国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 支持，属于光通信技术专题课题，课题 编号2 0 0 l a a l 2 2 0 3 2 。 关键词：甚短距离光传输( v s r ) 、数据转换芯片、f p g a 、帧同步电路、误码率。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h el a s tf e wy e a r st h e r ei sa l le x p l o s i v eg r o w t hi nd e m a n df o rb a n d w i d t h ，l e a d i n gt ot h er i s e o fo p t i c a li n t e m e t w o r k t h ev s r ( v e 哆s h o r tr e a c h ) i n t e r f a c ei sal o w - c o s ta n dh i g h p e r f o r m a n c e s o l u t i o ns u i t a b l ef o rt h eu l t r ah i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e ns h o r td i s t a n c e s t h eo p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r u m ( o w ) h a sd e f i n e das e to fi m p l e m e n t a t i o na g r e e m e n t sf o r o c 一1 9 2a n do c 一7 6 8a p p l i c a t i o n s a m o n gt h e m ，v s r 4 - 0 1 ，v s r 4 0 3a n dv s r 5 0 1c o n v e r t e ri c s a r eo u rr e s e a r c hi n t e r e s t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts d hs y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t s ，an o v e lp a r a l l e lb i n a r y s e a r c hw o r da l i g n m e n tc i r c u i ti s p r o p o s e ds p e c i f i c a l l yf o rs d hs y s t e m s i th a sm u c hh i g h e r p e r f o r m a n c et h a nt h ec u r r e n ts d hs y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee r r o rd e t e c t m e c h a n i s mo ft h ev s r 4 01 a g r e e m e n t , an e wb i t e r r o rc o r r e c t i o nm e t h o di s g i v e na n dt h e a s s o c i a t e dc i r c u i th a sb e e nr e a l i z e d t h ed i g i t a lp a r to fav s r 4 0 3c o n v e r t e ri ch a sb e e nr e a l i z e db a s e do na nf p g a ，a n d 锄 e x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h e1 0 g b sp o i n t - t o - p o i n tt r a n s m i s s i o n t h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h eb i te r r o rr a t ei sl o w e rt h a n10 。1 3 m e a n w h i l e ，t h ed i g i t a lp a r to fav s r 5 01c o n v e r t e ri ch a sb e e nr e a l i z e d t h es i m u l a t i o na n d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i t sc a nm e e tt h eh i g hs p e e dd a t at r a n s f e rr e q u i r e m e n t sf o ro c 一7 6 8 k e yw o r d s ：v e 叮s h o r tr e a c h ( v s r ) ，c o n v e r t e ri c ，f p g a ， f r a m ea l i g n e r , b i te r r o r d e t e c t i o n i i 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：查杰日期： ! ：竺! ：； 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：查邀导师签名： 日朔：幽矽 第一章绪论 第一章绪论 1 1v s r 技术产生背景 2 0 世纪8 0 年代以来，数字传输技术快速发展，传输体制迅速从准同步数字系列( p d h ) 过渡到同步数字系歹i j ( s d h ) 。光纤传输由于具有通信容量大、无中继传输距离长、节省有色 金属、抗干扰能力强、保密性好等一系列优点，在长途和本地传输中得到了广泛应用【1 l 。据 统计，目前，世界上大约有6 5 的通信业务经光纤传输。对长距离光纤传输而言，传的距离 越远越好，单纤能够传送的信息量越大越好，目标是降低单位信息传送成本。因此，长距离 光纤传输采用的是相对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和模拟。而短距离光纤传输与长距离有很大的不同。由于距离较短， 不必考虑诸如色散和非线性等复杂的光纤线路设计问题，对光源的要求也相应降低。此时， 再采用长距离光传输设备代价显然太高。 近几年来，随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对带宽的需求呈爆炸性增长。越来越多的 网络设备如核心路由器、a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 设备、光交叉连接设备以及密 集波分复用设备等被配置在运营商的同一座通信大楼中。由于超高速数据连接( 0 ( 2 1 9 2 即 1 0 g b i t s 及以上速率等级) 的需要，这些设备之间一般都采用光互联，并且连接的距离较短 ( 通常几百米以内) 。甚短距离光传输( v s r ) 技术正是在这种背景下产生的【2 】。v s r 光传输 技术是一种物理层传输技术，其传输距离在6 0 0 m 以内。与长距离光纤传输技术不同，它不 一定采用串行而用并行传送的方式，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。在2 0 0 0 年到2 0 0 3 年间，光互联论坛( o i f ) 在s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a l n e t w o r k ) o c 19 2 ( 或s d hs t m 6 4 ，传输速率lo g b i t s ) 和o c 7 6 8 ( 或s t m 2 5 6 ，传输速率 4 0 g b i v s ) 这两个速率等级上制定了一系列v s r 接口应用协议，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f 2 】o 1 2v s r 标准与性能 在传统光纤通信中，将两千米以下的传输距离称为短距离传输( s h o r tr e a c h ) ，两千米 到4 0 千米的范围称为中等距离传输( i n t e r m e d i a t er e a c h ) ，而超过4 0 千米以上的传输称为 长距离骨干网传输( l o n gh a u lr e a c h ) 。在这基础上，又进一步将几米- - 6 0 0 米划分为甚短 距离传输( v e r ys h o r tr e a c h ) 。v s r 接口就工作在该传输距离上。 在这一领域已有的规范是国际电信联盟( i t u t ) 的g 6 9 3 1 3 1 以及o i f 的v s r 4 和v s r 5 系列。前者的内容主要是通过对链路参数的优化调整从而在单模光纤上实现6 0 0 米至2 千米 的1 0 g b s 和4 0 g b s 的数据传输；而o i f 的协议则包括了串行与并行传输两种模式。采用并 行光连接是为了降低单根光纤的传输率，从而降低系统对光器件的要求，减少成本。本论文 主要围绕o i f 制定的几种并行传输方案展开。 v s r 在网络体系中的位置如图l 。l 【2 】。终端用户通过接入路由器进入局域网，这些接入 路由器再连接到核心路由器等设备，最后通过密集波分复用系统和光交叉连接设备连接到长 途光纤骨干网。 东南大学硕士学位论文 图1 1v s r 在网络体系中的位置 在局域网类的高速设备之间以及光交叉连接设备内部光信号的互联，都可以采用性价比 极高的v s r 技术，从而降低设备成本。 总体上说，v s r 技术主要有以下几个特点 4 1 ： l 、传输距离短，传输速率高 v s r 的设计就是为了实现高速设备的短距离数据互联，所以和传统的骨干网光纤传输技 术有很大的不同，着重考虑高速数据传输，而不是传输过程中存在的损耗、色散等问题。 2 、大量采用并行光传输技术。 采用并行光传输可以降低单根光纤的传输率，从而降低对器件的要求，但是由于并行传 输的需要，在系统中都必须有数据转换芯片，实现数据对传输通道的映射。 3 、面向低成本方案 由于垂直腔面发射激光器( v s c e l ) 和并行传输的应用，v s r 技术相对于传统的长途光 纤传输技术在成本上有较大的优势，性价比极高，具有广阔的应用前景。 1 3 本文的主要工作 本文的研究范围为v s r 系统中的数据转换芯片的设计与实现。研究目标为： 1 、完整理解并掌握v s r 各级协议的内容，掌握并行光传输技术中数据映射与处理的关键技 术以及高速数据的处理方法。 2 第一章绪论 2 、采用现场可编程门阵列( f p g a ) 实现v s r 4 - 0 1 0 、v s r 4 - 0 3 0 、v s r 5 0 1 0 三种v s r 规 范中的数据转换芯片的设计，从而完整实现v s r 规范体系中的主要数据转换芯片。并将 主要设计采用h d l 语言描述，形成跨平台的i p - c o r e ，为进一步的a s i c 实现打下基础。 今后的a s i c 实现仅需采用数字设计工具进行综合布线并集成模拟器件就可以完成。 3 、掌握高速p c b 版的布局与制作，实现v s r 4 0 3 系统测试平台，并充分发挥硬件的扩展性， 使之仅需更改软什就可以对v s r 4 - 0 1 协议支持。系统通过3 0 0 米光纤的测试，误码率小 于l o 。1 2 。 本文中v s r 4 0 1 数据转换芯片的设计是国家8 6 3 课题“1 0g b i t s 甚短距离并行光传输模 块与实验系统”的重要组成部分。2 0 0 4 年3 月，国家8 6 3 计划通信主题验收专家组在南京对 本项目进行了现场验收。专家们听取了课题承担单位关于该课题的完成情况和主要内容汇报， 观看了系统的现场演示，验收专家组认为：“课题组完成了合同要求的任务，资料齐全，经费 使用合理，同意通过验收”。 3 第二章o i f - v s r 协议介绍 第二章o i f v s r 协议介绍 在o c 1 9 2 速率等级上，o i f 已经定义了五种v s r 接口应用协议1 5 l ：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 ，o i f - v s r 4 - 0 4 0 ，o i f v s r 4 0 5 0 。前4 种均采用8 5 0 n m v c s e l ( 垂直腔面发射激光器) 。在o c 7 6 8 速率等级上目前o i f 只定义了v s r 5 0 1 0 接口应用协议，该 协议中包括了3 种4 0 g b i t s 的解决方案：1 2 通道并行传输模式、4 通道粗波分复用( c w d m ) 并 行传输模式以及单根光纤的串行传输模式。其中1 2 通道的并行传输模式采用8 5 0 h m 的v c s e l 阵列。 本章着重介绍功能较为复杂的v s r 4 0 i 0 和v s r 5 0 1 0 协议，并简要介绍v s r 系列其余各个 协议的主要功能与特性，最后介绍作为v s r 同物理层设备电气接口的s f i - 4 和s f i 5 协议。 2 1v s r 4 0 1 0 规范【6 】 v s r 4 0 1 在收发方向均有1 2 个并行通道，光信号通过1 2 芯多模带状光缆传送，光纤连接器 为m t p ( m p o ) ，每个通道数据速率为1 2 4 4 g b i t s 。其中前1 0 个通道传输数据，第l l 通道用于 检错，第1 2 通道用于纠错。在采用4 0 0 m h z k m6 2 5um 多模光纤时，传输距离达3 0 0 m 。 v s r 4 0 1 接口功能框图及应用参考模型见图2 。l 【4 1 。 o c - 1 蛇 成帧器 1 6 6 2 2 , 0 8 0 h b s1 2 1 2 4 4 0 b s _ i ：f f = = 汀赢 发送方向 转换芯片 接收方向 转换芯片 l 捌光发射 i i 垫茎 ! 广弄矿 叫光接收 ：li = = ! ii 型 s f i - 4 接口 1 2 萏多t 楱光纤 蔗蔼1 2 x i 焉2 4 4 g b si 1 8 1 x622l080tlb厂s 一鬻蛰一一 图2 1v s r 4 0 1 接口功能框图及应用参考模型 如图2 1 所示，v s r 4 0 1 接口主要由三部分组成： 1 、转换集成电路 该部分是v s r 4 0 1 0 协议中最复杂的部分，完成o c 1 9 2 帧数据向1 2 路并行通道映射以 及接收端恢复数据的功能。本文第四章将介绍该部分关键电路的实现。 2 、光发射模块 包括激光器及其驱动电路。v s r 4 0 1 0 规范采用1 1 2 阵列8 5 0 n m 波长的v s e c l 作为 光源来替代传统的1 0 g b s 的边发射激光器，从而降低系统成本。 3 、光接收模块 由1 1 2 的p i n 光检测阵列和前置放大器、限幅放大器、时钟恢复和数据判决等电路构 成，实现光一电的信号转换。 转换集成电路是该协议的核心部分，包括发送和接收两个功能模块，下面分别介绍。 5 东南大学硕士学位论文 2 1 1 发送方向数据转换芯片功能 发送方向功能框图见图2 2 1 7 j 。首先将输入的1 6 路6 2 2 m b s 数据进行帧同步，并进一步 复接成1 0 个通道的8 0 位1 2 4 m b s 数据或者1 6 0 位6 2 2 m b s 数据。将数据分成1 0 个通道， 并进行按位“异或”生成第1 1 通道保护通道的数据。这1 1 通道的数据送至循环冗余校验 码( c r c ) 生成模块得到第1 2 通道纠错通道的数据，同时前l l 通道的数据送至延时存储 单元等待c r c 运算的结束。当一个周期的c r c 运算结束后，第1 2 通道的数据和前11 通 道的数据一起送出至8 b 1 0 b 编码模块，将8 位的数据转换成1 0 位的码字。并插入帧定界 符，最后经过1 0 ：1 并串转换生成1 2 路1 2 4 4 g b s 的数据输送至光发射模块。 图2 2v s r 4 0 1 发送方向功能框图 下面分述v s r 4 0 1 发送方向数据转换芯片的各子模块功能。 2 1 1 1o c l 9 2 帧数据至1 0 通道映射 输入的1 6 x 6 2 2 m b i t s 数据经过帧定位和字节分接后分配到1 0 个数据通道( 见图2 3 ) 。 o c 一1 9 2 帧的第一个字节必须在通道l 传输，第二个字节必须在第二个通道中传输，依此类推。 通道t 巫 玉亘工二亘蚕 回 通道z 亚 j 亘工至垂口回 广广广 r 1 通道3 l 垒! ：!l 垒! ：! ! i 垒! 望l i丝：!i j m 适 1 0 臣巫丑玉匝工互习回 图2 3o c 1 9 2 帧数据映射到1 0 个数据通道 2 1 1 2 保护通道数据产生 如图2 2 ，通过对1 0 个数据通道相同位置上的数据( 如第一通道的第一位、第二通道的 第一位，依此类推) 进行异或运算得到第1 1 通道一保护通道上的l 比特。在传输过程中，如 果l o 个数据通道中的任何一个且只有一个发生传送错误，在接收端就可以利用保护通道的数 据同其余9 个正确的数据通道数据进行异或得到正确的数据。用户可以选择是否在接收端启 用数据恢复功能，然而在发送端保护通道数据总是被发送。 6 第二章o i f v s r 协议介绍 2 1 1 3 检错通道( e d c ) 和延时存储单元 为了讨论的方便，v s r 4 - 0 1 0 协议中将前1 1 个通道中每一个通道的数据按2 4 字节定义 为一个“虚块”，如图2 4 所示。对前1 1 通道的数据分别做c r c 运算，2 4 字节生成2 字节的 c r c 数据，在检错通道的指定位置传输。检错通道虚块的第一二字节传送第一通道的c r c 数据，第三四字节传送第二通道的c r c 数据，第2 l 和2 2 字节传送第1 l 通道的c r c 数据，而虚块的最后两字节传送检错通道自身的c r c 数据。由于做c r c 运算需要该虚块结 束才能得到数据，为了保证检错通道的数据和其余通道的数据一起传输，前1 1 个通道就必须 进行延时存储，存储延时为2 4 个时钟周期。 0 7 0 707o7 o70707o7 通道l 通道1 0 通道1 1 通道1 2 图2 4 e d c 通道的产生 c r c 的计算按照国际电话电报咨询委员会( c c i t t ) 的c r c l 6 生成多项式： x 1 6 + x 1 2 + x 4 1 ，每个通道单独计算，形成2 字节的c r c 数据。图2 5 说明了c r c 产生方式j 其中c r c 最高位的寄存器被标为c r cb i t l 5 ，在每个虚拟块的开始处，1 6 个c r c 寄存器全 部初始化为l ，c r c 计算就由虚块的第一字节的最低位b i t 0 移入多项式开始，当2 4 字节虚 块数据全部移入后，c r c 结果就被缓冲存储。在实际应用中，由于串行对器件速度要求过高， 一般用并行c r c 代替串行运算。 图2 5c c i t t c r c l 6 计算 同保护通道一样，用户可以选择是否在接收端启用对接收到的数据( 包含纠错通道和检 错通道数据) 做c r c 计算和比较，但是发送端总是发送检错通道数据。 2 1 1 4 8 b 10 b 编码与帧定界符插入 8 b 1 0 b 编码是目前光纤通信中常用的一种编码方法，该编码具有电路简单、有利于时钟 恢复、保证直流平衡等优点，缺点是数据冗余较大。为了保证传输性能，1 2 个通道的数据分 7 东南大学硕士学位论文 别进行8 b 1 0 b 编码。经过8 b 1 0 b 编码后，每j 晟遭的数据燹为1 0 位。 由于并行传输的特性，每个数据通道到达接收端时可能会有不同的传输时延，为在接收 端进行1 2 个通道的帧同步和数据对齐，需要插入帧定界符。在每一帧的起始，每个通道的前 三个字节数据应该用三个8 b 1 0 b 特殊码字覆盖，分别是k 2 8 5 、d 2 1 2 和d 3 。1 ，通道1 - 6 和 通道7 1 2 帧定界符不一样，使接收端可以识别通道顺序，防止光纤接头反接。第一个a l 字 节由k 2 8 5 覆盖，第二个a l 字节由d 3 1 ( 通道1 - 6 ) 或d 2 1 2 ( 通道7 1 2 ) 覆盖，第三个 a 1 字节由k 2 8 。5 覆盖，见图2 6 。吉 曩喜翥薹if!il；iiji：iii：i圈：i!i：!li；ij：l：iii：ii圈 数据通道2 广莅夏i 下1 瓦_ 1 1 函f f l _ 1 。广贯：_ r 1 嚣1 两1 广西瓦i 十石： 。 萋蓁耋耄；f!jlil!：i：!f!ji；iiii：1：i!i圈：i：j!iiii!i!：jii；：!i：!：ii圈 r t 。“r 。1 。o o 。1r 。1 。t 。t 。 。1- 数据通道7 i 鉴! ! ：! i 旦兰! ：! i ! ! ! ：! i 垒! a zll ! 】5 跚zi ! ! ! ：! i 旦! ! ：! l 垦! ! ：! l 垒1 3 zl 鬻趁邕盘芝出| | 划睦吐娄兰型益登刮 数据通道1 2 广西石i t 百万i 1 函f 丁1 _ 弋赢1 。r - 石弑- _ r i 嚣1 1 西r 广西i i - r 司。 0 c - 1 9 2 帧开始 匕= = 哥 0 c - 1 9 2 帧开始 匕= = 哥 图2 6 帧定界符插入 最后，对1 2 通道的数据分别进行并串转换，得到1 2 路1 2 4 4 g b s 的并行数据，经光发 射模块由光纤传送。 2 1 2 接收方向数据转换芯片功能 在接收方向( 见图2 7 ) ，并行光接收模块将1 2 路光纤传送的数据变成1 2 4 4 g b i t s 的电 信号进入转换集成电路的接收部分，转换电路从每个通道的1 2 4 4 g b i t s 数据流中恢复出各自 的时钟并进行1 ：1 0 串并转换。利用在发送端插入的帧定界符对每一个通道进行帧对齐与同步 处理，并对1 2 路并行数据流进行1 0 b 8 b 解码。由于通道间存在一定程度的传输延时差异， 因此必须根据每个通道接收到的帧位置来去除该延时差别( 延时差别容忍度8 0 n s ) 。另外， 接收端电路还必须将插入的帧定界符替换为原来的数据。在数据对齐后数据已经恢复成了 o c 1 9 2 帧数据，如果需要进行错误检查和恢复，就利用第l l 通道和1 2 通道的数据进行检错 纠错。最后，转换集成电路把1 0 个数据通道数据重组为1 6 6 2 2 m b i t s 的并行数据输出，同 时给出参考时钟。 8 第二章o i f v s r 协议介绍 图2 7 接收方向功能框图 在接收端可以给出帧同步和失步的指示信号，除此以外，接收端还要检测1 2 芯带状光纤 是否有交叉( 通过l 一6 通道和7 一1 2 通道不同的帧定界符) 以保证接收端收到的数据字节顺 序正确无误。 2 1 2 1v s r 帧同步 o i f v s r 4 0 1 0 应用协议建议的v s r 帧同步状态机见图2 8 t 4 1 ，失同步算法基于在一个由 4 个码字组成的码块里寻找8 b 1 0 b 禁用码字来进行。如果在一个码块中发现8 b 1 0 b 禁用码 字，这个码块就被称无效码块，否则称为有效码块。每个通道数据传输正确时处于状态a ， 当有连续的无效码块时导致状态机从b 到e 的迁移。在处于状态b 到状态d 的任何一个时， 单个的有效码块导致向状态a 的反向迁移。状态e 为失同步状态，可以开始纠错。在状态e ， 如果搜索到两个合法的帧定界符并且没有任何无效码块，则回到状态a ，接通电源或复位过 后进入状态e 。 同步捕获 失同步上电复位 无效码块无效码块无效码块无效码块 连续2 个有效帧定界符，中间没有无效码块 图2 8v s r 帧同步检测状态机 当接收端不选通道纠错时，如果在一个或多个通道检测到失同步，所有数据通道上的数 据应该用0 覆盖，直到失同步状态被清除。如果选择通道纠错功能，那么单个数据通道的错 误可以褥到恢复，不需要在所有数据通道上传输0 。 9 东南大学硕士学位论文 2 1 2 2 数据检错纠错 利用保护通道和检错通道的数据，可以以虚块为单位对传输数据进行检错和纠错。检错 方法是对每个通道虚块再次做c r c 运算，并将得到的结果与第1 2 通道传输的检错数据进行 对比，从而得知是否有数据传输错误。由于规范的纠错方法的性能所限定( 详见第四章讨论) ， 对于以下几种情况无法进行检错纠错处理： l 、如果虚拟块包含帧定界符( 每6 4 8 个虚拟块有一个) ，纠错不能进行。因为检错通道的前 3 个字节被帧定界符覆盖。 2 、如果多于一个数据通道在相同的虚拟块位置发生错误，纠错就不能进行。 3 、如果对检错通道本身的c r c 校验发现错误，则不能肯定其余通道是c r c 校验是否正确， 不予以纠错。 4 、如果保护通道的数据发生错误，则无法进行纠错。 在检错模块中发现错误并判定该错误可以恢复后，可以通过保护通道从一个单独的出错 数据通道恢复数据，恢复流程如下： ( 1 ) 在一个数据通道检测到失同步后触发保护。 ( 2 ) 如果是单个数据通道的错误，这个通道的数据在接收端通过保护通道和9 个正确数据通 道的数据通过“异或”运算来恢复。 ( 3 ) 恢复后的数据在帧定界符位置自动插入a 1 字节。 通过检错和纠错，可以大幅提高系统对光纤偶然干扰的承受能力，保证系统的稳定性。 2 2v s r 4 0 2 0 规范嗍 v s r 4 0 2 采用串行光接口，传输距离达6 0 0 m ，光器件采用波长为1 3 1 0 n m 的f p 激光器， 传输采用单模光纤。v s r 4 2 接口功能框图及应用参考模型见图2 9 【5 】o 单芯单模光纤 图2 9v s r 4 2 接口功能框图及应用参考模型 在发送端，由s f i 4 接口收到的1 6 路6 2 2 0 8 0 m b i t s 的o c 一1 9 2 帧数据通过1 6 ：1 并串转 化为1 路1 0 g b s 的串行信号，该信号直接调制f p 激光器。接收端采用普通的p i n 光电探测 器，将单路的1 0 g b s 数据串并转换为1 6 路6 2 2 0 8 0 m b i t s 的数据，并从数据中恢复出时钟。 2 3v s r 4 0 3 0 规范【9 】 同v s r 4 - 0 1 0 规范一样，v s r 4 - 0 3 0 采用并行光传输技术，所不同的是v s r 4 0 3 只采用 一根1 2 芯带状光纤就可实现全双工连接。1 2 根光纤中收发方向各使用4 根光纤，每纤传输 数据速率2 4 8 8 g b i t s ，中间4 根光纤不用。v s r 4 0 3 接口在采用5 0 0 m h z k m5 0l am 多模光 纤时，传输距离达3 0 0 m ，其光纤带宽要求比v s r 4 0 1 为高( v s r 4 - 0 1 接口采用4 0 0 m h z k m l o 第二章o i f v s r 协议介绍 6 2 5i im 多模光纤) 。相比于v s r 4 0 1 0 协议，v s r 4 - 0 3 0 的最大优点是采用单根1 2 芯带状 光纤，节省了布线开销，并且其v c s e l 和光探测器阵列可以封装成单块光收发器，减小光 模块体积。v s r 4 0 3 接口功能框图及应用参考模型见图2 1 0 5 1 。 1 6 6 2 2 j0 8 0 m b s4 x 2 4 8 蕊, b s4 2 4 8 8 g b s1 6 6 2 2 0 8 0 如s l r - - - _ - - _ - 一1 一一- o t - - p ，习： 图2 1 0v s r 4 3 接口功能框图及应用参考模型 由于是并行数据传输，因此在发送和接收端也需要数据转换芯片，该芯片在发送端将1 6 路的o c - 1 9 2 帧数据映射到4 个数据通道，映射时每帧的第一、二个字节在第一通道传输， 第三、四个字节在第二个通道传输，依次类推。将o c 1 9 2 帧拆分成4 个并行传输的帧结构， 其中每个通道的帧再生段类似o c - 4 8 帧结构，用于在接收端进行帧同步和通道对齐。通道拆 分后的数据进行并串转换成为2 4 8 8 g b i v s 的串行数据输出至发射模块。 在接收端，光接收模块通过光电转换得到每路2 4 8 8 g b i v s 的串行数据以及时钟信号，转 换芯片将每个通道的数据进行串并转换，进行字节对齐，并采用a 1 a 2 进行通道帧同步。 由于并行传输的特点，通道之间会有延时的差别，造成并行的数据不对齐，因此在通 道帧同步之后还要对通道间延时进行调整，并检测各通道帧同步情况。最后，转换芯片输出 1 6 路对齐的o c 1 9 2 帧数据。 由于没有检错和纠错通道，v s r 4 0 3 数据转换芯片的功能较v s r 4 0 1 简单，但是数据通 道的传送速率增加了一倍，其电路实现的主要考虑因素是高速数据的处理性能。 2 4v s r 4 0 4 0 规范【1 0 】 v s r 4 0 4 0 也是一个串行传输规范，该接口在一对多模光纤上实现1 0 g b i v s 全双工连接， 当采用4 0 0 m h z k m6 2 5i li n 多模光纤时，传输距离仅为2 5 m ：当采用5 0 0 m h z k m5 0i l1 1 1 多 模光纤时，传输距离为8 5 m ；当采用2 0 0 0 m h z k m5 0um 多模光纤时，传输距离达3 0 0 m ， v s r 4 - 0 4 接口功能框图及应用参考模型见图2 11 副。 1 6 x 6 2 2 。0 8 0 岫s 1 ；【i 芦 。 i s f i - 4 接p ： | 1 6 ：l ri 并串转换 - - l j 1 ：1 6 t j 串并转换 il 1 _ - 一_ _ 一 单芯多横光纤 1 0 g b a 1 6 x 6 2 2 0 8 0 1 而s 鬲! l 厂 1 7 i 串并转换 it - 制并i 串6 转：1 换 i l - i 。 - s f i 4 接口 图2 1 1v s r 4 4 接口功能框图及应用参考模型 和v s r 4 0 2 0 不同，v s r 4 - 0 4 0 的光源采用中心波长为8 5 0 n m 的v s c e l 激光器，发射 功率为4 1 3 d b m ，并且传输媒质为多模光纤。该协议同i e e e8 0 2 3 a e 万兆以太网协议的串 行光接口类似。 东南大学硕士学位论文 2 5v s r 4 0 5 0 规范【1 1 】 v s r 4 0 5 0 协议是v s r 4 0 2 0 的扩展，它在v s r 4 0 2 0 的基础上提高了f p 激光器的发射 功率，使得光纤传输链路上具有比较大的光功率余量。v s r 4 0 5 0 接口功能框图及应用参考 模型见图2 1 2 4 。 i 荛翳l i j o c 1 鸵 带 1 6 ：1 协 司i ：广7 1 并串转换 i 1 ：1 6 戚饭薯 卜 ； ： 串并转换 奠剿、弋! _ l t 1 0 g b 。 1 6x 6 2 2 0 8 0 晒8 图2 1 2v s r 4 0 5 接口功能框图及应用参考模型 2 6v s r 5 0 1 0 规范【1 2 】 在o c 7 6 8 速率等级上o i f 制定了v s r 5 0 1 0 接口应用协议。该协议分为3 部分：第一 部分为1 2 路并行光传输方案；第二部分为4 路单模光纤传输的c w d m 方案；第三部分为 4 0 g b s 的单路串行方案。三种方案分别面向不同的应用场合，其目的均为降低网络复杂性和 成本，同时提供最大的兼容性，保证各设备厂商之间的产品能够互联互通。 图2 1 3 显示了v s r 5 的系统构成。v s r 5 和物理层设备的电气接口为o i f 的s f i 5 协议， 该协议面向4 0 g b b 的物理层和串并转换接口的连接。图中的前向纠错处理器( f e c ) 为可选 设备。 v s ri 连接层设备 ：卜 物理层 圳帛 _ f e c 串并并串 ：n 。 转换设备 i 7 设备 和 ! n 或 r ： l 时分复用 光接口交换接口 i i 一j 图2 1 3v s r 5 与其他设备的连接 由于篇幅所限，本文仅对1 2 路并行光传输方案进行介绍，该方案也是本文中v s r 5 0 1 数据转换芯片的研究目标。以下的讨论中v s r 5 0 1 均指该方案。 图2 1 4 显示了1 2 路的v s r 5 0 1 并行光传输方案，图中可以看出，1 2 路并行传输的v s r 5 接口与v s r 4 0 1 接口结构非常相似。也是由数据转换芯片、并行光发射模块、并行光接收模 块构成。所不同的是v s r 5 0 1 面向的是4 0 g b s 的连接，其工作速度是v s r 4 0 1 的4 倍。 在发送端，通过s f i 5 电接口，o c - 7 6 8 成帧器将1 6 路2 4 8 8 g b s 数据送至发送方向数据 转换芯片。在芯片内部进行s f i 5 时钟与数据恢复、数据对齐调整、o c - 7 6 8 帧对齐与同步、 通道拆分以及b i p 8 生成，最后并串转换成1 2 路3 3 1 8 g b s 数据送给并行光发射模块。 1 2 第二章o i f v s r 协议介绍 1 8 x z i 眦 , - 5 -；r s r 5 萤口 一旦牲1 _ 一_ 一_ 1i 广1 甭7 1 粼 而而1 2 x 哥3 3 1 8 g 三b si 1 1 6 x 2 ；4 髓g 卜b 厂a 一 图2 1 4v s r 5 0 1 接口功能框图及应用参考模型 在接收端，数据转换芯片接收来自光接收模块的1 2 路3 3 1 8 0 b s 数据，并进行时钟数据 恢复和串并转换，对每一通道都进行v s r 5 帧对齐与同步，并检测每个通道的b i p 一8 是否有 错误。当所有通道都已经处在同步状态，转换芯片调整各通道间传输延时，并检测是否存在 光纤反转。最后，将o c 7 6 8 帧数据通过s f i 5 接口传送给物理层设备。 在转换芯片内部还包括了一个自测模块，可以生成包含伪随机码( p r b s ) 的帧数据，支 持内部自环回测试和光纤环回测试模式。 2 6 1 发送方向数据转换芯片功能 发送方向数据转换芯片功能见图2 1 5 ，同v s r 4 - 0 1 发送方向的数据转换芯片的功能类似， 它的主要作用就是把1 6 路的高速信号经过处理后映射到1 2 个数据传输通道，并使每个通道 的数据保持一定的帧结构形式。 t x d c 1 6 2 4 8 8 t x d 1 7 通道 数据 和 时钟 恢复 s f i 巧 数据 比特 缓冲 对齐 字节 对准 与 帧同步 b i p 书 生成 p r b s e 发生器 1 2 通道 数据 映射 数据 选择 圆 1 2 路 并串 转换 与发送 2 b 3 1 8 g b s 图2 1 5v s r 5 0 1 发送方向数据转换芯片功能 2 6 1 1s f i 5 数据恢复和比特对齐 转换芯片从t x d a t a i5 ：0 】和t x d s c 中独立地恢复出各自的数据和时钟。具体的要求在 s f i 5 【l l 】中有详细描述。尽管s f i 5 协议要求数据接收端设备工作速率要从2 4 8 8 g b s 至1 2 7 7 2 5 g b s ，但是v s r 5 0 1 规范只要求工作在2 4 8 8 g b s 这一速率等级( 更高的工作速率是为长途传输 的前向纠错而设置，在短距离的v s r 传输中，可以不予考虑) 。1 6 路输入数据间的最大延时差 别由s f i 5 协议规定，最慢通道和最快通道之间的差别不能大于协议中规定的u i 值。s f i 一5 的比 特对齐由t x d s c 数据通道来协助完成。t x d s c 是一个参考数据通道，包括了对1 6 路数据信号 的时分采样，并以帧的形式传送。具体的帧结构在s f i 。5 协议中有详细描述。比特对齐需要缓 1 3 东南大学硕士学位论文 冲存储单元和相应的控制结构，通过t x d s c 通道的采样数据和相应的数据通道进行比较得到 各个通道的延时量，从而控制各个通道的缓冲器延时不同的周期，使数据按比特对齐。当所 有的数据通道不能达到全部对齐的时候，信号t x o o a 给出指示，当数据重新对齐后，该信号 复位。在传输过程中，比特对齐的状态被持续观测，并将错误数在i r b 中累计。 2 6 1 2 字节对齐与帧同步 字节对齐和帧同步利用o c 7 6 8 帧中的a 1 、a 2 字节来实现。字节对齐利用在输入数据 中查找一系列的a 1 来完成，而帧对齐则利用查找a 1 和a 2 的交界处来实现。协议中推荐使 用多个a 1 、a 2 完成查找，降低误对齐概率。数据从s f i 5 电接口输入时，1 6 位的数据一般 是没有按字节对准的，因此，在s d h 帧的字节和s f i - 5 的信道位置之间没有确定的关系。 在帧同步过程中，使用帧信号作为输入的状态机来给出帧同步的状态控制。当正确的得 到一系列的帧信号后系统进入同步状态，规范中建议l o s 状态机遵循i t u tg 7 8 3 f 1 3 j 的建议， 图2 1 6 为规范中给出的参考状态机设计： 在延时门限内 检测到所有通道 帧信号 在延时门限内 检测到所有通道 帧信号 在通道问延时 时间门限内没有检测到 全部通道帧信号 图2 1 6l o s 状态机参考设计 规范中使用一个t x l o f 状态机来指示一系列的严重帧错误( s e f ) 。当在指定的时间内 出现一系列的帧指示错误，则系统进入s e f 状态，同时给出t x l o f 信号指示；而当系统探 测到在指定的时间内均为正确的帧指示，则