（电路与系统专业论文）40gbs甚短距离光传输系统的硬件实现及测试技术的研究.pdf

摘要 摘要 甚短距离光传输技术s r ，v e r ys h o r tr e h ) 针对机房内短距离低成本设备互联的需要，基于低 成本的垂直腔面发射激光器，采用并行光传输，降低了端口的传输速率，具有很高的性价比。其中 v s r - 5 是针对o c 7 6 84 0 g b p s 的甚短距离光互联规范，o i f v s r s - 01 0 中有三种解决方案。本文采 用其中的1 2 路并行传输解决方案，其中的一个主要模块是1 6 ：1 2 转换器，实现s f i 5 接口到v s r 5 接口之间的转换。 本文研究了4 0 g b p s 甚短距离光互联中s f i 5 接口的f p g a 实现和测试技术。首先分析了a l t e r a g xf p g a 的高速f o 口g x b 和2 g x b 的工作特性。根据高速收发器和高速差分接口时钟管理单元 功能复杂的特点，本文采取了一系列管脚和时序约束措旖，保证了收发器的稳定工作。接着给出了 1 6 ：1 2 转换器中与s f i - 5 接口相关的模块包括帧同步、去斜移、1 6 ：1 2 映射等模块的r t l 级设计。 在此基础上设计实现了s f i - 5 接口的验证板。根据高速收发器含有多达五种电源和其时钟管理 单元对时钟驱动和时钟相位的高要求，在原理图设计时充分考虑了电源的完整性和时钟网络的可靠 性，保证了后续测试工作的顺利进行。在进行s f i 5 接口的1 7 路2 5 g b p s 接口的p c b 布局和布线时， 也充分考虑了信号完整性问题，并采用基于i b i s 模型的信号完整性仿真工具h y p e r | y n x ，对特定条 件下的信号传输和串扰进行了仿真。最后，在搭建的s f i 5 接口的测试平台上，进行了帧同步、去 斜移、1 6 ：1 2 映射等模块的测试，结果表明设计满足要求。 本论文得到国家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”( 编号：2 0 0 6 a a 0 1 2 2 3 9 ) 的支持。 关键词：v s r ，高速收发器，s f i 5 ，去斜移，信号完整性 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n gt e c h n o l o g yo f4 0 g b p sv s r ( v e r y s h o r tr e a c h ) t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d t os a t i s f yt h ed e m a n do fi n t r a - o f f i c ei n t e r c o n n e c t i o n w i t hl o wc o s t , t h et e c h n o l o g yo fv e r ys h o r tr e a c h ( v s r ) p a r a l l e lo p t i c a lt r a n s m i s s i o nc o m e s i n t ob e i n g a c c o r d i n gt oo i f - v s r 5 - 0 1 0 ，i tp u t sf o r w a r d st h r e et e c h n o l o g yr e s o l u t i o n s ， a m o n gw h i c ht h e1 2 - e h a r m e lp a r a l l e lt r a n s m i s s i o nr e s o l u t i o n i su t i l i z e di no u rp r o j e c t i t c o n s i s t so ft w op a r t s ：12 - c h a n n e lp a r a l l e lo p t i c a lt r a n s c e i v e r sa n da12 ：16 16 ：12c o n v e r t e r t h ep r o j e c t sc a nb ed i v i d e di n t ot w os t e p s ：i nt h ef i r s ts t e p ，av e r i f i c a t i o nb o a r dt ov e r i f yt h e s f i - 5i n t e r f a c eh a sb e e ni m p l e m e n t e du s i n gt w oc h i p so f a l t e r as t r a t i xg x f p g a ；t h es e c o n d s t e pi sa d o p t i n ga n o t h e rt w os t r a t i xi ig x f p g af r o ma l t e r ac o r p o r a t i o nt ob u i l dt h eu l t i m a t e p l a t f o r mo f v s r - 5e x p e r i m e n t a ls y s t e m t h i sa r t i c l es t u d i e so ni t sf p g ai m p l e m e n t a t i o no fv s r - 5s y s t e m t h ed e s i g nd e t a i l s a n dk e yp o i n to f u s i n gh i g hs p e e dt r a n s c e i v e r t or e a l i z et h eh i g hs p e e di n t e r f a c ea r ed i s c u s s e d d u et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r eo ft r a n s c e i v e ra n dh s d i ( h i g hs p e e dd i f f e r e n t i a li n t e r f a c e ) ，a s w e l la st h ec o m p l e xf u n c t i o no fc m u ( c l o c km a n a g e m e n tu n i 0 ，as e r i e so ft i m i n ga n dp i n c o n s t r a i n ts h o u l db es e t a d d i t i o n a l ，t h es y n c h r o n i z a t i o no fs o m es p e c i f i cc l o c k sw i t ht h e c o r r e s p o n d i n gd a t as t r e a m sn e e dt a k ei n t oc o n s i d e r a t i o n m o r e o v e r , t h er t l - l e v e ld e s i g no f t h es u b - m o d u l es u c ha sw o r da l i g nc i r c u i t , t h ed e s k e wc i r c u i ta n d16 ：1 2m a p p i n gm o d u l ei s d e v i s e d t h eh a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h ev e r i f y i n gb o a r do fs f i 一5i n t e r f a c ei sf o c u s e do n t h e h i g hs p e e dt r a n s c e i v e rc o n t a i n sf i v ed i f f e r e n te x t r ap o w e r s ，a n dt h ec m uh a sd i f f e r e n t d e m o n d st ot h ed i f f e r e n tc l o c kd r i v i n g sa n dc l o c kp h a s e ，s oi nt h es c h e m a t i cb o a r dd e s i g n , w e s h o u l dc a r e f u l l yc o n s i d e ri n t ot h ei n t e g r i t yo fp o w e ra n dt h er e l i a b i l i t yo fc l o c kn e t w o r k s f i - 5i n t e r f a c ec o n t a i n1 7c h a n n e l sw i t ht h es p e e do fp e rc h a n n e l2 5 g b p s , 5 0t h el a y o u t a r r a n g e m e n ta n dt h er o u t i n gs h o u l db et a k e ns e r i o u s l ya n dm a d eag o o dc u t o f f t oi n s u r et h e s i g n a li n t e r g r i t y ，t h i sp a p e rg i v e st h es i g n a li n t e r g r i t ys i m u l a t i o ni nh y p e r l y n xb a s e do nt h e i b i sm o d e l o nt h e s eb a s i s e s ，as f i - 5i n t e r f a c et e s t i n gp l a t f o r mi sb u i l t t e s t i n gr e s u l t so n w o r da l i g nc i r c u i t , d e s k e wc i r c u i l16 ：1 2m a p p i n gm o d u l ea r eg i v i n g n eb e r ( b i te r r o rr a t e ) v e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so f t h es y s t e m k e y w o r d ：v s r ；h i g hs p e e dt r a n s c e i v e r ；s f i 5 ：d e s k e w ；s i g n a li n t e g r i t y n l 插图 插图 图1 1 典型的汇接体体系结构2 图2 _ l1 2 路并行解决方案系统框图。5 图2 24 通道c w d m 解决方案系统框图6 图2 3 串行传输解决方案系统框图6 图2 - 41 2 ：1 6 转换器子模块功能图7 图2 - 5 去斜移帧结构功能。7 图2 - 6 去斜移模块结构图8 图3 - 1 完整的f p g a 设计流程。9 图3 。2s f i 5 验证板结构图1 2 图3 3v s r 5 实验系统结构图1 2 图3 - 4 高速收发器结构图1 4 图3 52 g x b 配置图1 6 图3 - 62 g x b 发送器时序仿真图16 图3 7l v d s 发送器配置图1 7 图3 8l v d s 发送器时序仿真图1 7 图3 - 91 6 ：1 2 转换电路框图。1 8 图3 1 0 帧同步框图1 9 图3 1 l 帧同步状态机1 9 图3 1 2 字节边界对齐模块。1 9 图3 1 3 帧同步仿真结果1 9 图3 1 4 去斜移实现框图2 0 图3 1 5 字节边界对齐2 0 图3 1 6 映射方式2 l 图3 1 7 映射模块2 l 图3 1 3 映射模块仿真结果2 1 图3 1 9v s r - 5 接口帧格式2 2 图4 1s f i 5 验证板布局2 3 图4 2 管脚分配图2 4 图4 3 管脚约束脚本2 5 图4 - 4 时序约束脚本2 6 图4 5 时钟网络2 7 图4 - 6 配置原理图3 0 图4 _ 7e x c e l b a s e d 功耗分析报告31 图4 8 晶振原理图3 1 图4 9 高速差分接口走线图3 2 图4 - 1 0 高速线换层时地孔的放置3 3 图4 1 l 电容放置图3 4 图4 - 1 2s f i 5 验证板板图3 4 图4 - 1 3s f i 5 验证板3 5 图4 - 1 4i b i s 接口仿真环境。3 6 图4 - 1 5i b i s 接口接口v i 表3 7 图4 1 6 信号传输仿真图( - - ) 3 8 图4 - 17 信号传输仿真图( - - ) 3 8 v 东南大学硕士学位论文 图4 1 8 串扰仿真模型图3 8 图4 - 1 9 串扰仿真结果3 9 图5 - i 自环回低速测试4 2 图5 2 外部数据源低速测试4 2 图5 3 误码率测试4 2 图5 - 4 误码仪发送模块4 3 图5 5 测试数据源4 3 图5 - 6 帧同步状态机测试结果4 4 图5 7 帧同步测试结果4 4 图5 ，8 去斜移测试结果4 5 图5 - 94 ：3 映射模块输入。4 5 图5 1 04 ：3 映射输出测试结果4 5 图5 “误码率测试结果4 5 i l 表格 表格 表3 1s t r a t i xg x 和s t r a t i xi i g x 高速收发器的不同之处1 3 表3 2a l t 2 g x b 的时钟管脚。1 4 表3 3 状态机状态状态编码- l8 表4 1 主要芯片列表2 3 表4 2s t r a t i xg x 电源。2 7 表4 3s t r a t i xg x 电源分割2 8 i x 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： 盆建日期：兰! ! 星：生：f ! 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：i 金建导师签名： 日期：业丑缕 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了课题背景及意义，接着介绍了甚短距离光传输技术s r ) 的主要特点、应用范围、 研究现状和发展趋势，最后给出作者在攻读硕士学位期间研究工作的内容和论文的结构安排。 1 1 课题背景及意义 2 0 世纪8 0 年代以来，光纤通信技术迅猛发展，从早期的准同步数字体系( p d h ) ，到如今的同步 数字体系( s d h ) 、密集波分复用系统( d w d m ) ，传输速率已达到每秒太比特量级。同时，大量的网 络设备如核心路由器、a r m 设备、光交叉连接设备( o x c ) 以及密集波分复用( d w d m ) 设备等被配置 在运营商的同一座通信大楼中。与长距离的传输要求不同，这种短距离的传输由于传输距离较短( 一 般小于6 0 0 m ) ，可以不必考虑复杂的光纤线路设计，如色散和非线性等问题，对光源的要求也相应 降低。此时再采用长距离串行光光传输设备显然代价太高。而采用并行传送的方式，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。 甚短距离光传输( v s r , v e r ys h o r tr e a c h ) 技术【1 】正是在这种背景下产生的。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 to c 1 9 2 ( 或s d hs t m 6 4 ，传输速率1 0 g b p s ) 和o c 7 6 8 ( 或s t m 2 5 6 ， 传输速率4 0 g b p s ) 这两个速率等级上制定了系列v s r 接口应用建议，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。其 中v s r - 5 0 是针对在o c 7 6 8 ( 4 0 g b p s ) 数率等级上，传输距离在6 0 0 米以内的接1 2 1 应用建议，并与s f i 5 接口相兼容v s r 技术实现最经济的短距离传输成本的关键技术便是垂直腔面发射激光4 器r ( v c s e l ， v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gi a s e 0 国际电信联盟i t u - i 也于2 0 0 1 年底制定了v s r 标准：g 6 9 3 ( o p t i c a li n t e r f a c ef o ri n t r a - o f f i c e s y s t e m s ，又叫做g v s r ) 。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 8 0 2 3 工作组制定的i e e e s 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 9 0 2 3 a e 万兆以太网标准中，把万兆以太网连接单元接( x a u i , 1 0g i g a b i ta t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e ) 采用4 x 3 1 2 5 g b p s 并行甚短距离并行光传输系统实现x a u i 传输 功能；当采用r a p i d i o 高速率接口时，可以用一个或者甚短距离光传输通道建立一个或多个高速串 行通路( 目前定义了l 和4 ) ，来建立双工点对点链接，以1 2 5 g b p s 、2 5 0 g b p s 或者3 1 2 5 g b p s 信号 速率传输业界标准编码数据，峰值带宽达到2 0 g b p s 。 v s r 技术实现最经济的短距离传输成本的关键便是垂直腔面发射激光器( v c s e l ，v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) v c s e l 相对于传统的边发射激光器来讲，最大的优势在于成本。g s a s 基的v c s e l 研究和制造已经很成熟，价格非常便宜，它采用8 5 0 n m 的垂直前面发射激光器作为光 源。 1 2v s r 的应用范围 由于短波长v c s e l 的成熟，v c s e l 阵列激光器光源的价格非常低，在系统设备内部，例如计算机 主板就可以采用光互联，实现高速信号的传送，其作用的距离不过几十厘米。而另一方面，m 卜t 的g 6 9 3 标准则把甚短距离光传输的长度扩大到2 k i n 。一般的甚短距离光传输长度在3 0 0 m 左右， 东南大学硕士学位论文 这个距离正是局域网的作用范围。 对于电信网纠引，其体系大致分为局域i 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 n e t w o r k ) 和广域i 网( w a n ，w i d ea r e a n 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的中 心，也就是( p o p ，p o i n to fp r e s e n c e ) 。不同的汇接电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 nm 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 链路在网络体系中的应用以及相关设备如图1 1 所示。从网络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 功率分配进行了详细的规范。在数据链路层上，由于设计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，加入适当的检错、纠错信息，如c r c 校验等。 图1 i 典型的汇接体体系结构 1 3v s r 技术的研究现状和发展趋势 v s r 技术是随着人们对信息量需求的增加而出现的，特别是l o g b p s 光传输的网络边缘化，促 使v s r 技术迅速发展。从c i s e o 公司2 0 0 0 底发布的第一个产品起，在不过三年的时间里，v s r 技 术已经成为现在通信领域的一个热门技术。由于这一技术主要面向实际市场应用，因此在国际标准 公布的同时，相关产品很快推出。其光收发模块具有低功耗、小封装等特点。例如，廉价的l o g b p s 并行v c s e l 光收发模块迅速推向市场。e m c o r e 公司2 0 0 2 年的v s r t r a n s p o n d e r 产品 m t r 8 5 0 0 9 5 0 0 ，符合o i l 7 v s r 4 - 1 0 ，体积只有5 6 m m x 8 2 m m x1 3 5 m m 。c o r e o p t i c2 0 0 2 年的 v s r 2 0 0 0 3 r 2 3 5 产品，符合r r u t 的v s r 2 0 0 0 标准，速率为4 0 g b p s ，串行传输。i n f i n e o n 和a g i l e n t 公司已经推出1 2 x 2 5 g b p s 、1 2 x 3 1 2 5 g b p s 、1 2 x 3 3 g b p sv c s e l 光发射模块和并行接收模块。目前 i b m 公司和法国i n t e x s 公司都宣布已研制出1 2 x l o g b p sv c s e l 光发射模块和并行接收模块。v i t e s 鹳 公司已推出1 6 x 6 2 2 0 8 m b p s 1 2 x 1 2 4 4 g b p sv s r 4 0 1 0 并行转换芯片，目前在研究v s r 5 0 1 0 1 6 x 2 4 8 8 g b p s - 1 2 x 3 318 g b p s 并行转换芯片。 2 第1 章绪论 1 4 本文主要研究内容和结构安排 本课题的研究背景是国家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”。v s r - 5 是面 向4 0 0 b p s 甚短距离光传输应用而制定的接口规范。制定v s r - 5 的目的是使该规范能降低网络复杂 性及运营成本，能以最少的技术解决方案满足大多数的应用需求。在v s r 中总共建议了3 个技术解 决方案，本次项目采用的是其中的1 2 路并行传输解决方案。v s r - 5 主要由转换器集成电路、光发射 器模块和光接收器模块三部分组成。电接口采用的是传输s d h s o n e t 帧格式数据的s f i 5 串并转 换成帧器接n ( s f i ，s e r d e sf r a m e ri n t e r f a c e ) p l 。对于v s r 技术的核心部分转换器子系统的设计与 实现，使用现场可编程阵列( f p o a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 来完成转换器电路的设计和功能 实现。项目分为两个阶段：在项目阶段一，采用a l t e r a 公司s t r a t i xg xf p g a 开发一个s f i - 5 接口的 验证板，用以验证去斜移功能、测试s f i - 5 接口功能的正确性；在阶段二，采用a l t e r a 公司s t r a t i xi ig x f p g a 完成最终v s r - 5 甚短距离光互联系统的搭建。采用自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，用 v e r i l o g h d l 硬件描述语言编写帧复用器、保护和检错通道生成、帧同步和定位、通道去斜移、纠 检错、串并和并串转换等各个功能模块的代码，使用a l t e r a 公司的q u a r t u s i ie d a 开发工具实现面 向f p g a 的逻辑综合和优化、功能仿真、布局布线和时序分析，采用q u a r t u si i 自带的逻辑分析仪 s i g n a l t a pi i 和误码仪a g i l e n t8 1 2 5 0 完成系统功能的测试。 本文的结构安排如下 第二章介绍v s r - 5 系统的3 种解决方案，并对本项目采用的解决方案做重点介绍，阐述去斜移 算法。 第三章介绍v s r - 5 的f p g a 实现，重点分析了基于g x b 和2 g x b 的高速收发接口的设计，同 时给出了相应模块的r t l 级设计。 第四章介绍了s f i 5 验证板的原理图和p c b 设计。 第五章给出了s f i 5 接口的测试结果。 第六章对全文进行总结，指出了有待进一步研究的工作和建议。 最后是致谢和作者攻读硕士学位期间发表的论文。 3 第2 章v s r - 5 系统详述 第2 章v s r - 5 系统简介 2 1v s r - 5 系统解决方案 v s r - 5 是针对o c 7 6 84 0 g b p s 的甚短距离光互联方案。甚短距离机房内互联的设备通常为下面三 种之一： 路由器 密集波分复用器终端 s d h s o n e t 分插复用器( a d m ，a d d d r o pm u l t i p l e x e r s ) 和数字交叉连接设备( d x c ， d i g i t a lc r o s s c o n n e c t ) 根据o i f v s r 5 0 1 0 ，它提出了三种解决方案【1 1 。方案一采用1 2 路并行光模块的解决方案；方案 二采用j 4 x 1 0 g b p s 的粗波分复用( c w d m ) 解决方案；方案三采用串行传输解决方案。 2 1 11 2 路并行光模块解决方案 采用1 2 路8 5 0 n m 垂直腔表面发射激光器，并以3 3 1 8 g b p s 的速率在光纤链路中传播。如果使 用标准的5 0 1 2 5m 、带宽为4 0 0 或者5 0 0 m h z k m 的多模光纤，其链路长度可达1 0 0 m 。如果使用 5 0 1 2 5m 、带宽为2 0 0 0m h z k m 的高带宽多模光纤，其链路长度最长可达3 0 0 m 。 一个典型的v s r 5 接口框图如图2 - 1 所示。它由两个部分组成：转换器和1 2 路8 5 0 n m 并行v c s e l 光收发模块。转换器实现s f i - 5 到v s r 5 接口之间的转换。s f i 5 接口的速率为1 6 x 2 4 8 8 g b p s 。由于 不同的走线长度和高速s e r d e s 中内嵌f i f o 的原因，会导致1 6 路并行数据之间的斜移，额外的第1 7 路去斜移通道用于将1 6 路并行数据对齐。v c s e l 光模块则将光信号转换成电信号，单通道速率为 3 3 1 8 g b p s s f l 5v s l 0 5 1 6 x 2 4 8 8 g b s 1 2 x 3 3 1 8 g b s 图2 11 2 路并行解决方案系统框图 2 1 24 通道c w d m 解决方案 4 通道c w d m 解决方案采用4 通道1 3 0 0 n m 激光器，基于6 4 b 6 6 b 编码。当不采用前向纠错( f e c ) 时单路传输速率为1 0 2 6 4 g b p s ，当采用g 7 0 9 f e c 时，单路速率为l1 0 9 g b p s 。采用双向单模光纤， 其链路长度可达2 0 0 0 米。 图2 - 2 是c w d m 解决方案框图。接口组建仍然由一个转换器集成电路( i c ) 模块、光发射器和光 接收器模块组成。在数据放送方向上，通过s f i - 5 电接口，转换器i c 接收由一个s t m 2 5 6 外部成帧 器( 无前向纠错) 或者g 7 0 9 f e c 处理器通过位宽1 6 位的数据总线传来的电信号，时钟频率为 2 4 8 8 g i - i z 2 7 7 2 5 g h z 。转换器l c 将1 6 位的并行信号映射入4 路传输速率为l o 2 6 轧1 1 0 9 g b p s 的并 5 东南大学硕士学位论文 行数据放送信道中，驱动4 个激光器。从激光器发出的光经一个光波分复用器耦合到一根普通的单 模光纤中。 r xi d s c 卜4 路并行光扒 !卜 4 ：1 6 转换器 磐蚪描“1 及别俣吠f 9 o c 一7 6 8 帧 yo c 7 6 8 与并行光 4 x1 0 g b s 1 模块之间的映射 ： 1 4 路并行光 儿 接收模块 犷 1 6 2 4 8 8 g b s 图2 24 通道c w d m 解决方案系统框图 2 1 3 串行传输解决方案 串行传输解决方案可以应用于上述任何一种场合。这种方案可以传输s d h s o n e t 数据格式和 g 7 0 9 数字打包器( d i g i t a lw r a p p e r ) 帧格式的信号，具有更广的应用领域。 系统的光纤链路功率预算以i t u tg 6 9 3 为参考。该方案采用1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 h m 的光源。设计 系统的光学参数时应以链路的最大光功率损耗为4 d b 或者1 2 d b 两种情况考虑。按4 d b 光功率损耗 预算设计的链路其最大长度可达2 k m ，并且不需要广电交叉连接设备。按1 2 d b 光功率损耗预算设 计的链路中可以有一个光电交叉连接设备。 系统如图所示，是全双工的，在光纤对的两端各有一个t r a n s p o n d e r 。如图2 3 所示，通过s f i 5 电接口，t r a n s p o n d e r 接收和发送s t m 2 5 6 g 7 0 9 帧格式德信号。t r a n s p o n d e r 中的转换器i c 接收由 一个s t m 2 5 6 外部成帧器( 无前向纠错) 或g 7 0 9 f e c 处理器通过位宽1 6 位的数据总线传来的电信号， 时钟频率为2 4 8 8 2 7 7 2 5 g h z 。转换器i c 将1 6 位并行信号转换成3 9 8 1 3 , - - 4 3 0 1 8 g b p s 的串行信号并 驱动激光器。 s f i 5 姒p s o 。 l f p 激光器 。 o c 7 6 8 帧 i1 ：1 6 转换器 ： 4 l o g b s j 1 i 光接收器 1 l 一一i 1 6 2 4 8 8 g b s 图2 3 串行传输解决方案系统框图 2 2v s m 5 系统实现 在本次项目采用的是方案一，即1 2 路并行传输解决方案。最主要的是完成1 6 ：1 2 转换器模块的 设计。分收发两个子模块。 转换器的实现结构如图4 所示。从s f i 5 接口侧接收到1 6 路2 4 8 8 g b p s 的数据以及r xd s c 的 数据后，首先实现r xd s c 的帧同步，然后根据r xd s c 的信息，去除1 6 路数据信号之间的斜移 量，再通过比特问差，实现帧映射功能，将对齐的数据转换成1 6 个o c 一4 8 帧格式，同时进行帧同 6 第2 章v s r - 5 系统详述 步。一旦确认了1 6 路o c 4 8 帧已成功对齐后，再通过4 个4 ：3 的映射模块，采用字节问插的方式， 就可以组成1 2 路的o c 6 4 帧，从而完成s f i 5 向v s r - 5 接口的转换。在收端，需要进行相似的逆 变换：去斜移、1 2 ：1 6 逆映射、向s f i 5 接口的映射。只不过1 2 路通道的对齐方式有所不同：它是 采用搜索1 2 路帧的帧定位字节，再通过各个通道帧定位字节的延迟关系将1 2 路信号对齐。 d s c 1 6 , 6 r 1 6 x o c - 4 8 l16划12xoc-64nsfi 劬时- s n 1 笋4 j1 8 0 映x o 射c l映射l l 帅吠利 刽1 搽2 x o c i 图2 4 转换器实现框图 1 2 1 2 2 3 去斜移算法 如上节所述，该系统在收发两端需要相应的去斜移算法以完成并行通道的对齐【3 】。其中在发端 引入额外的参考通道用以将1 6 路并行数据对齐，该算法具有一定的复杂度，也是本次项目的难点， 下面将对该去斜移算法进行介绍。 去斜移帧格式如图2 - 5 所示，去斜移帧长为1 2 8 个字节，如图所示，前8 个字节为4 字节帧同 步字a 1 a 1 a 2 a 2 和4 个字节的扩展帧头。后面1 2 0 个字节为净荷区，依次复制1 6 个通道的数据， 每个通道复制8 个字节作为参考数据。去斜移时，将数据通道的数据与去斜移通道相应位置的参考 数据进行对比，得到相对延时量，从而完成去斜移功能。 d a t a 1 5 d a t a 1 4 d a t a i 】 d a t a 0 d s c 亘匦蔓 j 堕巫垂正 ( ! 亘巫巫互 = 要叵亟亘区至匝亘固 二匝巫巫 j 堕巫巫互】互亟巫夏烂= ) ( 互亘亘耍d 二要巫础二窭巫巫e k 亟豆亘o ( 二二至堑叵巫e ( 至匦叵面 j 耍亘亘联二窭亟委匿 垂匾亘亘x 二二! 互至受至二匝亚回 图2 5 去斜移帧结构功能 图2 - 6 即为s f i 5 接口收端完成去斜移功能的模块结构图。由于高速收发器( t r a n s c e i v e r ) 内嵌 f i f o 和p c b 板上走线长度不同等因素的影响，1 6 路数据的延时不一样，即发生了比特信道的斜移。 数据恢复单元在数据周期眼图的中心位置被恢复出来，由于各个通道相位之间的不确定性，如图所 示，需要缓冲器将异步时钟域信号转换成同步时钟域信号。信号接收端器件的去斜移控制单元 ( d e s k e wc o n t r o l l 们首先要搜索去斜移通道的帧定位字节a 1 a 2 ，从而可以确定各个通道的复制字节 在去斜移帧中的位置，然后与1 6 个通道输入过来的数据进行比较，一旦完全匹配，则得到了各个信 7 酱瓣 插j 1 东南大学硕士学位论文 道相对与去斜移通道的斜移量，最后再反馈给各个信道做出斜移补偿，从而完成去斜移功能。当接 口设备上电时，去斜移程序就要给出一个初始的斜移测量结果。在随后的数据信号传输过程过程中， 由于一些外部条件的变化，会造成信道间的斜移情况发生变化，则接口设备应该在可能发生的最大 和最小斜移范围内跟踪监测这种变化，去斜移程序则要不断地对斜移量做出修正。 图2 - 6 去斜移模块结构图 8 第3 章4 0 g b p s 甚短距离光互联的f p g a 实现与设计 第3 章4 0 g b p s 甚短距离并行光互连的f p g a 设计 3 1f p g a 设计流程 本课题实现时采用的是a l t e r a 公司的s t r a t i xg x 和s t r a t i xi ig xf p g a ，开发环境采用的是a l t e r a 的集成开发环境q u a r t u s i i 。一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综 合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤，如图3 - 1 所示【4 】。 图3 1 完整的f p g a 设计流程 ( 1 ) 电路设计与输入 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师电路构思输入给e d a 工具。常用的设 计方法有硬件描述语言( h d l ) 和原理图设计输入方法等。原理图设计输入法在早期应用得比较广泛， 但是在大型设计中，这种方法的可维护性较差，不利于模块构造与重用。更主要的缺点就是当所选 用芯片升级换代后，所有的原理图都要做相应的改动。目前进行大型工程设计时，最常用的设计方 法是f l d l 设计输入法，其中影响最为广泛的h d l 语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。他们的共同特点 是利用由项向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工艺与结 构不同而变化，更利于向a s i c 的移植。 9 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 功能仿真 电路设计完成以后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能是否符合设计要 求。功能仿真有时也称为前仿真。常用的前仿真工具有m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m ，s y n o p s y s 公司 的v c s ，c a d e n c e 公司的n c v