2. 光纖通信

　　10Gbps光纖通訊設(shè)計(jì)是超高分辨率LED顯示屏單卡控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其構(gòu)建和成本控制基于10G以太網(wǎng)技術(shù)，尤其是10G以太網(wǎng)物理接口的發(fā)展。10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ae定義了在光纖上傳輸10G以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離從300m到80km。

　　其中IEEE 802.3ae根據(jù)光纖類型、傳輸距離等進(jìn)一步細(xì)分為7種類型。實(shí)際上目前建立在Cisco光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)10GBASE-ZR上，可傳80km的1，550nm冷卻型電吸收調(diào)制激光器（Cooled EML）也已問世。

　　在這些七種接口類型中，10GBASE-LX4使用了粗波分復(fù)用（CWDM）技術(shù)，把12.5Gbps數(shù)據(jù)流分成4路3.125Gbps數(shù)據(jù)流在光纖中傳播，由于采用了8B/10B編碼，因此有效數(shù)據(jù)流量是10Gbps。這種接口類型的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用場合比較靈活，既可以使用多模光纖，應(yīng)用于傳輸距離短對價(jià)格敏感的場合，也可以使用單模光纖，支持較長傳輸距離的應(yīng)用。

　　10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理編碼子層（PCS）使用了效率較高的64B/66B編碼，在線路上傳輸?shù)乃俾适?0.3 Gbps。其中，10GBASE-SR使用850nm的激光器，在多模光纖上的傳輸距離是300m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分別使用1，310nm和1，550nm的激光器，在單模光纖上的傳輸距離分別是10km和40km，適用于城域范圍內(nèi)的傳輸，是目前的主流應(yīng)用。

　　10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是應(yīng)用于廣域網(wǎng)的接口類型，其傳輸速率和OC-192 SDH（同步數(shù)字體系）相同，物理層使用了64B/66B的編碼，通過WIS把以太網(wǎng)幀封裝到SDH的幀結(jié)構(gòu)中去，并做了速率匹配，以便實(shí)現(xiàn)和SDH的無縫連接。

　　采用不同的萬兆網(wǎng)絡(luò)通訊器件構(gòu)建超高分辨率LED顯示屏10Gbps光纖控制系統(tǒng)，有以下幾種方案，分述如下。

　　XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案：現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的10G光模塊有以下幾種：300PIN、XENPAK、XPAK、X2、XFP和SFP+。其中300PIN屬于第一代模塊，主要應(yīng)用于SDH，把電接口改成10G以太網(wǎng)16位接口（XSBI）后也可應(yīng)用于10G以太網(wǎng)；XENPAK是針對10G以太網(wǎng)推出的第一代光模塊，所需信號多，體積較大，價(jià)位也較高；XPAK和X2是XENPAK光模塊的直接改進(jìn)版，體積縮小了40%；XFP（遵從XFP MSA/INF-8077i協(xié)議），采用可達(dá)9.95~11.09Gbps高速串行電接口XFI，是一種外形緊湊、類似于千兆以太網(wǎng)SFP的小型化可拔插光模塊，由于內(nèi)含CDR，需要30位信號和161.25MHz的高頻時(shí)鐘輸入，故價(jià)格也不便宜，不利于10Gbps網(wǎng)絡(luò)的推廣；最新出現(xiàn)的SFP+（遵從IEEE 802.3ae、SFF-8431、SFF-8432協(xié)議）是在已成熟的1~4Gbps SFP光纖模塊基礎(chǔ)上推出的萬兆光模塊，因信號減少到20位，單電源供電，采用9.5328~11.10Gbps高速串行電接口SFI，并將信號調(diào)制功能、MAC、串行/解串器、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR），以及電子色散補(bǔ)償（EDC）功能全部移到主板卡，憑借其小型化低成本等優(yōu)勢滿足了設(shè)備對光模塊高密度的需求，目前已經(jīng)取代XFP成為10G市場的主流。

　　10Gbps SFP+光纖模塊國內(nèi)生產(chǎn)商較多，包括華為、中興、思科、H3C、北電、網(wǎng)件、3COM、安捷倫、飛通、易飛揚(yáng)、吉訊科技、乘光網(wǎng)絡(luò)、貝嶺科技等。例如易飛揚(yáng)可傳300M的850nm VCSEL多模GPP-85192-SRC、可傳2KM的1，310nm DFB單模GPP-31192-02C、可傳10KM的GPP-31192-LRC/LRT SFP+光纖模塊等，一般都滿足：1. 光接口符合IEEE 802.3ae 10GBASE-LR；2. 電氣接口符合SFF-8431；3. 低功耗，熱插拔；4. PIN光電探測器；5. 全金屬外殼，卓越的EMI性能；6. 高級固件允許客戶系統(tǒng)加密，信息儲(chǔ)存于收發(fā)器中；7. 低成本高效益的SFP+解決方案，有利于更高端口密度和更大帶寬設(shè)計(jì)；8. 適用10.3125Gbps 10GBASE-SR及其它光學(xué)鏈接。

　　目前國內(nèi)多模300M SFP+萬兆光模塊價(jià)位在850元可買到，單模2KM SFP+萬兆光模塊價(jià)位在1，250元左右，單模10KM SFP+萬兆光模塊價(jià)位在1，500元左右，超過10KM則需采用其它類型的萬兆光模塊如冷卻型萬兆光模塊，價(jià)格就比較昂貴了。SFP+模塊電氣接口符合SFI電氣規(guī)范，收發(fā)器的差分輸入輸出阻抗是100歐姆，PECL/CML電平，內(nèi)部交流耦合。模塊提供差異終端匹配，減少了共模轉(zhuǎn)換對信號質(zhì)量的影響。SFI高速串行總線在改進(jìn)的FR4板材上布線長度超過200mm，在標(biāo)準(zhǔn)FR4板材上布線長度超過150mm，易于和FPGA匹配。從性價(jià)比和設(shè)計(jì)的簡易性考慮，采用10Gbps SFP+模式作本設(shè)計(jì)最為適宜。單路10Gbps光纖通訊邏輯設(shè)計(jì)如圖2（a）所示。

　　SFP+光纖模塊要求萬兆網(wǎng)PHY具有SFI高速串行接口，這類萬兆網(wǎng)PHY品種較多，例如Vitesse的VSC8486、PHYNetLogic的AEL1010（具有13x13mm，144針，1毫米球間距PBGA超小型封裝）。

　　VSC8486是一個(gè)局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)XAUI或XGMII收發(fā)器，3Gbps XAUI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10Gbps的XFI/SFI串行數(shù)據(jù)流，還配備了一個(gè)額外的全速率數(shù)據(jù)口，可以用于旁路監(jiān)測或通道監(jiān)控應(yīng)用。VSC8486提供特殊的10Gbps混合信號數(shù)據(jù)性能輸出功能，可編程預(yù)加重，以延長銅連接。VSC8486高速串行I/O支持由IEEE 802.3ae和T11 10 GFC定義的9.9Gbps、10.3Gbps和10.5Gbps速率，并完全符合Bellcore GR253定義的SONET抖動(dòng)規(guī)范。

　　VSC8486設(shè)備中有四個(gè)主要的數(shù)據(jù)處理模塊：XGXS、PCS、WIS和PMA。10GbE以太網(wǎng)的擴(kuò)展子層（XGXS）接收運(yùn)行在3.125Gbps的8B/10B數(shù)據(jù)，解碼后發(fā)送到物理編碼子層（PCS）。該XGXS具有處理通道間超過60bit間格的抗扭曲能力。PCS根據(jù)IEEE 802.3ae第49條規(guī)定64B/66B算法，對來自XGXS的10Gbps數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

　　PCS是一個(gè)可選的運(yùn)行在64B/66B速率的擴(kuò)展模式（E-PCS），這種擴(kuò)展模式使用一個(gè)替代的框架算法，增加了前向糾錯(cuò)FEC，提供約2.5dB的網(wǎng)絡(luò)電氣增益。PCS適用于局域網(wǎng)模式，但不適用于WAN模式。

　　PCS輸出數(shù)據(jù)到廣域網(wǎng)接口子層WIS（繞過局域網(wǎng)模式）。按IEEE 802.3ae第50條描述規(guī)定，WIS可對來自PCS的9.953Gbps數(shù)據(jù)和SONET STS-192C幀數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。此外，WIS模塊包含擴(kuò)展SONET和SDH的處理能力，允許系統(tǒng)充分利用有價(jià)值的性能監(jiān)測數(shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)傳遞到物理介質(zhì)連接模塊PMA，PMA將內(nèi)部多路并行總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10Gbps的數(shù)據(jù)流。

　　10Gbps到XAUI數(shù)據(jù)通道的執(zhí)行操作和上述描述相反，其路徑上的顯著特點(diǎn)是擁有一個(gè)SONET兼容LOS監(jiān)測器和一個(gè)完全兼容XFI/SFI規(guī)格（包括強(qiáng)制的眼圖要求）的10Gbps接收器。

　　SFI集成式10Gbps單路光纖通訊方案：單路10Gbps光纖通訊模式還有一種造價(jià)較高的全FPGA設(shè)計(jì)模式，外掛的10GbE PHY已嵌入FPGA內(nèi)部，利用FPGA的SFI高速串行總線，直接和SFP+模塊接口，邏輯設(shè)計(jì)見圖2（b），其詳述見下文FPGA信息處理。

　　4×3.125Gbps多路光纖通訊方案：4×3.125Gbps多路光纖通訊方案是一種低成本、可靈活在3.125、6.25、9.75、12.5Gbps帶寬中選擇應(yīng)用的單卡拼接方案，圖2（c）為邏輯設(shè)計(jì)。從圖可看出，它不需要外掛較昂貴的10Gbps串行器/解串器（SerDes），利用FPGA內(nèi)嵌的4個(gè)3.125Gbps SerDes直接和4個(gè)4.25Gbps SFP光纖模塊接口。SFP光纖模塊應(yīng)用廣泛，例如易飛揚(yáng)可傳500M的GP-854G-S5x（D） 4.25Gbps SFP多模光纖模塊，可傳10KM的GP-314G-L1x（D）單模光纖模塊等。FPGA可從Altera較低檔的60nm Cyclone IV GX（3.125Gbps）、28nm Cyclone V GX（3.125Gbps）中選用。這兩種芯片均具有利于設(shè)計(jì)的以下特點(diǎn)：

　　1. 靈活而且容易配置的收發(fā)器數(shù)據(jù)通路，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專用協(xié)議；2. 可編程預(yù)加重設(shè)置和可調(diào)差分輸出電壓（VOD），提高了信號完整性；3. 用戶可控的接收器均衡，增益達(dá)到7dB，補(bǔ)償物理介質(zhì)的頻率相關(guān)損耗；4. 收發(fā)器動(dòng)態(tài)重新配置，不需要對FPGA重新編程，支持同一通道上的多種協(xié)議和數(shù)據(jù)速率；5. 兼容PCI Express （PIPE）、XAUI和千兆以太網(wǎng)物理接口的專用電路；6. PIPE接口可直接連接嵌入式PCI Express Gen1和Gen2（2.5/5.0 Gbps）硬核知識產(chǎn)權(quán)（IP）或者軟核IP；7. 片內(nèi)電源去耦合功能，不需要板上去耦電容，簡化了設(shè)計(jì)，滿足了高頻時(shí)的瞬變電流要求。

　　4×3.125Gbps多路光纖通訊方案在萬兆網(wǎng)網(wǎng)線和光纖通訊技術(shù)應(yīng)用成本較高的早期無疑是一個(gè)值得推薦的方案，然而隨著萬兆網(wǎng)網(wǎng)線和光纖通訊技術(shù)應(yīng)用日益發(fā)展成熟和成本的快速下降，其優(yōu)越性已不明顯。同時(shí)4路光纖輸出占用了較大空間，加上HDMI/DVI、USB口和信號指示燈，很難做成插卡式，只能外置或舍棄DVI輸入口，要用DVI時(shí)采用DVI-HDMI轉(zhuǎn)換器。

　　2×6.25Gbps雙路光纖通訊方案：2×6.25Gbps兩路光纖通訊方案是在4×3.125Gbps多路光纖通訊方案上的改進(jìn)，邏輯設(shè)計(jì)如圖2（d）所示。該方案利用FPGA內(nèi)嵌的2個(gè)6.25Gbps SerDes直接和2個(gè)6.25Gbps SFP+光纖模塊接口，例如易飛揚(yáng)可傳2KM的GPP-316G-02x 1，310nm單模SFP+模塊。FPGA可采用40nm Arria @II GX/GZ系列芯片，SerDes速率可達(dá)6.375Gbps。又如賽靈思Artix-7 FPGA中的GTP，也可達(dá)到6.6Gbps的速率。

　　該方案和4×3.125Gbps多路光纖通訊方案相比，全帶寬運(yùn)行時(shí)成本相差不大，但在設(shè)計(jì)的簡易性和工作的可靠性上略勝一籌。由于該方案只有兩路光纖，占用空間較小，允許做成插卡式。

　　4×3.125Gbps多路和2×6.25Gbps兩路光纖通訊方案的優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)LED顯示屏的實(shí)際分辨率靈活構(gòu)建，在非全帶寬運(yùn)行時(shí)成本較低，缺點(diǎn)是布線相對復(fù)雜，在全帶寬多路運(yùn)行時(shí)成本未必占優(yōu)勢，可靠性相對較低，并需要妥善解決各通道間的同步問題。而XAUI分離式和SFI集成式10Gbps單路光纖通訊方案集成度高，單路帶寬即達(dá)到10Gbps，布線簡單、可靠性也相對較高。從性價(jià)比和設(shè)計(jì)的難易程度各方面綜合考慮，顯然首推第一種分離式單路10Gbps光纖通訊方案為最優(yōu)方案。