引言

　　本文介紹了幾種可實現(xiàn)4K2K顯示需求的超高清LED顯示屏的10Gbps光纖控制系統(tǒng)設(shè)計方案，其中XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案性價比最高。

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　　目前在市場上，夏普、東芝、三星、LG等公司相繼推出了4K2K超高清電視或裸眼3D電視（物理分辨率3840×2160），夏普的“ICC-4K”技術(shù)、東芝的“超解像”技術(shù)均可將當(dāng)前的1080p信號倍線到3840×2160，4K2K規(guī)格無論是水平方向還是在垂直方向，都是現(xiàn)有主流全高清顯示設(shè)備1920×1080p分辨率的2倍，總像素數(shù)量達到了800萬以上，是全高清的4倍。

　　而在LED全彩顯示領(lǐng)域，因具有無限拼接特點，超過4K2K的LED顯示屏和3D LED顯示屏早已問世。不過當(dāng)前市場主流LED顯示屏控制系統(tǒng)主要為近距離DVI輸入雙口千兆網(wǎng)模式和遠距離2~3.125Gbps光纖通訊模式，8位色階輸入時單板支持的最大分辨率僅能達到1280×1024（60Hz，無壓縮），若要支持超高分辨率顯示，必須采用多卡或多控制器系統(tǒng)，并搭配昂貴的視頻分割放大器才能實現(xiàn)，但支持的源信號輸入依然是1280×1024。顯然，當(dāng)前的LED顯示屏控制系統(tǒng)已滯后于視頻和通信技術(shù)的發(fā)展，滿足不了市場和用戶的更高需求。為此，我們在研制前一代2~3.125Gbps LED顯示屏光纖控制器的基礎(chǔ)上，采用成熟的萬兆網(wǎng)通訊技術(shù)和器件，設(shè)計了一種支持HDMI 1.4a音視頻輸入的超高清LED顯示屏10Gbps光纖控制系統(tǒng)，大幅度提升了傳統(tǒng)LED顯示屏控制器的帶寬、功能和性價比。

　　總體設(shè)計方案

　　圖1所示為超高清LED顯示屏10Gbps光纖控制系統(tǒng)整體邏輯設(shè)計，分為發(fā)送和接收兩部分，其中發(fā)送部分包括HDMI輸入口、DVI輸入口、USB接口、ADV7619、CP2102、FPGA、DDR、Flash、PCIe插口、外設(shè)和光纖通訊，接收部分包括光纖通訊（與發(fā)送部分完全相同）、FPGA、10~12路千兆網(wǎng)PHY輸出矩陣、DDR、Flash、外設(shè)、音頻輸出和多功能接口。

　　1. 音視頻輸入

　　音視頻輸入解碼芯片采用AMD公司的HDMI/DVI雙輸入ADV7619代替?zhèn)鹘y(tǒng)單視頻DVI芯片，支持HDMI 1.4a 36位色深1920×1080p高清電視、4k×2k超高清和3D電影視頻播放，支持HBR和DSD S/PDIF多種數(shù)字音頻格式。

　　2. 光纖通信

　　10Gbps光纖通訊設(shè)計是超高分辨率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)標準IEEE 802.3ae定義了在光纖上傳輸10G以太網(wǎng)的標準，傳輸距離從300m到80km。

　　其中IEEE 802.3ae根據(jù)光纖類型、傳輸距離等進一步細分為7種類型。實際上目前建立在Cisco光學(xué)標準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，價位也較高；XPAK和X2是XENPAK光模塊的直接改進版，體積縮小了40%；XFP（遵從XFP MSA/INF-8077i協(xié)議），采用可達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的高頻時鐘輸入，故價格也不便宜，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、時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR），以及電子色散補償（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、吉訊科技、乘光網(wǎng)絡(luò)、貝嶺科技等。例如易飛揚可傳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；8. 適用10.3125Gbps 10GBASE-SR及其它光學(xué)鏈接。

　　目前國內(nèi)多模300M SFP+萬兆光模塊價位在850元可買到，單模2KM SFP+萬兆光模塊價位在1，250元左右，單模10KM SFP+萬兆光模塊價位在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的FR4板材上布線長度超過200mm，在標準FR4板材上布線長度超過150mm，易于和FPGA匹配。從性價比和設(shè)計的簡易性考慮，采用10Gbps SFP+模式作本設(shè)計最為適宜。單路10Gbps光纖通訊邏輯設(shè)計如圖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抖動規(guī)范。

　　VSC8486設(shè)備中有四個主要的數(shù)據(jù)處理模塊：XGXS、PCS、WIS和PMA。10GbE以太網(wǎng)的擴展子層（XGXS）接收運行在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)進行編碼。

　　PCS是一個可選的運行在64B/66B速率的擴展模式（E-PCS），這種擴展模式使用一個替代的框架算法，增加了前向糾錯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)進行選擇。此外，WIS模塊包含擴展SONET和SDH的處理能力，允許系統(tǒng)充分利用有價值的性能監(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是擁有一個SONET兼容LOS監(jiān)測器和一個完全兼容XFI/SFI規(guī)格（包括強制的眼圖要求）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較高的全FPGA設(shè)計模式，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。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3.125Gbps SerDes直接和4個4.25Gbps SFP光纖模塊接口。SFP光纖模塊應(yīng)用廣泛，例如易飛揚可傳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)計的以下特點：

　　1. 靈活而且容易配置的收發(fā)器數(shù)據(jù)通路，可實現(xiàn)工業(yè)標準和專用協(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，增益達到7dB，補償物理介質(zhì)的頻率相關(guān)損耗；4. 收發(fā)器動態(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，滿足了高頻時的瞬變電流要求。

　　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，邏輯設(shè)計如圖2（d）所示。該方案利用FPGA內(nèi)嵌的2個6.25Gbps SerDes直接和2個6.25Gbps SFP+光纖模塊接口，例如易飛揚可傳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6.375Gbps。又如賽靈思Artix-7 FPGA中的GTP，也可達到6.6Gbps的速率。

　　該方案和4×3.125Gbps多路光纖通訊方案相比，全帶寬運行時成本相差不大，但在設(shè)計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)點是可根據(jù)LED顯示屏的實際分辨率靈活構(gòu)建，在非全帶寬運行時成本較低，缺點是布線相對復(fù)雜，在全帶寬多路運行時成本未必占優(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，單路帶寬即達到10Gbps，布線簡單、可靠性也相對較高。從性價比和設(shè)計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。

　　3. FPGA信息處理

　　大規(guī)模可編程芯片F(xiàn)PGA是超高分辨率LED顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，所有信息包括高清音視頻接收、緩存、轉(zhuǎn)換、輸出、控制信號嵌入、狀態(tài)顯示、DDR、Flash和外部設(shè)備管理等均由FPGA進行處理。與傳統(tǒng)的LED顯示屏控制系統(tǒng)比較，其最大不同在于10Gbps通訊。目前Altera、賽靈思、Lattice等主流FPGA制造商都能提供用于10GbE通訊的FPGA芯片，例如Altera的Stratix V（GX和GT）、Stratix IV（GX和GT）、Cyclone IV GX，Stratix II GX、Arria系列和HardCopy IV GX器件都有內(nèi)置收發(fā)器，為XAUI接口的實現(xiàn)提供專用模式。XAUI收發(fā)器模塊提供156.25MHz輸入?yún)⒖紩r鐘和并行接口，帶有4通道時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）接收器和4通道收發(fā)器陣列以及交流耦合差分接口和差分PCML驅(qū)動電路。收發(fā)器模塊嵌入了專用速率匹配和時鐘補償FIFO緩沖，還采用了1:16 SerDes、16:20變換器、8B/10B編碼和字對齊功能，所有這些功能都由專用XAUI狀態(tài)機進行控制。每組四通道還內(nèi)置了通道對齊電路，以減小XAUI接口從XAUI源到宿的偏移。收發(fā)器可提供500%的預(yù)加重和高達17dB的均衡，以補償高頻損耗。

　　帶XAUI接口，并集成了物理編碼子層（PCS）、萬兆以太網(wǎng)MAC的FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)通過XAUI接口和各種10GbE PHY器件相連。FPGA和原始視頻源的接口采用Altera的Avalon-ST用戶界面，64位寬度，運行在156.25MHz，具有10Gbps的全雙工吞吐速率，F(xiàn)PGA的MDIO接口提供了一個Avalon Memory-Mapped（Avalon-MM）內(nèi)存映射MDIO的橋梁，用于控制外部10GbE PHY。至于FPGA內(nèi)部的萬兆以太網(wǎng)MAC，因LED顯示屏本身不是局域網(wǎng)終端，屬于點對點高速通訊范疇，與傳統(tǒng)千兆網(wǎng)控制系統(tǒng)一樣，無需遵從萬兆以太網(wǎng)協(xié)議，故可不予采用而簡化設(shè)計。FPGA具體的軟件設(shè)計可從網(wǎng)上參考或下載Altera公司的萬兆以太網(wǎng)用戶手冊。

　　Stratix V（GX和GT）、Stratix IV（GX和GT）、Cyclone IV GX（F23和更大器件）、HardCopy IV GX、Arria II GX、Stratix II GX以及Arria GX器件中的收發(fā)器模塊符合所有的IEEE 802.3ae規(guī)范，包括沒有預(yù)加重時小于0.35單位間隔（UI）的抖動發(fā)生，以及最大峰峰值大于0.60UI的抖動容限。收發(fā)器模塊符合IEEE 802.3正弦抖動容限模板要求。萬兆以太網(wǎng)3.125Gbps×4通道單向數(shù)據(jù)傳送速率符合IEEE 802.3ae XAUI對物理層器件和上層器件鏈接的定義。

　　FPGA芯片技術(shù)發(fā)展很快，高檔FPGA芯片單個SerDes的速率已發(fā)展到100Gbps，某些高檔型號的FPGA已具備10.3Gpbs XFI/SFI高速串行接口，例如Altera 40nm的Stratix IV GX即內(nèi)嵌10Gbps PHY，可直接外掛10Gbps XFP/SFP+光纖模塊，達到設(shè)計的最簡化。不利因素是此類FPGA芯片造價較高，目前主要用于通信、數(shù)字廣播、測試設(shè)備、大存儲系統(tǒng)高帶寬領(lǐng)域。另外賽靈思的Kintex-7和Virtex-7 FPGA中的GTX也提供了經(jīng)濟高效的12.5Gbps光學(xué)與背板應(yīng)用。

　　4. 其他模塊

　　采用Silicon Labs公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片CP2102代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RS-232口實現(xiàn)PC和FPGA通訊。CP2102包含USB 2.0全速功能控制器，工作時作為一個虛擬COM口使用，且滿足RS-232總線的波特率要求。

　　為和傳統(tǒng)LED顯示屏模組掃描控制器所用的千兆網(wǎng)PHY兼容，分配器采用10~12路千兆網(wǎng)PHY構(gòu)成LED視頻輸出矩陣與LED顯示屏體的10~12個分區(qū)接口，足以支持4K2K、高色階或3D顯示。

　　音頻輸出、DDR、Flash、PCIe和外設(shè)部分的設(shè)計與常規(guī)設(shè)計相同，這里不再贅述。

　　結(jié)束語

　　綜上所述，超高清LED顯示屏10Gbps光纖控制系統(tǒng)具有多種設(shè)計方案，其中XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案性價比最高。10Gbps光纖控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的2~3.125Gbps光纖控制方案相比，其優(yōu)勢在于：1. DVI視頻解碼器被支持HDMI 1.4a的HDMI/DVI雙輸入解碼芯片替代，支持4K2K超高分辨率顯示、高色階顯示、3D顯示和音頻通道；2. 低檔FPGA芯片被具有一至多個高速SerDes串口的中高檔FPGA芯片替代，支持10GbE網(wǎng)絡(luò)通訊和PCIe通訊；3. 通訊邏輯總帶寬達10~12.5Gbps，是2×1Gbps的5~6倍；4. 接收器采用12路千兆網(wǎng)PHY輸出矩陣，可支持10~12個LED顯示屏體分區(qū)；5. 支持高保真立體聲音頻同步播放；6. 高帶寬支持發(fā)送端亮度、色度校正變換，簡化了LED顯示屏的點校正應(yīng)用；7. 高度集成化設(shè)計，性價比高；8. 理想的高檔LED和液晶拼接墻控制器產(chǎn)品，尤其適用于超高清多媒體播放。

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