不同光纖收發(fā)器間(QSFP與GTH)通信研究與實(shí)現

摘要：本文介紹了Xilinx Virtex-6 HXT系列FPGA內嵌光收發(fā)器GTH與Tyco Electronics光收發(fā)器QSFP，實(shí)現了光纖數據的高速傳輸。

引言

　　隨著(zhù)通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，對數據吞吐量提出了更高的要求，銅互連開(kāi)始向光纖互連轉型，設計出符合高性能光纖抖動(dòng)標準的收發(fā)器是轉型成功的關(guān)鍵因素。

　　賽靈思公司(Xilinx)推出的Virtex-6 HXT系列的FPGA所內嵌的GTH收發(fā)器擁有領(lǐng)先的收發(fā)器抖動(dòng)性能，為業(yè)界提供了較高的串行帶寬，可實(shí)現與行業(yè)標準 SFP+、XFP 和 CFP等高速率光纖模塊的無(wú)縫連接，滿(mǎn)足新一代光纖傳輸應用的需求。泰科電子(Tyco Electronics)提供四通道小型可插拔QSFP(Quad Small Form-factor Pluggable)的光纖收發(fā)器，支持每通道速率高達 10Gbit/s 。本文主要介紹賽靈思公司內嵌的光纖收發(fā)器GTH與泰科電子的QSFP光纖收發(fā)器互連對接，實(shí)現光纖通信，并通過(guò)實(shí)驗，給出最終結果和采樣波形圖。

1 GTH收發(fā)器設計要點(diǎn)

　　要達到GTH收發(fā)器的最佳性能，需要考慮到諸多設計因素，本文針對在設計過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題展開(kāi)相關(guān)討論。

1.1 參考時(shí)鐘

　　為了滿(mǎn)足高速數據通信的需求，GTH收發(fā)器必須具備高性能、低抖動(dòng)的參考時(shí)鐘。GTH收發(fā)器參考時(shí)鐘由REFCLK端口提供，其驅動(dòng)方式有兩種：由外部差分晶振直接驅動(dòng)專(zhuān)用時(shí)鐘路由和使用從相鄰QUAD的專(zhuān)用時(shí)鐘路由獲取的時(shí)鐘。使用專(zhuān)用時(shí)鐘路由可以給GTH QUAD提供性能最佳的時(shí)鐘，而通過(guò)專(zhuān)用的時(shí)鐘引腳IBUFDS_GTHE1原語(yǔ)，可以直接驅動(dòng)專(zhuān)用時(shí)鐘路由，常采用外部高性能時(shí)鐘輸入經(jīng)過(guò)專(zhuān)用引腳驅動(dòng)輸出參考時(shí)鐘REFCLK，其時(shí)鐘連接圖如圖1所示。

1.2 初始化及復位

　　GTH QUAD的復位有三種方式：上電配置FPGA自動(dòng)完成復位、復位序列給GTHRESET和GTHINIT端口復位以及通過(guò)拉高POWERDOWN端口復位PCS邏輯。常用的復位方式為第一和第二種，第一種復位方式要求GTH QUAD必須有穩定的參考時(shí)鐘和電源，若參考時(shí)鐘在芯片配置后輸入，則需第二種復位方式。表1給出了第二種復位方式需要的端口及說(shuō)明。

1.3 用戶(hù)時(shí)鐘

　　GTH收發(fā)器提供了發(fā)送端和接收端的并行用戶(hù)時(shí)鐘TXUSERCLKOUT和RXUSERCLKOUT，而在TXUSERCLKIN時(shí)鐘發(fā)送并行數據到TXDATA端口時(shí)，在RXUSERCLKIN時(shí)鐘上升沿接收的并行數據從RXDATA端口讀出，輸入用戶(hù)時(shí)鐘TXUSERCLKIN，RXUSERCLKIN為T(mén)XUSERCLKOUT和RXUSERCLKOUT經(jīng)過(guò)緩沖BUFG驅動(dòng)，兩者不能來(lái)源于同一時(shí)鐘。圖2是發(fā)送端用戶(hù)時(shí)鐘框圖，接收端用戶(hù)時(shí)鐘框圖和發(fā)送端框圖一樣。

(1)

　　由公式(1)可知，線(xiàn)速率為5Gbps時(shí)，數據位寬32位經(jīng)8B/10B編碼后，發(fā)送端與接收端用戶(hù)時(shí)鐘USERCLKIN為125MHz。

1.4 接收端并行數據對齊控制

　　GTH收發(fā)器接收端并無(wú)對齊控制配置，需要外加FPGA邏輯實(shí)現接收數據對齊。接收端對齊控制原理是對接收端未對齊的并行數據檢測Comma字符，若找到Comma字符對應位置，其后續位置的所有數據均已對齊。

　　其程序流程圖如圖3所示。發(fā)送端并行數據為4 Bytes，發(fā)送Comma時(shí)，TXDATA[31:0]=32’h000000BC，對應設置TXCTRL[3:0]=3’b0001，接收端并行數據RXDATA的Comma字符可能出現的位置為Byte0、Byte1、Byte2和Byte3。當檢測Comma字符出現在Byte0位置時(shí)，進(jìn)入模式1操作，對接收端并行數據RXDATA進(jìn)行一級寄存，對齊的數據即為一級寄存后的數據RXDATA_R，其示意圖如圖4所示;當出現在Byte1位置時(shí)，進(jìn)入模式2操作，對齊的數據則為{RXDATA[7:0]，RXDATA_R[31:8]};出現在Byte2位置時(shí)，進(jìn)入模式3操作，對齊的并行數據為{RXDATA[15:0]，RXDATA_R[31:16]};出現在Byte3位置時(shí)，進(jìn)入模式4操作，對齊并行數據是{RXDATA[23:0]，RXDATA_R[31:24]}。同時(shí)，為了便于后級處理，控制標志位RXCTRL也應該進(jìn)行對齊操作，其原理和RXDATA一樣，這里不再贅述。

2 光收發(fā)器模塊QSFP架構和工作原理

　　為了實(shí)現多路光纖數據通信，這種小型化、低成本、低功耗、高速率及可熱插拔的光收發(fā)模塊是最佳選擇。所采用的有源光纜組件包括屏蔽罩、有源光纜AOC(Active Optical Cable)、光收發(fā)模塊QSFP和疊接式集成連接器。屏蔽罩用于抑制屏蔽罩至擋板與屏蔽罩至模塊接口之間的EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，表面貼裝連接器能夠提供良好的電氣性能，符合包括接口與主板設計在內的SFF-8436工業(yè)標準要求。

　　發(fā)送部分集成了4通道VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直表面腔發(fā)射激光器)陣列、4通道輸入緩沖器、激光驅動(dòng)器、控制模塊和激光器偏置模塊。發(fā)送端輸入緩沖器提供了兼容CML(Current Mode Logic，電流模式邏輯)電平的高速串行接口，其數據傳輸速率一般在1Gbps至10Gbps之間，電壓擺幅為200mV～800mV;控制接口集成了LVTTL電平的I2C總線(xiàn)及低速控制接口，用于數字診斷檢測。接收部分集成了4通道的PIN光電二極管檢測陣列、4通道TIA(Trans-impedence Amplifier，跨阻放大器)陣列、4通道輸出緩沖器、控制模塊和激光器偏置模塊^[4]。

　　其基本原理為：發(fā)送部分，4對差分串行數據經(jīng)輸入緩沖器緩沖，激光驅動(dòng)器對調制電信號進(jìn)行相應處理，隨后輸出，調制電流及偏置電流驅動(dòng)VCSEL陣列，VCSEL陣列將電流信號轉化成光信號，再由光接口輸出。接收部分，PIN光電二極管陣列將從光接口輸入的光信號轉化成電流，4通道的跨阻放大器TIA放大轉變?yōu)?路數字電壓信號，經(jīng)接收端的輸出緩沖器，輸出CML電平信號^[5]。

3 互連系統分析

　　雙端光收發(fā)模塊的一端接至QSFP1插槽，另一端接至QSFP2插槽，可形成外環(huán)回，可實(shí)現4路光纖數據的高速傳輸。

　　4路光纖數據傳輸流程：GTH收發(fā)器GTH5～GTH8四路發(fā)送端發(fā)送并行數據源，輸出串行傳輸速率為5Gbps的數據流經(jīng)過(guò)QSFP2模塊進(jìn)行光電轉換，光信號經(jīng)光纜傳輸至另一端，再由QSFP1接收光信號，隨后光電轉換后輸出至GTH1～GTH4收發(fā)器的接收端RX。由之前GTH設計要點(diǎn)可知，單通道GTH接收端完成串并轉換后，數據位寬為32位，接收端用戶(hù)時(shí)鐘RXUSERCLKIN為125MHz，其單路數據傳輸速率為500MB/s。同理GTH1～GTH4發(fā)送端發(fā)送并行數據，通過(guò)光纜從GTH5～GTH8接收端接收數據。

4 實(shí)驗結果和分析

　　IBERT是集成式比特誤碼率測試儀，是Xilinx專(zhuān)門(mén)用于具有高速串行接口的FPGA芯片的調試和交互式配置工具^[6]，使用IBERT測試GTH收發(fā)器與光模塊QSFP通信鏈路情況，配置MGT/IBERT選項，選取測試時(shí)間4800s，其測試結果如圖5所示。

　　由圖5可知，8路光纖鏈路線(xiàn)速率為5Gbps時(shí)，發(fā)送端數據設置為PRBS(偽隨機二進(jìn)制序列)數據類(lèi)型，PRBS相當于“隨機數據”，因此它的頻譜特征(在有限頻帶內)和白噪聲接近，故它很適合用于測試數字通信系統性能。環(huán)回模式Loopback Mode設置為None，表明GTH1～GTH4、光纜與GTH5～GTH8鏈路外環(huán)回，在測試期間接收端誤碼計數一直為0，且誤碼率在10-12量級，滿(mǎn)足通信要求，表明光纖鏈路通信正常，因此設計滿(mǎn)足4路光纖數據的可靠傳輸要求。

　　下面通過(guò)發(fā)送遞增碼測試光纖鏈路的通信質(zhì)量，發(fā)送Comma字符TXDATA[31:0]=32’h000000BC，對應控制標志位設置TXCTRL[3:0]=3’b0001，有效數據以十六進(jìn)制0000_0000、0001_0001、0002_0002......格式遞增，對應標志位設置TXCTRL[3:0]=3’b0000，以1024個(gè)同步字符和4096個(gè)有效數據為一包數據形式發(fā)送。圖6為使用Chipscore Pro工具采集到的數據錯位圖，這種情況由于最初設計GTH接收端并沒(méi)外加對齊控制，這里測試的為GTH QUAD116和QUAD117的第一通道收發(fā)情況，由圖中的接收端控制標志端口rxtrl[3:0]=4’b0100，接收端并行數據端口gth_data_receive[31:0]=32’h00BC0000，可以看出數據發(fā)生錯位，實(shí)際測試數據錯位是隨機的。所以接收端的對齊控制相當重要，是GTH收發(fā)器正確數據傳輸的關(guān)鍵。

　　圖7(a)為加入接收端對齊控制后采集到的接收正確圖，GTH1～GTH4發(fā)送端發(fā)送遞增碼數據，通過(guò)光模塊QSFP，GTH5～GTH8接收端接收到數據;(b)為GTH5～GTH8發(fā)送端發(fā)送遞增碼數據，通過(guò)光模塊QSFP，GTH1～GTH4接收端接收數據;(c)為Plot工具畫(huà)出的各路接收數據圖。由圖中的8路接收端通道的誤碼計數信號error_cnt=0及Plot曲線(xiàn)平滑無(wú)毛刺，可看出此鏈路傳輸數據正確，接收端無(wú)誤碼。

5 結束語(yǔ)

　　本文介紹了Xilinx公司Virtex-6 HXT系列FPGA集成的GTH收發(fā)器及光收發(fā)模塊QSFP的原理，并對其互連系統進(jìn)行設計與實(shí)現?？梢钥闯?，利用GTH收發(fā)器可與光收發(fā)模塊QSFP無(wú)縫連接，并實(shí)現了4路光纖數據的對發(fā)對收。本系統可作為高速大容量存儲陣列的前端，它滿(mǎn)足了對光纖數據快速高效傳輸及暫存，具有很好的工程應用前景。

參考文獻：

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。