基于吉比特收发器的时分复用通信系统设计
摘要：为了充分利用光信号的宽带宽资源和提高信道利用率，完成线速率为2．5 Gb／s的多路信号高速传输，在FPCA上设计并实现了一种时分复用通信系统，并对其功能和性能进行了测试与验证。为了克服普通FPGA传输速率低于1 Gb／s的性能缺陷，选用了Xilinx内嵌了支持3．75 Gb／s最高传输速率的吉比特收发器的高速FPGA。最终测试结果表明，在短距离有线传输条件下，该系统成功实现了线速率为2．5 Gb／s的无误码的时分复用通信。
在高速串行通信中，很多基于吉比特收发器的系统已经设计出来，并且解决光纤通信中若干技术上的关键问题。
本文在此基础上，提出了将吉比特收发器高速串行传输方式和时分复用方式结合起来，采用统计时分复用，设计出了一种线速率为2．5 Gb／s的多路信号的高速传输系统。该系统为星地之间需要传输大量数据，如视频图像、语音、控制指令等的激光通信实验方案的实现提供了依据。
该系统在FFGA平台上进行设计的。由于要传输的数据量比较大，对带宽的要求很高。因此，选用了Xilinx公司嵌入了吉比特收发器的FPGA，使该系统的线速率能够达到2．5 Gb／s，实现高速通信。
该系统的主要难点在于如何实现吉比特高速信号的传输，这就要考虑到吉比特高速串行技术、阻抗匹配和信号反射、信号完整性等问题。以下将对本系统的一些主要模块进行简要介绍。
1 系统总体设计
系统原理框图如图1所示。在发送端，多路电信号先各自通过FIFO(先入先出)缓存，再通过TDM复用器复用后通过MGT Tx(吉比特收发器发送端)进行并串转换，再通过SFP(光收发器，Small Form Pluggable)转换成光信号，然后在光纤信道中传输。在接收端，接收到的光信号先通过SFP转换成电信号，再通过MGT Rx(吉比特收发器接收端)进行串并转换，再通过TDM解复用器解复用，然后得到每一路的数据并送入FIFO进行缓存，再恢复出各路电信号。这样就完成了多路信号的高速复用传输。
2 吉比特收发器
由于现代通信以及各类多媒体技术对带宽的需求迅猛增长，促使一系列基于差分、源同步、时钟数据恢复(Clockand Data Recovery，CDR)等先进技术的互连方式应运而生。在传统设计中，单端互连方式易受干扰、噪声的影响，传输速率最高只能达到200～250Mbit／s／ Line；在更高速率的接口设计中，多采用包含源同步时钟的差分串行传输方式(如LVDS、LVPECL等)。但由于在传输过程中时钟与数据分别发送，传输过程中各信号瞬时抖动不一致，破坏了接收数据与时钟之间的定时关系，因而传输速率很难超越1 Gbit／s／通道。因此迫切需要新的高速数据传输技术。
基于高速的需求和传统技术的弊端，Xilinx公司推出了嵌入到FPGA的用于吉比特收发的Rocket I／O模块。RocketI／O通过采用CDR(时钟数据恢复，Clock and Data Recovery)、8B／10B编码、预加重等可在线配置技术，减少了信号衰减和线路噪声的影响，最高速率可达10 Gbit／s以上，可用于实现吉比特以太网、PCI—Express等常用接口。
Rocket I／O作为Xilinx FPGA芯片中内嵌的硬件模块，并不是任何一款FPGA都提供的，只有在Virtex2 Pro以上的部分高端FPGA内部才具备。支持Rocket I／O的FPGA型号如表1所示。
不同版本Rocket I／O硬核的传输速率是不同的，具体数值如表2所示，毋庸置疑的是，随着制造工艺的发展，65 nm的Virtex5系列芯片中GTP和GTX组件具有目前业界最高的性能和最低的成本。
该系统是在Virtex5LXT平台上进行设计的，最高速率可达3．75 Gb／s。吉比特收发器在该系统中的连接图如图2所示。
在该系统中，吉比特收发器的时钟和数据信号走线全部采用包含源同步时钟的差分串行传输方式，时钟为125 MHz，采用LNDS电平，数据信号为2．5 Gb／s，采用CML电平，差分信号的走线严格按照阻抗匹配和信号完整性来设计。并且采用了8B／10B的编码方式，以实现位同步和帧同步，虽然线速率达到了2．5 Gb／s，实际上只有2 Gbit的带宽。
2．1 8B／10B编码
8B／10B编码机制是由IBM公司开发的，已经被广泛采用。它是lnfiniband，吉比特以太网，FibelChannel以及XAUI10 Gbit／s以太网接口采用的编码机制。原理上，它是一种数值查找机制，可将8位的字转化为10位符号。这些符号可以保证有足够的跳变用于时钟恢复。8B／10B编码具有良好的直流平衡特性，通过“运行不一致性”的方法来实现，即只使用有相同个数0和1的符号，但这会限制符号的数量。同时，8B／10B中的Comma字符(用于表示对齐序列的一个或两个符号)可辅助数据对齐。
8B／10B机制能带来字对齐、时钟修正机制、通道绑定机制和子通道生成等功能，其唯一的缺陷是开销。为了获得2．5Gbit的带宽，它需要3．125Gbit／s的线路速率。