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。
关键词：高速传输；时分复用通信；FGPA；吉比特收发器；先传输

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。