收發器

隨著技術的不斷發展，高速串列VO技術取代傳統并行I/O技術已經成為當前趨勢。并行匯流排介面速度最快為ATA7的133 MB/s,2003年發布SATA1. 0規格提供的傳輸率就已經達到了150 MB/s, SATA3. 0理論速度更是達到了600 MB/s的速度，設備工作在高速時，并行匯流排容易遭受干擾和串擾，使得布線相當複雜。而串列收發器的運用能簡化布局設計，減少連接器數量。在具有相同的匯流排頻寬時，串列介面的功耗也比并行埠小。並且設備工作模式從并行傳輸轉變為串列傳輸，串列的速度就可以隨著頻率的提高而成倍的提高。

基於FPGA具有嵌入式Gb速率級別以及低功耗架構優點，它能使得設計師利用高效率的EDA工具快速解決協議和速率的變化問題。隨著FPGA的廣泛應用，收發器整合在FPGA中，成為解決設備傳輸速度問題的一個有效辦法。

1.信號完整性

收發器中的鎖相環(PLL , phase locked loop ) , CDR(clock and data recovery) ,8B/10B編解碼器等各個混合信號模塊設計中有模擬信號，如PLL中的壓控振蕩器，也有數字信號，如PLL中的分頻器等。在一個晶元中，同時存在模擬和數字信號，容易產生電源同步雜訊、地反彈和信號串擾。並且收發器的更高數據率意味著非理想的傳輸線效應會使布線更加困難，各層中的銅線會產生“趨膚效應”，高頻信號掠過導體的表面，增加了信號衰減。

2.抖動性

抖動性，是衡量收發器健壯性的最重要參數，因為抖動性直接反映到收發器的誤碼率。影響抖動性的因素有電源和地的布局、校準電路、封裝特性等，其中最主要是PLL產生的高速時鐘。PLL對於時鐘與數據恢復(CDR)非常重要，PLL由輸入參考時鐘驅動，因此參考時鐘輸入需要滿足嚴格的電器和抖動要求。

3.均衡技術

在通道中傳輸的數據不可避免產生碼間干擾和各種雜訊影響。在高速速率的情況下，其干擾會更加明顯。為了克服傳輸干擾和損耗，在收發器系統中插入均衡器，經過均衡修正，可以校正和補償系統特性，減少碼間干擾影響，從而能適應通道的隨機變化。

4.預加重技術

在Gb級別速率時，設計人員無法簡單地通過放大信號解決信號損失問題，因為這將增大功耗並引起眼圖的閉合。在布局上，反射能量的強度呈現出近端的不連續性。預加重技術可以透過加重任何信號變化后的第一個數據符號來對發射信號進行預失真處理，消除通道中脈衝響應的前端過沖和后沿拖尾。

每一路高速收發器包括發送器和接收器兩個通道，發送器和接收器都是由物理編碼子層(PCS,p場si-cal coding sublayer)與物理介質附加子層(PMA , physi-cal media additional sublayer)兩部分組成。

PCS包括兼容所支持協議的收發器中的數字功能的硬核邏輯實現，發送通道包括相位補償FIFO、位元組串列器、8B/10B編碼器等模塊；接收通道包括字對齊器、速率匹配FIFO,8B/10B解碼器、位元組解串器、位元組排序器、相位補償FIFO等模塊。

PMA包括I/O緩衝器的模擬電路、CDR、串列器/解串器(SER/DES以及用於優化串列數據通道性能的可編程預加重與均衡。

設備收發器通道工作時，FPGA架構中的輸出并行數據通過發送器PCS和PMA進行傳輸，最終轉化為串列數據發送出去。接收到的輸入串列數據通過接收器PMA和PCS的處理以串列數據格式傳輸到FP以架構內部中，進行下一步的處理。

高速收發器的應用廣泛，以基於FPGA的SATA介面固態硬碟為例，SATA介面固態盤是未來趨勢的發展，而高速串列收發器實現了SATA的IP核存儲方式，高速收發器是SATA協議中物理層實現的關鍵部件。SATA協議串列數據工作在1.5-6Gbit/s傳輸速率上，這是FPGA無法直接實現的，為了滿足這種需求，許多FPGA生產商將通用的高速物理器件集成在FPGA內部，並提供靈活的配置方式來完成許多類似的功能。

收發器典型的介面類型有乙太網介面，E1介面、串列介面（RS232）、SC/ST介面、USB介面等。1．乙太網介面

介面標準：IEEE802.3

終端速率：10M/100/1000Mbps

工作模式：全雙工、半雙工

終端接頭：RJ45介面

2．E1介面

網路介面：G.703、G.704、G.823

網路速率：2.048Mbps

網路接頭：BNC（75歐姆）等

線路編碼：HDB3碼

3．串列介面

介面速率：19200bps

介面標準：RS-232

4．SC/ST介面

ST介面：10Base-F

SC介面：100Base-FX

5．USB介面

USB1.1：12Mbps

USB2.0：480Mbps

區域網（LAN）的結構主要有三種類型：乙太網（Ethernet）、令牌環（Token Ring）、令牌匯流排（Token Bus）以及作為這三種網的骨幹網光纖分佈數據介面（FDDI）。它們所遵循的都是IEEE（美國電子電氣工程師協會）制定的以802開頭的標準，目前共有11個與區域網有關的標準，它們分別是：

IEEE 802.1──通用網路概念及網橋等

IEEE 802.2──邏輯鏈路控制等

IEEE 802.3──CSMA/CD訪問方法及物理層規定

IEEE 802.4──ARCnet匯流排結構及訪問方法，物理層規定

IEEE 802.5──Token Ring訪問方法及物理層規定等

IEEE 802.6──城域網的訪問方法及物理層規定

IEEE 802.7──寬頻區域網

IEEE 802.8──光纖區域網(FDDI)

不同的收發器產品由於轉換介面的不同，傳輸速率也不同，典型介面傳輸速率如下：

由於使用的介質不同，5公里光纖收發器的接收靈敏度為-30dB，使用1310nm的波長；而120公里光纖收發器的接收靈敏度為-38dB，使用1550nm的波長。

光纖收發器是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的乙太網傳輸媒體轉換單元，在很多地方也被稱之為光電轉換器或光纖轉換器（Fiber Converter）。

光纖收發器一般應用在乙太網電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的實際網路環境中，同時在幫助把光纖最後一公里線路連接到城域網和更外層的網路上也發揮了巨大的作用。有了光纖收發器，也為需要將系統從銅線升級到光纖，但缺少資金、人力或時間的用戶提供了一種廉價的方案。為了保證與其他廠家的網卡、中繼器、集線器和交換機等網路設備的完全兼容，光纖收發器產品必須嚴格符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE802.3和IEEE802.3u等乙太網標準。除此之外，在EMC防電磁輻射方面應符合FCC Part15。時下由於國內各大運營商正在大力建設小區網、校園網和企業網，因此光纖收發器產品的用量也在不斷提高，以更好地滿足接入網的建設需要。

光纖收發器通常具有以下基本特點：

1．提供超低時延的數據傳輸。

2．對網路協議完全透明。

3．採用專用ASIC晶元實現數據線速轉發。可編程ASIC將多項功能集中到一個晶元上，具有設計簡單、可靠性高、電源消耗少等優點，能使設備得到更高的性能和更低的成本。

4．機架型設備可提供熱拔插功能，便於維護和無間斷升級。

5．可網管設備能提供網路診斷、升級、狀態報告、異常情況報告及控制等功能，能提供完整的操作日誌和報警日誌。

6．設備多採用1 1的電源設計，支持超寬電源電壓，實現電源保護和自動切換。

7．支持超寬的工作溫度範圍。

8．支持齊全的傳輸距離（0～120公里）

按速率來分，光纖收發器可以分為10M、100M的光纖收發器、10/100M自適應的光纖收發器和1000M光纖收發器。

10M和100M的收發器產品工作在物理層，在這一層工作的收發器產品是按位來轉發數據。該轉發方式具有轉發速度快、通透率高、時延低等方面的優勢，在兼容性和穩定性方面較好，適合應用於速率固定的鏈路上。而10/100M光纖收發器是工作在數據鏈路層，在這一層光纖收發器使用存儲轉發的機制，這樣轉發機制對接收到的每一個數據包都要讀取它的源MAC地址、目的MAC地址，並在完成CRC循環冗餘校驗以後才將該數據包轉發出去。存儲轉發的好處在於可以防止一些錯誤的幀在網路中傳播，佔用寶貴的網路資源，還可以很好地防止由於網路擁塞造成的數據包丟失。當數據鏈路飽和時存儲轉發可以將無法轉發的數據先放在收發器的緩存中，等待網路空閑時再進行轉發。這樣既減少了數據衝突的可能又保證了數據傳輸的可靠性，因此10/100M的光纖收發器適合於工作在速率不固定的鏈路上。

按結構來分，可以分為桌面式（獨立式）光纖收發器和機架式光纖收發器。

桌面式光纖收發器適合於單個用戶使用，如滿足樓道中單台交換機的上聯。機架式光纖收發器適用於多用戶的匯聚，如小區的中心機房必須滿足小區內所有交換機的上聯，使用機架便於實現對所有模塊型光纖收發器的統一管理和統一供電。

按光纖來分，可以分為多模光纖收發器和單模光纖收發器。

由於使用的光纖不同，收發器所能傳輸的距離也不一樣，多模收發器一般的傳輸距離在2公里到5公里之間，而單模收發器覆蓋的範圍可以從20公里至120公里。需要指出的是因傳輸距離的不同，光纖收發器本身的發射功率、接收靈敏度和使用波長也會不一樣。5公里光纖收發器的發射功率一般在-20～-14db之間，接收靈敏度為-30db，使用1310nm的波長；而120公里光纖收發器的發射功率多在-5～0dB之間，接收靈敏度為-38dB，使用1550nm的波長。

按光纖數量來分，可以分為單纖光纖收發器和雙纖光纖收發器。

顧名思義，單纖設備可以節省一半的光纖，即在一根光纖上實現數據的接收和發送，在光纖資源緊張的地方十分適用。這類產品採用了波分復用的技術，使用的波長多為1310nm和1550nm。但由於單纖收發器產品沒有統一國際標準，因此不同廠商產品在互聯互通時可能會存在不兼容的情況。另外由於使用了波分復用，單纖收發器產品普遍存在信號衰耗大的特點。目前市面上的光纖收發器多為雙纖產品，此類產品較為成熟和穩定。

按網管來分，可以分為網管型光纖收發器和非網管型光纖收發器。

隨著網路向著可運營可管理的方向發展，大多數運營商都希望自己網路中的所有設備均能做到可遠程網管的程度，光纖收發器產品與交換機、路由器一樣也逐步向這個方向發展。目前大多數廠商的網管系統都是基於SNMP網路協議上開發的，支持包括Web、Telnet、CLI等多種管理方式。管理內容多包括配置光纖收發器的工作模式，監視光纖收發器的模塊類型、工作狀態、機箱溫度、電源狀態、輸出電壓和輸出光功率等等。隨著運營商對設備網管的需求愈來愈多，相信光纖收發器的網管將日趨實用和智能。

光纖收發器在數據傳輸上打破了乙太網電纜的百米局限性，依靠高性能的交換晶元和大容量的緩存，在真正實現無阻塞傳輸交換性能的同時，還提供了平衡流量、隔離衝突和檢測差錯等功能，保證數據傳輸時的高安全性和穩定性。因此在很長一段時間內光纖收發器產品仍將是實際網路組建中不可缺少的一部分，今後的光纖收發器會朝著高智能、高穩定性、可網管、低成本的方向繼續發展。

瑞斯康達/RAISECOM

netLINK

W-LINK

F-engine/烽火網路

N-net

BRO-WAY/博威

FiBit

趨勢/TRENDnet

高速收發器使大量數據點對點進行傳輸成為可能，這種串列通信技術充分利用傳輸媒體的通道容量，與并行數據匯流排相比，減少了所需的傳輸通道和器件引腳數目，從而大大降低通信成本。一個性能優秀的收發器應具備低功耗、小尺寸、易配置、高效率等優點，以使其容易集成到匯流排系統中。在高速串列數據傳輸協議中，收發器的性能對匯流排介面傳輸速率起著決定性的作用，也在一定程度上影響了該種匯流排介面系統的性能。本研究解析了高速收發器模塊在FPGA平台上的實現，也為各種高速串列協議的實現提供了有益的參考。