光接口技術(shù)的進(jìn)步提高了性能水平，有助于滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率和信號(hào)帶寬。新規(guī)范定義了如何在開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中部署這些光鏈路，從而提供改進(jìn)的互操作性并支持未來(lái)的升級(jí)。與傳統(tǒng)的銅纜連接相比，光鏈路具有許多優(yōu)勢(shì)，將提高數(shù)據(jù)速率，改善信號(hào)完整性和安全性，并大大延長(zhǎng)系統(tǒng)組件之間的距離。

光鏈路具有許多優(yōu)點(diǎn)

銅纜的一個(gè)主要缺點(diǎn)是信號(hào)損耗，這成為更高頻率信號(hào)和更長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度的嚴(yán)重限制。在 100 米的跨度內(nèi)，光纜可以保持比銅纜高 100 倍的數(shù)據(jù)速率。

由于銅纜輻射電磁能量，因此竊聽網(wǎng)絡(luò)電纜是一個(gè)主要的安全問題，不僅對(duì)軍事和政府客戶，而且對(duì)公司、銀行和金融機(jī)構(gòu)也是如此。車輛和公文包中的高級(jí)信號(hào)嗅探器很難檢測(cè)和限制。光纜極難在不損壞光纜的情況下“竊聽”，導(dǎo)致立即檢測(cè)。

在銅電纜中流動(dòng)的信號(hào)也容易受到附近電磁輻射源（如天線、發(fā)電機(jī)和電機(jī)）的污染。這對(duì)于軍用和商用飛機(jī)和船舶以及載人或無(wú)人駕駛車輛至關(guān)重要，這些車輛通常裝有數(shù)十種不同的電子有效載荷。光纜完全不受EMI［電磁干擾］甚至雷電放電的影響。

從物理上講，光纜比銅纜小得多，輕得多，對(duì)于武器、無(wú)人駕駛車輛和飛機(jī)等重量敏感的應(yīng)用尤其重要。光纜在浸沒在海水中時(shí)也能正常工作，并且完全不受電氣短路的影響——在可能存在爆炸性蒸氣的情況下尤其重要。為了便于通過(guò)導(dǎo)管和通道進(jìn)行安裝，光纜的直徑更小，可以承受比銅電纜高十倍的拉力。

在數(shù)據(jù)服務(wù)器、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、電信系統(tǒng)以及家庭和辦公室互聯(lián)網(wǎng)和娛樂系統(tǒng)的巨大商業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，光接口正在取代舊的銅纜連接，原因很充分：成本和性能。

隨著光纜的使用越來(lái)越普遍，單位長(zhǎng)度的成本可能遠(yuǎn)低于依賴于商品金屬定價(jià)的銅纜。通常情況下，工業(yè)、軍事和政府嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在正在利用這種快速發(fā)展的商業(yè)技術(shù)的諸多好處。

光纜

光纜是用于通過(guò)光纖傳播光的波導(dǎo)。它由一個(gè)中心磁芯組成，其復(fù)合材料具有比磁芯更高的折射率，以確保全內(nèi)反射。光纜使用多模或單模傳輸。

多模電纜接受光線在軸的一定角度內(nèi)進(jìn)入核心。它們通過(guò)反復(fù)反射芯線和包層之間的介電邊界沿著電纜向下移動(dòng)。磁芯直徑通常為 50 或 62.5 微米，光的波長(zhǎng)通常為 850 nm。

單模電纜以電磁波的形式將光作為電磁波傳播，使用1310和1550 nm的典型波長(zhǎng)直接沿著光纖向下傳播。磁芯直徑必須不大于光波長(zhǎng)的十倍，通常為 8 到 10 微米。雖然單模電纜可以傳輸比多模長(zhǎng)10到100倍的信號(hào)，但收發(fā)器更昂貴。

存在數(shù)百種不同類型的光纜連接器，每種連接器都針對(duì)特定的應(yīng)用和環(huán)境。挑戰(zhàn)在于連接兩根光纜的末端，以保持光接口的最大保真度，盡管存在人為因素、公差、污染和環(huán)境。用于清潔每根光纖末端的特殊工具和套件對(duì)于可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

光收發(fā)器

將電信號(hào)耦合到光信號(hào)以通過(guò)光纜傳輸需要光收發(fā)器。大多數(shù)系統(tǒng)要求每個(gè)光鏈路采用全雙工操作，以支持流量控制和糾錯(cuò)。一對(duì)光纖通常在同一根電纜中粘合在一起，支持以相反方向傳輸和接收數(shù)據(jù)。

雖然過(guò)去已經(jīng)使用了幾種模擬光調(diào)制方案（包括AM和FM），但現(xiàn)在幾乎所有的收發(fā)器都使用數(shù)字調(diào)制。光發(fā)射器只是將數(shù)字邏輯電平轉(zhuǎn)換為激光束的開/關(guān)調(diào)制，而探測(cè)器將調(diào)制光轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號(hào)。這個(gè)用于傳輸 1 和 0 的物理層接口可以支持任何協(xié)議。

最新的收發(fā)器使用激光發(fā)射器來(lái)支持 100 Gbits/s 或更高的數(shù)據(jù)速率，每一代都在穩(wěn)步降低設(shè)備的功耗、尺寸和成本。發(fā)射器和探測(cè)器需要不同的技術(shù)，但兩者通常組合在一個(gè)產(chǎn)品中，以提供全雙工操作。

因此，光收發(fā)器在光纜和處理器、FPGA 和網(wǎng)絡(luò)適配器上的大量多千兆位電氣串行端口之間提供物理層接口。因此，光收發(fā)器對(duì)其支持的協(xié)議是透明的，使其適用于幾乎任何高速串行數(shù)字鏈路。

光收發(fā)器的電信號(hào)連接到端點(diǎn)設(shè)備，然后終端設(shè)備必須在物理層處理時(shí)鐘編碼和恢復(fù)、同步和線路平衡。數(shù)據(jù)鏈路層電路建立成幀，以便可以通過(guò)通道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)字。

選擇正確的光學(xué)協(xié)議

協(xié)議定義了每種類型的系統(tǒng)鏈路支持的規(guī)則和功能，從原始數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單傳輸?shù)綄?duì)分布式網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜多處理器支持、智能路由和強(qiáng)大的糾錯(cuò)功能。當(dāng)然，較重的協(xié)議總是意味著數(shù)據(jù)傳輸效率較低和延遲增加。通常，最好使用滿足給定系統(tǒng)要求的最簡(jiǎn)單的協(xié)議。

作為輕量級(jí)協(xié)議的一個(gè)例子，Aurora for Xilinx FPGA 具有板載鏈路層引擎和高速串行收發(fā)器。Aurora 主要用于在兩個(gè) FPGA 之間發(fā)送數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。它包括 8b/10b 或 64b/66b 通道編碼以平衡傳輸通道，并支持單工或全雙工操作。Aurora 幾乎可以處理任何字長(zhǎng)，并支持將多個(gè)串行通道綁定到單個(gè)邏輯通道中，從而聚合單通道比特率以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。每個(gè)串行通道的數(shù)據(jù)速率可以是 12.5 Gbits/s 或更高。Aurora 非常簡(jiǎn)單且開銷最小，在模塊內(nèi)的多個(gè) FPGA 之間或背板上的模塊之間鏈接數(shù)據(jù)流方面非常高效。

復(fù)雜性的提高是VITA 17.1 中定義的串行 FPDP 協(xié)議。它滿足了嵌入式系統(tǒng)的幾個(gè)重要需求，包括避免數(shù)據(jù)溢出的流量控制，以及允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)制模式。復(fù)制/循環(huán)模式支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)最終完成閉環(huán)。每個(gè)通道的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率為 2.5 Gb/s，但設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在支持的速度幾乎是該速度的兩倍。

Infiniband為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和服務(wù)器定義了靈活、低延遲、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)，當(dāng)前速率為14 Gbits/sec，未來(lái)幾年將上升到50 Gbits/sec。通過(guò)綁定 4 或 12 個(gè)通道形成邏輯通道，可以提高通道速度。

古老的以太網(wǎng)協(xié)議仍然主導(dǎo)著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在各種計(jì)算機(jī)、交換機(jī)和適配器通常都支持 10 GbE。盡管以太網(wǎng)開銷很高，對(duì)于高數(shù)據(jù)速率、低延遲的應(yīng)用來(lái)說(shuō)有些麻煩，但其無(wú)處不在的存在實(shí)際上確保了兼容性。

審核編輯：郭婷