2. 光纖通信

　　10Gbps光纖通訊設計是超高分辨率LED顯示屏單卡控制系統的關鍵環節，其構建和成本控制基于10G以太網技術，尤其是10G以太網物理接口的發展。10G以太網標準IEEE 802.3ae定義了在光纖上傳輸10G以太網的標準，傳輸距離從300m到80km。

　　其中IEEE 802.3ae根據光纖類型、傳輸距離等進一步細分為7種類型。實際上目前建立在Cisco光學標準10GBASE-ZR上，可傳80km的1，550nm冷卻型電吸收調制激光器（Cooled EML）也已問世。

　　在這些七種接口類型中，10GBASE-LX4使用了粗波分復用（CWDM）技術，把12.5Gbps數據流分成4路3.125Gbps數據流在光纖中傳播，由于采用了8B/10B編碼，因此有效數據流量是10Gbps。這種接口類型的優點是應用場合比較靈活，既可以使用多模光纖，應用于傳輸距離短對價格敏感的場合，也可以使用單模光纖，支持較長傳輸距離的應用。

　　10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理編碼子層（PCS）使用了效率較高的64B/66B編碼，在線路上傳輸的速率是10.3 Gbps。其中，10GBASE-SR使用850nm的激光器，在多模光纖上的傳輸距離是300m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分別使用1，310nm和1，550nm的激光器，在單模光纖上的傳輸距離分別是10km和40km，適用于城域范圍內的傳輸，是目前的主流應用。

　　10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是應用于廣域網的接口類型，其傳輸速率和OC-192 SDH（同步數字體系）相同，物理層使用了64B/66B的編碼，通過WIS把以太網幀封裝到SDH的幀結構中去，并做了速率匹配，以便實現和SDH的無縫連接。

　　采用不同的萬兆網絡通訊器件構建超高分辨率LED顯示屏10Gbps光纖控制系統，有以下幾種方案，分述如下。

　　XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案：現在應用比較廣泛的10G光模塊有以下幾種：300PIN、XENPAK、XPAK、X2、XFP和SFP+。其中300PIN屬于第一代模塊，主要應用于SDH，把電接口改成10G以太網16位接口（XSBI）后也可應用于10G以太網；XENPAK是針對10G以太網推出的第一代光模塊，所需信號多，體積較大，價位也較高；XPAK和X2是XENPAK光模塊的直接改進版，體積縮小了40%；XFP（遵從XFP MSA/INF-8077i協議），采用可達9.95~11.09Gbps高速串行電接口XFI，是一種外形緊湊、類似于千兆以太網SFP的小型化可拔插光模塊，由于內含CDR，需要30位信號和161.25MHz的高頻時鐘輸入，故價格也不便宜，不利于10Gbps網絡的推廣；最新出現的SFP+（遵從IEEE 802.3ae、SFF-8431、SFF-8432協議）是在已成熟的1~4Gbps SFP光纖模塊基礎上推出的萬兆光模塊，因信號減少到20位，單電源供電，采用9.5328~11.10Gbps高速串行電接口SFI，并將信號調制功能、MAC、串行/解串器、時鐘和數據恢復（CDR），以及電子色散補償（EDC）功能全部移到主板卡，憑借其小型化低成本等優勢滿足了設備對光模塊高密度的需求，目前已經取代XFP成為10G市場的主流。

　　10Gbps SFP+光纖模塊國內生產商較多，包括華為、中興、思科、H3C、北電、網件、3COM、安捷倫、飛通、易飛揚、吉訊科技、乘光網絡、貝嶺科技等。例如易飛揚可傳300M的850nm VCSEL多模GPP-85192-SRC、可傳2KM的1，310nm DFB單模GPP-31192-02C、可傳10KM的GPP-31192-LRC/LRT SFP+光纖模塊等，一般都滿足：1. 光接口符合IEEE 802.3ae 10GBASE-LR；2. 電氣接口符合SFF-8431；3. 低功耗，熱插拔；4. PIN光電探測器；5. 全金屬外殼，卓越的EMI性能；6. 高級固件允許客戶系統加密，信息儲存于收發器中；7. 低成本高效益的SFP+解決方案，有利于更高端口密度和更大帶寬設計；8. 適用10.3125Gbps 10GBASE-SR及其它光學鏈接。

　　目前國內多模300M SFP+萬兆光模塊價位在850元可買到，單模2KM SFP+萬兆光模塊價位在1，250元左右，單模10KM SFP+萬兆光模塊價位在1，500元左右，超過10KM則需采用其它類型的萬兆光模塊如冷卻型萬兆光模塊，價格就比較昂貴了。SFP+模塊電氣接口符合SFI電氣規范，收發器的差分輸入輸出阻抗是100歐姆，PECL/CML電平，內部交流耦合。模塊提供差異終端匹配，減少了共模轉換對信號質量的影響。SFI高速串行總線在改進的FR4板材上布線長度超過200mm，在標準FR4板材上布線長度超過150mm，易于和FPGA匹配。從性價比和設計的簡易性考慮，采用10Gbps SFP+模式作本設計最為適宜。單路10Gbps光纖通訊邏輯設計如圖2（a）所示。

　　SFP+光纖模塊要求萬兆網PHY具有SFI高速串行接口，這類萬兆網PHY品種較多，例如Vitesse的VSC8486、PHYNetLogic的AEL1010（具有13x13mm，144針，1毫米球間距PBGA超小型封裝）。

　　VSC8486是一個局域網/廣域網XAUI或XGMII收發器，3Gbps XAUI數據轉換成10Gbps的XFI/SFI串行數據流，還配備了一個額外的全速率數據口，可以用于旁路監測或通道監控應用。VSC8486提供特殊的10Gbps混合信號數據性能輸出功能，可編程預加重，以延長銅連接。VSC8486高速串行I/O支持由IEEE 802.3ae和T11 10 GFC定義的9.9Gbps、10.3Gbps和10.5Gbps速率，并完全符合Bellcore GR253定義的SONET抖動規范。

　　VSC8486設備中有四個主要的數據處理模塊：XGXS、PCS、WIS和PMA。10GbE以太網的擴展子層（XGXS）接收運行在3.125Gbps的8B/10B數據，解碼后發送到物理編碼子層（PCS）。該XGXS具有處理通道間超過60bit間格的抗扭曲能力。PCS根據IEEE 802.3ae第49條規定64B/66B算法，對來自XGXS的10Gbps數據進行編碼。

　　PCS是一個可選的運行在64B/66B速率的擴展模式（E-PCS），這種擴展模式使用一個替代的框架算法，增加了前向糾錯FEC，提供約2.5dB的網絡電氣增益。PCS適用于局域網模式，但不適用于WAN模式。

　　PCS輸出數據到廣域網接口子層WIS（繞過局域網模式）。按IEEE 802.3ae第50條描述規定，WIS可對來自PCS的9.953Gbps數據和SONET STS-192C幀數據進行選擇。此外，WIS模塊包含擴展SONET和SDH的處理能力，允許系統充分利用有價值的性能監測數據。最后，數據傳遞到物理介質連接模塊PMA，PMA將內部多路并行總線數據轉化為10Gbps的數據流。

　　10Gbps到XAUI數據通道的執行操作和上述描述相反，其路徑上的顯著特點是擁有一個SONET兼容LOS監測器和一個完全兼容XFI/SFI規格（包括強制的眼圖要求）的10Gbps接收器。

　　SFI集成式10Gbps單路光纖通訊方案：單路10Gbps光纖通訊模式還有一種造價較高的全FPGA設計模式，外掛的10GbE PHY已嵌入FPGA內部，利用FPGA的SFI高速串行總線，直接和SFP+模塊接口，邏輯設計見圖2（b），其詳述見下文FPGA信息處理。

　　4×3.125Gbps多路光纖通訊方案：4×3.125Gbps多路光纖通訊方案是一種低成本、可靈活在3.125、6.25、9.75、12.5Gbps帶寬中選擇應用的單卡拼接方案，圖2（c）為邏輯設計。從圖可看出，它不需要外掛較昂貴的10Gbps串行器/解串器（SerDes），利用FPGA內嵌的4個3.125Gbps SerDes直接和4個4.25Gbps SFP光纖模塊接口。SFP光纖模塊應用廣泛，例如易飛揚可傳500M的GP-854G-S5x（D） 4.25Gbps SFP多模光纖模塊，可傳10KM的GP-314G-L1x（D）單模光纖模塊等。FPGA可從Altera較低檔的60nm Cyclone IV GX（3.125Gbps）、28nm Cyclone V GX（3.125Gbps）中選用。這兩種芯片均具有利于設計的以下特點：

　　1. 靈活而且容易配置的收發器數據通路，可實現工業標準和專用協議；2. 可編程預加重設置和可調差分輸出電壓（VOD），提高了信號完整性；3. 用戶可控的接收器均衡，增益達到7dB，補償物理介質的頻率相關損耗；4. 收發器動態重新配置，不需要對FPGA重新編程，支持同一通道上的多種協議和數據速率；5. 兼容PCI Express （PIPE）、XAUI和千兆以太網物理接口的專用電路；6. PIPE接口可直接連接嵌入式PCI Express Gen1和Gen2（2.5/5.0 Gbps）硬核知識產權（IP）或者軟核IP；7. 片內電源去耦合功能，不需要板上去耦電容，簡化了設計，滿足了高頻時的瞬變電流要求。

　　4×3.125Gbps多路光纖通訊方案在萬兆網網線和光纖通訊技術應用成本較高的早期無疑是一個值得推薦的方案，然而隨著萬兆網網線和光纖通訊技術應用日益發展成熟和成本的快速下降，其優越性已不明顯。同時4路光纖輸出占用了較大空間，加上HDMI/DVI、USB口和信號指示燈，很難做成插卡式，只能外置或舍棄DVI輸入口，要用DVI時采用DVI-HDMI轉換器。

　　2×6.25Gbps雙路光纖通訊方案：2×6.25Gbps兩路光纖通訊方案是在4×3.125Gbps多路光纖通訊方案上的改進，邏輯設計如圖2（d）所示。該方案利用FPGA內嵌的2個6.25Gbps SerDes直接和2個6.25Gbps SFP+光纖模塊接口，例如易飛揚可傳2KM的GPP-316G-02x 1，310nm單模SFP+模塊。FPGA可采用40nm Arria @II GX/GZ系列芯片，SerDes速率可達6.375Gbps。又如賽靈思Artix-7 FPGA中的GTP，也可達到6.6Gbps的速率。

　　該方案和4×3.125Gbps多路光纖通訊方案相比，全帶寬運行時成本相差不大，但在設計的簡易性和工作的可靠性上略勝一籌。由于該方案只有兩路光纖，占用空間較小，允許做成插卡式。

　　4×3.125Gbps多路和2×6.25Gbps兩路光纖通訊方案的優點是可根據LED顯示屏的實際分辨率靈活構建，在非全帶寬運行時成本較低，缺點是布線相對復雜，在全帶寬多路運行時成本未必占優勢，可靠性相對較低，并需要妥善解決各通道間的同步問題。而XAUI分離式和SFI集成式10Gbps單路光纖通訊方案集成度高，單路帶寬即達到10Gbps，布線簡單、可靠性也相對較高。從性價比和設計的難易程度各方面綜合考慮，顯然首推第一種分離式單路10Gbps光纖通訊方案為最優方案。