高速光电信号转换接口板设计及应用

高速光电信号转换接口板设计及应用

姚心恬 周鑫炜

（武汉滨湖电子有限责任公司 武汉 430205）

摘要：针对目前信息传输需求量大、速率高、信号种类多的现状，本文介绍了一种以FPGA芯片为核心，搭配以太网芯片、光模块和接口芯片的光电信号转换接口板，集成了丰富的外围接口，具有通用性和可移植性，可完成高速千兆以太网信号转光纤信号以及低速串口信号转光纤信号的传输处理。

关键词：光电转换、高速信号、电磁兼容性、信号完整性

0  引言

随着科学技术和对信息流量要求的飞速发展，装备的集成度、复杂度急剧增加，高速信号的传输与处理需求也日益增长。针对现有装备接口的可扩展性以及监控设备的通用性方面技术不足的问题，并结合目前装备信息传输需求量大、传输速率要求高、传输信号种类多的现状，以FPGA芯片为核心，搭配以太网芯片、光模块和接口芯片进行基于光电信号转换的电路板设计，对外提供种类数量丰富的接口。同时针对目前高速PCB电路在信号完整性、电磁兼容性等方面存在的问题，在设计过程中进行一定研究，可高速稳定地工作，实现光电信号转换的功能。

1  硬件设计架构

所设计的光电信号转换接口板（后文简称接口板）为标准6U VPX板卡。如图1所示，数据处理电路包含1片FPGA及FLASH存储芯片；网口电路包含8片以太网芯片及网络隔离变压器；光口电路包含4个SFP+系列光收发模块；串口电路包含多片RS232、RS422、RS485、CAN接口芯片；电话电路包含1个电话模块及其配套馈电模块。外围接口有：8路以太网接口；4路光纤接口；8路RS232、8路RS422、4路RS485、2路CAN接口；1路电话接口；1路JTAG调试接口；2路SerDes和2路Rapid IO接口。图 1接口板原理框图

接口板可实现的数据处理功能为：以太网转光纤功能，可完成以太网和光纤的相互转换和透明传输。无需解析以太网帧，直接将接收到的RGMII以太网数据转成GMII以太网数据并依次写到光纤帧的各个通道上，在光纤接收端依次读出光纤帧各个通道的数据并分给对应的以太网；串口转光纤功能，可完成串口和光纤的相互转换。解析多路串口数据，去掉起始位和停止位，提取出串口传输的有效数据，并将其写入光纤帧的串口通道上，在光纤接收端读出串口通道的数据，还原成串口传输格式并分给对应的各个串口；通讯健康管理功能，可完成VPX机箱板卡的状态信息收集、汇总和上报。

2  硬件设计面临的问题

PCB的信号完整性、电磁兼容性是相互作用和相互影响的。良好的信号完整性不仅可以降低PCB对外界的电磁辐射，还增强了PCB对外部电路的抗干扰度；良好的电磁兼容有利于信号完整性的保持。实际设计中应该统筹考虑。

线路板中的导体中会有各种信号的传递，为提高其传输速率必须提高其频率，线路本身若因蚀刻、叠层厚度、导线宽度等不同因素，将造成阻抗值的变化，使其信号失真，故在高速线路上的导体，其阻抗值应该控制在某一范围内。特别是高频电路必须考虑导线的阻抗特性和器件或者信号所要求是否一致，即阻抗匹配。一般可以通过调整线宽线间距、跨接电阻等方式构建， PCB阻抗的范围为25Ω至125Ω。此外，PCB的设计必须充分考虑电磁兼容性。引起电磁干扰的原因是多方面的，一个好的高速PCB设计，应该从叠层的设置、元器件布局、时钟电路设计、电源设计、接地设计、去耦设计、布线设计、静电防护等多方面进行综合考虑。                          

3  硬件设计实现

结合信号完整性和电磁兼容性的考虑，从叠层设计、布局设计、布线设计等方面对硬件的实现进行如下设计。

本接口板的叠层为14层，共有8个信号层、2个电源层和4个地层，叠层结构高度对称、每个信号层均有可参考地层。

布局时以优先满足高速信号的流向路径最短来放置FPGA芯片、以太网芯片及光收发模块。如图2所示，网口电路和光口电路布置在接口板的上半部分，靠近对外接口，而串口电路和电话电路则分布在接口板的左下部分，使得网口电路、光口电路等高速电路与串口电路、电话电路等低速电路在空间上分隔以减少串扰。

图 2  接口板布局设计图

每路光纤接口包含2对差分收发信号，每路以太网接口包含4对差分收发信号，每路SerDes接口包含2对差分收发信号，每路Rapid IO接口包含8对差分收发信号。针对高速差分信号之间的传输，进行了特定布线层选取、等长控制、阻抗匹配、地孔伴随等措施，以减少传输过程中的损耗、控制信号传输延迟的差异、降低串扰。如光纤、SerDes、Rapid IO所包含的高速差分信号设置在内信号层，且该信号层不再设置串口等传输的低速信号。网口的差分信号则设置在顶层布线，避免打过孔换层造成阻抗不连续而导致调试时电脑端接收到的以太网数据不稳定、自动降速率。

初始差分信号线宽设置为4.3mil，对内信号层的全部差分信号（高速差分信号和时钟差分信号）进行线宽和线间距的调整，使阻抗控制达到目标值100Ω。

4  光电转换功能实现

接口板有8路以太网接口，每个时钟周期传输8bit数据，理论速率为1Gbps，数据扩展为16bit后速率为2Gbps；4路光纤接口，每路光纤最高支持10G传输速率，经过8b/10b编码后实际的传输速率为8Gbps。采用其中的2路光纤来传输8路以太网数据，另外2路光纤作为备用接口。

光电转换的FPGA程序设计分为三个部分：RGMII与GMII转换模块、以太网与光纤转换模块、光纤GTX收发器IP配置模块。PHY芯片与FPGA芯片之间采样RGMII协议进行通信，RGMII接口的TXD/RXD数据在时钟上升沿发送/接收GMII接口中的低四位数据，在时钟下降沿发送/接收高四位数据，从而将4bit的RGMII协议以太网数据转换成8bit 的GMII协议以太网数据；将8bit以太网数据扩展成16bit以太网数据，进行数据缓存。将4路扩展后的16bit以太网数据合成一路64bit数据送入FIFO，写数据时钟为以太网接收时钟125 MHz，读数据时钟为光纤用户发送时钟250 MHz，从FIFO读取32bit数据。从FIFO读取64bit数据，写数据时钟为光纤用户接收时钟250 MHz，读数据时钟为以太网接收时钟125 MHz。将读取出的64bit数据拆分成4路16bit数据。从而将以太网数据转换为光纤数据；最后，进行GTX IP核配置。同时在实际数据传输过程中，接收到的32位数据可能会出现16位数据或8位数据的移位，通过光纤接收数据校正来防止这种偶发的移位现象影响光纤接收数据的正确性。从而将格式正确的光纤数据作好输出准备。

5  结语

本文提出的接口板在标准6U VPX板卡上集成了种类、数量丰富的外围接口，可传输光纤、以太网、CAN、RS232、RS422、RS485等格式信号，具有较高的通用性及可移植性；对各类高速差分信号进行信号完整性和电磁兼容性方面的优化设计，在实际程序开发测试过程中以太网信号稳定不掉速、光纤信号误码率低，可实现高速以太网信号和光纤信号间的相互转换和透明传输；可替代光电交换机，能够直接用于VPX分机中，其稳定性、环境适应性以及整体性相较于光电交换机更强。

参考文献

[1]崔岩松. 电路设计、仿真与PCB设计[M]. 清华大学出版社. 2019.

[2]苏梅冰，张刚，郭帅. 高速数字电路的信号完整性与电磁兼容性设计[J] 单片机与嵌入式系统应用.2010.

[3]向红权，苏先海，王瑛.  PCB设计中的电磁兼容性[J] 现代电子技术.2006.