具有SGMII接口的小型熱插拔光模塊

武漢郵電科學(xué)研究院 張春艷

1.引言

隨著國家大力推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)，加上消費(fèi)者對高速率大容量的網(wǎng)絡(luò)需求與日俱增，企業(yè)和運(yùn)營商的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)以及相關(guān)的融合業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，無線、語音、視頻、統(tǒng)一通信以及帶寬饑渴型應(yīng)用等都令支撐基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的交換機(jī)變得更加重要。企業(yè)的信息應(yīng)用正在全面走向?qū)拵Щ腿诤匣?，在這一背景下，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)簡單連接和數(shù)據(jù)傳輸功能的以太網(wǎng)交換機(jī)已成為過去，縱觀當(dāng)前整個(gè)發(fā)展趨勢，我們發(fā)現(xiàn)以太網(wǎng)交換機(jī)正朝著高速化、智能化的方向前進(jìn)。目前，千兆為骨干、百兆為接入的主流結(jié)構(gòu)，將逐漸向萬兆為骨干、千兆為接入的結(jié)構(gòu)過渡。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 以太網(wǎng)交換機(jī)的概況

伴隨業(yè)務(wù)需求和運(yùn)行環(huán)境的日益多樣化，光模塊依靠光傳輸帶寬大、損耗低等明顯的優(yōu)勢迅速擴(kuò)大了其在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用范圍。近年來整個(gè)通訊行業(yè)發(fā)展迅猛，不管是市場需求，還是通訊技術(shù)。加之高速芯片工藝越來越成熟，成本逐步降低。促使整個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)行業(yè)向高速方向革新。但老一代的低速交換機(jī)因?yàn)槠涑墒斓牟季€系統(tǒng)，而且在終端接入端還有一定的應(yīng)用需求，短時(shí)間不會被淘汰。特別是在歐美地區(qū)，重新布線帶來的巨大的人力成本使得未來的綜合布線系統(tǒng)中不得不考慮兼容老一代的交換機(jī)。

2.2 ESFP光模塊的概況

ESFP光模塊作為SFP光模塊的升級版，比SFP光模塊多了數(shù)字診斷功能。通過這一功能，網(wǎng)絡(luò)管理單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)測光模塊的溫度、供電電壓、激光器的偏置電流以及發(fā)射光功率和接受光功率。這些參數(shù)的測量，可以幫助網(wǎng)絡(luò)管理單元進(jìn)行故障預(yù)測和故障定位。ESFP光模塊和SFP光模塊的封裝體積是一樣的，由于體積很小，可以在交換機(jī)單板上拓展更多的端口。加上它支持熱插拔，使得ESFP光模塊在以太網(wǎng)交換機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛。

2.3 SGMII接口的概括

目前筆記本百兆網(wǎng)卡和路由器百兆網(wǎng)口在市面上還存在較大比例，百兆交換機(jī)還沒有被大量淘汰，千兆交換機(jī)的布局就逃不開要考慮百兆交換機(jī)，一般的光模塊只能同速率對傳，并且物理層芯片是集成在交換機(jī)主板上的。這樣的光模塊不能應(yīng)用在這個(gè)千兆轉(zhuǎn)百兆的應(yīng)用環(huán)境之中。而且交換機(jī)上需要有外掛PHY芯片，光模塊才能收發(fā)以太網(wǎng)報(bào)文。而支持SGMII接口的光模塊能解決這一問題。SFP SGMII與普通SFP相差很大，前者百兆速率可用在千兆位的SFP端口，而普通的SFP就不能，這樣的差別可以方便客戶以后的網(wǎng)絡(luò)升級。

SGMII是PHY與MAC之間的接口，類似與GMII和RGMII，只不過GMII和RGMII都是并行的，而且需要隨路時(shí)鐘，PCB布線相對麻煩，而且不適應(yīng)背板應(yīng)用。而SGMII是串行的，不需要提供另外的時(shí)鐘，MAC和PHY都需要CDR去恢復(fù)時(shí)鐘。另外SGMII是有8B/10b編碼的，速率是1.25G。SGMII提供了速率為10/100/1000Mbps的全雙工BASE-T功能。

3.帶SGMII接口的光模塊簡介

這種125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊和常規(guī)的125Mbit/s光模塊在光路上的原理基本是一樣的。接受端采用的是1310nm的PIN光電二極管，PIN將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過一個(gè)TIA（跨阻放大器）之后，電信號會傳輸?shù)揭粋€(gè)125Mbit/s的LA（限幅放大器）。發(fā)射端采用了一個(gè)125Mbit/s的FP激光器，其波長為1310nm。激光器的驅(qū)動(dòng)芯片與MCU（微控制單元）以及限幅放大器集成在一塊芯片上。發(fā)射和接受參數(shù)監(jiān)控是根據(jù)SFF-8472協(xié)議由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。常規(guī)的光模塊內(nèi)一般是不集成編解碼芯片的。但這種模塊由于要支持SGMII接口，故而需要在模塊內(nèi)部集成一個(gè)PHY芯片，從而使模塊能與交換機(jī)的MAC通過SGMII接口來傳輸數(shù)據(jù)。PHY芯片在上電之后，需要完成寄存器的配置，這就需要模塊級能有一個(gè)EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）在上電時(shí)往PHY芯片內(nèi)部寫入配置信息。整個(gè)模塊的原理框圖如圖1所示。

圖1 125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的原理框圖

4.125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的設(shè)計(jì)

4.1 三合一芯片

考慮到SFP的封裝體積，激光器和探測器都會占用比較大的空間，所以考慮使用三合一芯片，該芯片集成了激光器驅(qū)動(dòng)，限幅放大器以及MCU。該芯片需要外掛一個(gè)EEPROM來存儲符合SFF-8472協(xié)議的信息。在模塊default時(shí)，該芯片能讀取EEPROM里的信息并存儲以保證模塊數(shù)據(jù)不易失。

4.1.1 激光器驅(qū)動(dòng)電路部分

光模塊發(fā)射部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，光信號發(fā)送過程主要是將發(fā)射端輸入的電信號調(diào)制成相應(yīng)的激光器驅(qū)動(dòng)信號，并在APC（自動(dòng)功率控制電路）的控制下，驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生適合光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)墓庑盘柌Ⅰ詈系焦饫w上。

圖2 光模塊發(fā)射部分

激光器驅(qū)動(dòng)電路采用了恒流源差分放大電路，如圖3所示，具有抑制零點(diǎn)漂移，放大差分信號的作用。當(dāng)外部突發(fā)信號輸入時(shí)，芯片內(nèi)部的APC電路會輸出預(yù)先設(shè)置好的偏置電流，激光器在該偏執(zhí)電流的驅(qū)動(dòng)下快速開啟并隨著調(diào)制電流的驅(qū)動(dòng)將電信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的光信號。另一方面發(fā)射組件中的背光二極管通過光電轉(zhuǎn)換將一定比率的光轉(zhuǎn)變成電流，并通過相應(yīng)阻容器件轉(zhuǎn)換成電壓信號。該信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號再與設(shè)定光功率對應(yīng)的數(shù)值比較，產(chǎn)生的差值會驅(qū)動(dòng)偏置電流做相應(yīng)的改變，直至改變到與設(shè)定值一致。

圖3 發(fā)射部分原理結(jié)構(gòu)

圖4 限幅放大器的原理結(jié)構(gòu)

4.1.2 限幅放大器

接受部分的工作原理是將微弱的光信號（＞4mVpp）通過光模塊中的光器件轉(zhuǎn)化成光生電流并放大，放大成可以被探測到的電平，經(jīng)過主放大器對該信號進(jìn)一步放大并有相應(yīng)電路轉(zhuǎn)化成合適的電平輸出。主放大器就是限幅放大器，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。TIA一般集成在探測器中，能將微弱的光生電流放大，并能改善非線性效應(yīng)以及獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍。由TIA出來的數(shù)據(jù)信號由于是差分信號，需要在差分信號線對之間接100Ω的終端匹配電阻。

4.2 PHY芯片

PHY芯片是OSI（開發(fā)系統(tǒng)互連參考）模型的最底層物理層芯片，物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接受的光電信號，線路狀態(tài)，時(shí)鐘基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。PHY對所有傳輸數(shù)據(jù)只是進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)化，沒有對有效數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析或改變。OSI模型中PHY與MAC之間的關(guān)系見圖5。

物理層包括三個(gè)功能層和兩個(gè)接口層。接口層為RMII（物理介質(zhì)無關(guān)子層）和MDI（物理介質(zhì)相關(guān)接口），在MII的上層是邏輯數(shù)據(jù)鏈路層的MAC層，而MDI的下層則直接與傳輸介質(zhì)相連。由MDI傳輸過來的數(shù)據(jù)先在PMD（物理介質(zhì)相關(guān)子層）解碼和解擾，然后經(jīng)PMA（物理介質(zhì)附加子層）提供判斷l(xiāng)ink狀態(tài)和載波偵聽的功能，完成串行信號和NRZI信號之間的轉(zhuǎn)化，再交給PCS（物理編碼子層）對信號的編譯碼以及并串信號轉(zhuǎn)換，最后交給MAC層組裝成幀。在100BASE-FX模式時(shí)，PCS提供MII接口、4B/5B編碼、串并轉(zhuǎn)換以及沖突檢測功能，PMD的功能由光電器件完成。

圖5 OSI模型中PHY與MAC之結(jié)構(gòu)關(guān)系

5.測試結(jié)果和分析

125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的主要測試指標(biāo)包括接收靈敏度、接受告警、接受告警恢復(fù)和發(fā)射眼圖。具體測試如下：

5.1 接受靈敏度

由于模塊內(nèi)置PHY芯片，在測試中，可以用一臺配上了100Base-FX板卡的Smartbits 600與模塊收發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)分析儀見圖6。在傳輸時(shí)間為12小時(shí)，其傳輸結(jié)果見圖7。溫度分別為0、25和70℃的條件下，測得的靈敏度分別為-39.02、-39.04和-39.05dBm。

圖6 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分析儀

圖7 傳輸12小時(shí)的SmartCounter

5.2 發(fā)射的主要指標(biāo)

在全溫范圍內(nèi)測得125M激光器發(fā)射的光眼圖分別為圖8所示。

圖8 125M激光器發(fā)射眼圖

測試結(jié)果顯示，發(fā)射眼圖符合IEEE Std.802.3av標(biāo)準(zhǔn)中模板的要求。消光比和發(fā)射光功率均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，并且在全溫范圍內(nèi)指標(biāo)的變化較小。

6.結(jié)束語

本文介紹了125Mbit/s帶SGMII接口的光模塊的應(yīng)用環(huán)境，重點(diǎn)介紹了其組成結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品特性。