通信工程中有線傳輸技術(shù)的應用及改進

宋仕澤，劉東坤，汪恒旭，羅 欽，喬志明

（山東科技大學濟南校區(qū)，山東 濟南 250031）

0 引 言

通信工程是一個廣義的概念[1]，其功能是實現(xiàn)有通信需求的雙方或多方之間的消息傳遞。消息的傳遞方式可以采用無線方式（即無線通信）或是基于有線傳輸介質(zhì)（即有線通信）。無線通信采用電磁波技術(shù)在自由空間進行消息傳遞，在衛(wèi)星通信、移動通信等領域用途廣泛；而有線通信技術(shù)是基于有線傳輸介質(zhì)進行信息傳輸，傳輸介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜、背板和光纖等，其在工業(yè)控制、信息安全以及軍用專線通信等系統(tǒng)中應用廣泛[2]。

通信技術(shù)作為國家設施建設中的重要基礎技術(shù)之一，其技術(shù)水平直接影響一個國家的國際競爭力。面對信息技術(shù)的高速發(fā)展形勢，國內(nèi)及國外多家研究機構(gòu)都開始對新一代高速、高性能有線傳輸技術(shù)進行研究。以主流的以太網(wǎng)有線傳輸技術(shù)為例，作為安全信息系統(tǒng)中主要使用的有線傳輸技術(shù)，其核心的架構(gòu)、規(guī)范標準的制定直至關(guān)鍵元器件產(chǎn)品的研制，主要由國外Broadcom、Interl、Marvell等公司完成。而國內(nèi)的相關(guān)研究機構(gòu)（如盛科、東土科技、中電24所等單位）也開始了相關(guān)元器件的研究，并已有多款產(chǎn)品供應市場，但尚不能完全替代所有關(guān)鍵元器件。此外，光纖技術(shù)作為高速寬帶網(wǎng)中主流的傳輸方式，其核心的基礎技術(shù)發(fā)展同樣受到了制約。面對上述不利因素，如何改進現(xiàn)有有線通信技術(shù)，以適應新的應用場景和需求成為當前亟待解決的問題[3]。

1 有線傳輸技術(shù)簡介及應用

按照傳輸介質(zhì)的不同，有線傳輸技術(shù)可以分為雙絞線（屏蔽和非屏蔽）、光纖、同軸電纜和背板等傳輸技術(shù)；按照傳輸協(xié)議的不同，常用的有線傳輸協(xié)議可以分為以太網(wǎng)、光纖傳輸、1553B、CAN、SpaceWire、PCIe等協(xié)議。而上述不同傳輸協(xié)議的主要物理層傳輸介質(zhì)為雙絞線、光纖和背板，以太網(wǎng)采用非屏蔽的雙絞線作為傳輸介質(zhì)，光纖通道的傳輸介質(zhì)為光纖，1553B、CAN和SpaceWire基于屏蔽雙絞線進行通信，PCIe則基于背板進行通信。下面主要介紹雙絞線、光纖、背板傳輸技術(shù)及其應用。

1.1 雙絞線傳輸技術(shù)

雙絞線具有較強的抗干擾能力、較遠的傳輸距離，而且具有布線相對簡單、便于節(jié)省空間和成本低廉等優(yōu)勢。以太網(wǎng)、1553B、CAN和SpaceWire的物理層均采用該種傳輸介質(zhì)，不同的是以太網(wǎng)采用非屏蔽的五類線，而1553B、CAN和SpaceWire則采用屏蔽雙絞線。

按照不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，1553B、CAN屬于數(shù)據(jù)傳輸速率小于10 Mb/s的低速數(shù)據(jù)傳輸總線，SpaceWire的數(shù)據(jù)傳輸速率可達百兆級別，而以太網(wǎng)則可以基于雙絞線實現(xiàn)吉比特傳輸。針對不同傳輸需求，各種協(xié)議信號采用了不同的編碼方式，千兆以太網(wǎng)采用了8B/10B編碼，1553B采用了曼徹斯特Ⅱ編碼，CAN采用的編碼格式則是Intel和Motorola，而SpaceWire則采用DS編碼方式。除了協(xié)議之間的差異，以太網(wǎng)、1553B和CAN物理層的設置方面也有不同，以太網(wǎng)采用基于SerDes技術(shù)的GPHY結(jié)構(gòu)，1553B采用曼徹斯特Ⅱ碼收發(fā)器，CAN的物理層采用的是CAN專用收發(fā)器，而SpaceWire采用低電壓差分信號LVDS收發(fā)器。

上述3種雙絞線傳輸技術(shù)在軍事、民用和工業(yè)控制領域應用十分廣泛，但3種協(xié)議之間的兼容性較差。以太網(wǎng)針對高速長距離傳輸應用，是當前信息系統(tǒng)所采用的主流傳輸技術(shù)，而1553B、CAN和SpaceWire主要針對應用于軍事領域，實現(xiàn)短距離專網(wǎng)通信。如何提升1553B、CAN和SaceWire的速率和傳輸距離，實現(xiàn)與以太網(wǎng)之間的互通，是軍用信息系統(tǒng)布局設計中需要考慮的問題。

1.2 光纖傳輸技術(shù)

光纖具有系統(tǒng)容量大、衰減較小、質(zhì)量輕以及抗干擾能力強，適于遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。光纖通道、無源光網(wǎng)絡以及同步數(shù)字體系等采用光纖作為傳輸介質(zhì)，不同點在于光纖通道主要具備熱插拔能力、高速高帶寬、支持遠程鏈接以及網(wǎng)絡容量大等特點，能為高級工作站、服務器、存儲系統(tǒng)提供高速以及高可靠的數(shù)據(jù)傳輸與存儲服務；無源光網(wǎng)絡以提高系統(tǒng)的可靠性為出發(fā)點，盡量避免雷電及電磁波的干擾，同時降低外圍設備及連接線路的故障發(fā)生率，以提供高速可靠通信服務；同步數(shù)字體系基于光纖、數(shù)字傳輸技術(shù)及軟件等基礎設施，以進一步提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性及有效性。

光纖傳輸系統(tǒng)的物理層通常采用高速串化與解串化技術(shù)（SerDes），該技術(shù)通過把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)進行傳輸，以避免傳統(tǒng)并行傳輸由于同步切換噪聲的制約而導致數(shù)據(jù)傳輸速率提升出現(xiàn)瓶頸的問題，很適合于進行高速數(shù)據(jù)傳輸（數(shù)據(jù)傳輸速率可以大于100 Gb/s）。SerDes技術(shù)基于8B/10B、128B/130B等編碼技術(shù)，采用發(fā)送器預加重、前饋濾波器、自適應增益調(diào)節(jié)、基于判決的濾波器技術(shù)以及時鐘數(shù)據(jù)恢復等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)高可靠、高效率的數(shù)據(jù)傳輸。SerDes系統(tǒng)是光纖通信系統(tǒng)設計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與核心器件，其性能直接制約著光纖通信系統(tǒng)的通信能力。因此，SerDes設計技術(shù)是光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，如何設計滿足要求的SerDes系統(tǒng)是光纖系統(tǒng)設計中需關(guān)注的重要問題。

1.3 背板傳輸技術(shù)

PCIe技術(shù)是背板傳輸技術(shù)的典型代表，其具備熱插拔、便于系統(tǒng)擴展的特點，可以統(tǒng)一計算機系統(tǒng)內(nèi)部的總線接口，并提高數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。PCIe系統(tǒng)中的每個用戶可以單獨占用帶寬，在提高傳輸速率的同時，為頻率的進一步提升提供前提條件。目前，PCIe 5.0標準已經(jīng)發(fā)布（128 Gb/s），而6.0版本預計2021年發(fā)布，預期數(shù)據(jù)傳輸速率可達256 Gb/s，所采用的編碼形式為128B/130B，物理層同樣采用SerDes架構(gòu)，并使用前項糾錯碼技術(shù)，以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。?shù)據(jù)速率的提升對SerDes技術(shù)提出了更高的要求，其抗抖動、均衡器及時鐘數(shù)據(jù)恢復的設計是重點關(guān)注的問題。如何根據(jù)系統(tǒng)指標的分析、分解，合理設計SerDes系統(tǒng)，是高速背板傳輸技術(shù)中能決定系統(tǒng)性能的環(huán)節(jié)。

2 有線傳輸技術(shù)的可行改進方案

2.1 提升數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率的提升是協(xié)議傳輸技術(shù)保持生命力的重要手段，提升傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以改善系統(tǒng)的性能，滿足用戶對于通信系統(tǒng)性能改善的需求。

2.1.1 1553B、CAN

對于1553B和CAN協(xié)議，由于其應用系統(tǒng)沿用時間較長，但是協(xié)議新版本在數(shù)據(jù)速率上均未有顯著的提升，因此，可以在維持協(xié)議不變的情況下，自主開發(fā)物理層傳輸結(jié)構(gòu)，以滿足速率提升的需要。

正交頻分復用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），是一種在無線通信（4G、5G）中廣泛成熟應用的基帶傳輸技術(shù)，其借助載波傳輸信號，能顯著提高頻譜利用率，并具備很好的抗噪聲性能，其典型系統(tǒng)如圖1所示。如圖1所示，OFDM系統(tǒng)主要由編解碼、交織/解交織、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、串并/并串、傅里葉與逆傅里葉變換、插入前綴與去除前綴、有模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換和收發(fā)單元構(gòu)成。

圖1 正交頻分復用系統(tǒng)收發(fā)機結(jié)構(gòu)

由于正交頻分復用技術(shù)的優(yōu)勢，其已被成熟應用于有線電力線傳輸系統(tǒng)，電力貓就是這種應用的代表。將1553B和CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)通過正交頻分復用技術(shù)進行多載波頻域傳輸，不僅可以大幅提升1553B和CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且可以通過基帶收發(fā)單元中的幅度調(diào)節(jié)功能單元，依據(jù)信號傳輸衰減的惡化程度自適應調(diào)節(jié)信號的幅度，以滿足被傳輸數(shù)據(jù)的接收可靠性，從而提升有線信號傳輸?shù)目煽烤嚯x。

2.1.2 SpaceWire

目前，通過SpceWire的協(xié)議改進與速率提升，SpaceWire的數(shù)據(jù)傳輸速率已達400 Mb/s。但是，隨著傳輸速率需求的進一步提升，已有的SpaceWire傳輸系統(tǒng)已不再適合繼續(xù)沿用。因此，基于光纖傳輸介質(zhì)的SpaceFibre成為SpaceWire的替代者?；赟paceFibre實現(xiàn)吉比特數(shù)據(jù)傳輸速率已變?yōu)榭赡?，采用光纖作為傳輸介質(zhì)后，SpaceFibre可以采用SerDes技術(shù)進行物理層數(shù)據(jù)傳輸，以便于數(shù)據(jù)傳輸速率的進一步提升。SpaceFibre的速率提升問題，也就轉(zhuǎn)變成為SerDes的數(shù)據(jù)傳輸速率提升問題。

2.1.3 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)技術(shù)基于IEEE802.3協(xié)議，而以太網(wǎng)速率的提升需要依據(jù)已有規(guī)范進行以太網(wǎng)系統(tǒng)的設計改進。以太網(wǎng)的有線傳輸技術(shù)主要涉及物理層的編碼、均衡、低功耗和數(shù)據(jù)發(fā)設計?；陔p絞線傳輸，以太網(wǎng)可以實現(xiàn)最高1 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，要想繼續(xù)提升數(shù)據(jù)傳輸速率，則必須采用SerDes串行傳輸技術(shù)。

2.1.4 光 纖

針對光纖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提升需求，研究高性能的SerDes收發(fā)器，確保收發(fā)器的誤碼率及傳輸速率等指標滿足有線傳輸通信系統(tǒng)的研制要求。

2.2 提升有效數(shù)據(jù)傳輸距離

有線傳輸系統(tǒng)所采用的有線傳輸介質(zhì)通常為信號有損傳輸介質(zhì)，隨著傳輸距離的增加，所傳輸信號的質(zhì)量不斷惡化。常常由于信號經(jīng)過線纜衰減造成信號質(zhì)量惡化，而無法被接收端接收，因此，有線信號傳輸系統(tǒng)通常會給出有線傳輸信號能被接收的距離上限。

常見的收發(fā)單元（如正交頻分復用的基帶收發(fā)系統(tǒng)和SerDes收發(fā)系統(tǒng)），為了接收端具有較好的接收性能，通常在接收器的最前端采用自適應增益調(diào)節(jié)單元，以便于調(diào)節(jié)接收信號的峰值，降低數(shù)據(jù)丟失概率。此外，對SerDes中涉及的抖動進行分析與測量，有針對性地采用去抖動算法，并提高時鐘數(shù)據(jù)恢復的準確性，降低由于數(shù)據(jù)傳輸過程中受到抖動影響而導致接收失敗的概率。

2.3 加速標準化進程

有線傳輸技術(shù)基于不同的有線傳輸介質(zhì)及不同的數(shù)據(jù)處理上層協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸與處理。針對不同的有線傳輸介質(zhì)要求，有線傳輸系統(tǒng)需要設計與之相符的物理層作為信息傳輸?shù)拿浇?，但傳輸介質(zhì)的不同，意味著物理層設計有所不同。此外，針對不同的應用場景，各種協(xié)議具有各自不同的協(xié)議特點。例如，在國產(chǎn)化需求日益強烈的今天，各個產(chǎn)品的研制單位根據(jù)產(chǎn)品的應用需求進行定向研制，但在國內(nèi)市場上由于缺乏統(tǒng)一的研制標準，各產(chǎn)品供應商所推出的產(chǎn)品百家爭鳴，卻不利于供應商之間所研制產(chǎn)品的互聯(lián)互通。市場上可供選擇的產(chǎn)品種類繁多，但往往是專用產(chǎn)品居多，而通用產(chǎn)品較少。急需制定一個有線傳輸技術(shù)的上層規(guī)范，對產(chǎn)品的研制、測試、應用及接口特性進行約定，避免出現(xiàn)同一功能產(chǎn)品的重復研制而造成浪費。針對有線傳輸技術(shù)的物理層，同樣需要一個規(guī)范，對于各種不同傳輸介質(zhì)的物理層進行約定，如按照數(shù)據(jù)速率進行劃分，明確特定數(shù)據(jù)傳輸速率下的物理層實現(xiàn)架構(gòu)，為物理層的設計提供指導。

3 結(jié) 論

通信工程中的有線傳輸技術(shù)涉及的領域廣，不僅涉及上層協(xié)議，而且涉及最底層的物理層傳輸協(xié)議及不同的用戶應用場景。雙絞線、光纖及背板等傳輸介質(zhì)存在物理特性上的差異，因此有不同的應用領域。用戶根據(jù)功能需要，選用不同的協(xié)議架構(gòu)，構(gòu)建有線傳輸通信系統(tǒng)。同時，依據(jù)用戶對于有線傳輸系統(tǒng)性能的提升需求，設計人員需要對有線傳輸系統(tǒng)進行性能改進，以符合通過產(chǎn)品售賣而實現(xiàn)盈利的預期目標。

提升有線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率，是一個永恒的話題。技術(shù)規(guī)范的更新和產(chǎn)品的換代，均以此為出發(fā)點。采用已有成熟技術(shù)（如正交頻分復用），并進行技術(shù)融合，能滿足產(chǎn)品升級而規(guī)范沿用的需要；針對光纖、SerDes在高速數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)勢，研究新的光纖協(xié)議及高性能的SerDes收發(fā)系統(tǒng)，對于有線傳輸技術(shù)的改進具有重要意義。此外，針對技術(shù)協(xié)議、產(chǎn)品形式的多樣化，需要推出有線傳輸技術(shù)的行業(yè)標準，以實現(xiàn)上層傳輸協(xié)議的規(guī)范化及物理層架構(gòu)的統(tǒng)一性，便于技術(shù)公關(guān)與產(chǎn)品形式的規(guī)范化。