試想一下，是否有可能使用光纖互聯而不是銅線互聯，建立多通道微波無線電係統？這種設計的優點包括：

• 通過光纖簡化流采樣
  、控製和配置數據，以及參考時鍾和同步信號的無線電前端設計和信號分布，並減少線纜的重量
• 在zai未wei來lai的de無wu線xian電dian設she計ji中zhong無wu需xu進jin行xing銅tong介jie質zhi的de信xin號hao布bu線xian，提ti供gong了le更geng高gao的de架jia構gou自zi由you度du和he靈ling活huo性xing，同tong時shi減jian少shao了le串chuan擾rao和he信xin道dao間jian幹gan擾rao，從cong而er獲huo得de更geng高gao的de性xing能neng
• 光學概念證明可將前端模擬設計與後端數字信號處理分離，預示著由先進電子波束轉向引領的增強操作全數字天線時代的到來

　　本文將詳細介紹 Teledyne e2v 公司用於驗證光鏈路假說的實驗方法
，並評估其發展現狀。

　　如今，全球數據中心廣泛地使用大量的光鏈路，因此乍一看這種光纖傳輸的設想可能不是特別具有創新性。右 邊的方框裏展示了使用光纖的主要優點。

　　光纖的優點

• 增強性能——沒有串擾
  ，EMI 為 0
• 長距離通信 >> 20 m
• 減少重量
  
  ，提高信號密度

　　raner，zaiwuxiandianshejidelingyuzhong

，womenxuyaojiejueyixiexindegongchengtiaozhan。xuyaoqiangtiaodeshi
，zhegefanganzhizaichuanshumonixinhaohuanjingheshuziyudesuoyouxinhao，yincibixuchulidisukongzhixinhaohecankaoshizhongfenbu
，zuiguanjiandeshi

，bixuquebaoquedingxingdeduotongdaotongbu。yuanyinzaiyu

，ruguoyaoshixianlixiangdedianziboshuzhuanxiang，jiubixubaochixinhaokongjian（相位）的信息。

　　我們將討論如何高效使用 FPGA 的de數shu字zi資zi源yuan實shi現xian實shi驗yan數shu據ju編bian碼ma和he解jie碼ma引yin擎qing的de高gao級ji架jia構gou。我wo們men還hai將jiang詳xiang細xi介jie紹shao項xiang目mu通tong常chang會hui遇yu到dao的de挑tiao戰zhan
，以yi及ji如ru何he維wei持chi係xi統tong範fan圍wei裏li的de確que定ding性xing。好hao消xiao息xi是shi這zhe個ge方fang案an已yi被bei證zheng明ming是shi可ke行xing的de。讀du者zhe將jiang深shen入ru了le解jie這zhe個ge Teledyne e2v 新興微波軟件化能力的重要部分


，之前的MWJ1文章首次討論了這個問題。

　　1 能否通過光纖實現確定性數字相位陣列控製？, MWJ 2021 年 11 月

　　項目目標

　　到目前為止，有兩個基於銅線的串行接口被用於連接寬帶數據轉換器和數字信號處理器。它們是行業標準JESD204 鏈接和 Teledyne e2v 的 無 需 許 可 證 的ESIstream 係統。

　　盡jin管guan光guang數shu據ju鏈lian路lu在zai現xian代dai的de全quan球qiu寬kuan帶dai應ying用yong中zhong有you廣guang泛fan的de應ying用yong
，但dan迄qi今jin為wei止zhi，在zai無wu線xian電dian前qian端duan設she計ji領ling域yu中zhong，很hen少shao有you人ren努nu力li用yong它ta取qu代dai傳chuan統tong的de銅tong線xian設she計ji。這zhe裏li提ti出chu的de數shu字zi光guang纜lan（ODH）項目旨在探索一種光學數據鏈路橋接的樣機的能力和局限性，需保證 4 種係統信號的可靠傳輸。它們是：

• 參考時鍾
• 所有頻率小於 100MHz 的單端信號
  ，包括 SPI 和通用 I/O(GPIO)
• 用於實現係統範圍確定性采樣的專利的同步信號
• 數據轉換器的采樣數據

　　在 Teledyne e2v 的數據轉換器的領域中
，確定性（即抑製不必要的偽隨機亞穩態）通(tong)過(guo)一(yi)種(zhong)被(bei)稱(cheng)為(wei)同(tong)步(bu)鏈(lian)的(de)新(xin)型(xing)方(fang)法(fa)得(de)以(yi)保(bao)證(zheng)。同(tong)步(bu)鏈(lian)包(bao)含(han)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)單(dan)沿(yan)同(tong)步(bu)信(xin)號(hao)的(de)分(fen)布(bu)和(he)一(yi)個(ge)同(tong)步(bu)標(biao)誌(zhi)，使(shi)龐(pang)大(da)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)並(bing)行(xing)係(xi)統(tong)保(bao)持(chi)同(tong)步(bu)。然(ran)而(er)

，使(shi)用(yong)銅(tong)介(jie)質(zhi)時(shi)容(rong)易(yi)解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題(ti)
，在(zai)使(shi)用(yong)光(guang)纖(xian)傳(chuan)輸(shu)時(shi)變(bian)得(de)更(geng)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。

　　我們設計了一種基於光纖的實驗樣機，以評估其作為銅線傳輸的替代品的適用性，並確定溫度和其他環境因素對其性能的影響。

　　在最初的實驗階段
，物理光纖鏈路的長度是 10 米
，使微波射頻模擬端和數字處理域分開適當的距離。

　　ODH實現

　　這個項目開始階段的主要挑戰有兩點：

1. 最重要的是保證相對慢速的控製信號的可靠傳輸
2. 傳輸無錯誤的確定性同步信號至多個轉換器
   ，保證係統級確定性和同步采樣。這一點目前仍在實驗中。

　　先前的光纖鏈路的方案已支持控製信號和數據的傳輸。值得注意的是，英國林肯大學的一篇論文描述了一個基於 FPGA 的項目2，可組合 SPI 和 GPIO 數據並通過單一的光纖鏈路發送。

　　這篇論文描述了用於擴展傳輸距離的數據編碼的方法，並闡述了麵臨的挑戰。先前的結論是：

• 注意建立可靠的鏈路同步
  ，需要主參考時鍾。
• 編碼是成功的關鍵因素。在所述的例子裏
  ，8b/10b編碼被證明比其他更簡單的編碼方案（例如異或（XOR）或格雷碼）更合適。
• 最後，如果延遲很重要，例如對於這個實驗工作，作者詳細說明了如何重新同步鏈路以補償已知的係統延遲。

圖 1 數字光纜的概念設計

　　之前的工作奠定了如今的樣機的基石。我們提出了一種新的解決方案（圖 1），將低成本、低功耗的可編程邏輯器件（這裏是 FPGA）配置為簡單的編碼引擎
，以格式化、聚合和序列化從係統 GPIO 和 SPI 消息直接生成的慢速控製向量。接著，編碼的消息向量和參考時鍾、離散編碼的同步信號一起通過三路並行光學線路傳輸。

　　2 跨通道同步由於亞穩態而變得更加複雜。亞穩態是一種數字係統固有的偽隨機行為
，可通過精巧的設計來緩解。

　　實驗實現

　　我們的樣機基於現有的高端 IC 評估係統。我們選擇了一個包含了 EV12AQ600 的高級微波前端板卡的係統。這款四通道、12 位 6.4Gsps 的寬帶射頻 ADC 支持最高6.4GHz 采樣
，為樣機提供了基於 FMC 的目標 ADC。EV12AQ600 直接安裝在一塊強大的信號處理(DSP)板卡上，使用標準的 FPGA 板卡格式（FMC）連接器。FMC為現有的互聯提供了有用的物理分隔，因此是改進的基於光纖的數字傳輸層的理想接口，如圖所示。

　　考慮到所需的各種數字控製和時鍾信號需通過 FMC 接口橋接，我們需要三個離散的光纖通道以控製發送到遠程接收端 ADC 的信號。此外，我們還需要另外兩個通道處理發回 DSP 板卡的數據和 SSO 通信。

　　我們的目標是實現一個實用的方案，因此需要尋找一款低成本
、低功耗的可編程邏輯器件(PLD)。經過市場調研，Artix 7 FPGA 成為代碼引擎的合適的選擇。參考圖 2 所示的係統分區，很明顯對於未來的設計
，可以很容易地將編碼引擎資源和 DSP FPGA 合並以降低成本。目前，我們隻使用了不到 5%的 Artix 7 的資源。這是一款易於使用的樣機

，可方便地進行編程，因此用戶可在設計的早期階段保持編碼引擎為離散模塊。

　　還需注意
，我們需要遠程訪問參考時鍾，因此樣機的解碼端需要一個本地的時鍾發生器。物理層是通過 Radiall D-lightsys® VCSEL 光纖驅動器實現的。這個驅動器可支持從 100MHz 到 10GHz 的數據率，並在此範圍內具有出色的時鍾抖動性能。Radiall 的堅固耐用的 D 光組合提供三種數據率等級（10Mbps、5Gbps 和 12Gbps）和多個封裝選項。這些器件被配置為四通道雙工收發器或 12 通道單工接收器/發射器。驅動與協議無關
，可提供標準LVDS 和 CML 電氣接口。

　　兩個關鍵的係統挑戰

　　這款樣機有兩個核心挑戰，它們是：

1. 對非切換同步信號編碼，以建立可靠的係統級光纖同步鏈解決方案
   ，保證確定性
2. 保證全速率鏈路鎖定

　　提供係統範圍的確定性同步

　　我們已在之前的幾篇論文裏介紹了同步鏈。如前所述，如果要完全用光介質替代銅介質，同步鏈是成功與否的關鍵因素。

　　在光纖上實現可靠的同步分布的挑戰是，同步信號通常是一個相對慢速的信號，其邏輯電平變化大約為 10ns。考慮到同步信號的“無時鍾”特性
，它的精確的電平變化如何通過光纖傳輸
？

　　曼徹斯特編碼是一種簡單的相移鍵控技術
，可提供一種合適的解決方案。二進製數據與時鍾相位有關（圖 2）
，可有效保證中位電平轉換
，有助於保持直流平衡（銅介質接口）並提供規律的數據邊沿來源，以確保光纖鏈路保持鎖定並可區分出 SYNC 的有效性。

圖 2 SYNC 邊沿的曼徹斯特編碼

　　曼徹斯特編碼容易通過異或(XOR)係統所需的 SYNC 信號和參考時鍾實現。盡管這裏可以看到在 SYNC 信號有效之前有一個穩定的零數據流，但在半個參考時鍾周期內，接收端成功識別了 SYNC 由低到高的轉變。

　　順(shun)便(bian)說(shuo)一(yi)句(ju)，延(yan)遲(chi)可(ke)能(neng)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)級(ji)同(tong)步(bu)，這(zhe)也(ye)是(shi)保(bao)證(zheng)銅(tong)介(jie)質(zhi)鏈(lian)接(jie)的(de)確(que)定(ding)性(xing)的(de)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)。使(shi)用(yong)光(guang)纖(xian)時(shi)，延(yan)遲(chi)比(bi)使(shi)用(yong)銅(tong)線(xian)時(shi)低(di)幾(ji)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)。因(yin)此(ci)，對(dui)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)的(de)應(ying)用(yong)，調(tiao)整(zheng)多(duo)陣(zhen)列(lie)係(xi)統(tong)中(zhong)不(bu)同(tong)的(de) SYNC 傳遞時間變成了一個可以忽略的小問題。這是光纖解決方案的優點之一。

　　完全速率鏈接鎖定

　　成功與否取決於兩個因素。第一個因素是編碼引擎的數字設計所固有的。此外，編碼引擎依賴於嵌入式 PLL 以區分時鍾沿和同步到參考時鍾。

　　waibudaobianmayinqingdebufenyuguangxianlianjiedetexingyouguan。zaijiaodadeshujulvfanweili，lianludexingnengyousuobutong。yinci
，guangxianshoufaqixutigongneibudedianliutiaozhikongzhi。womenhaiweiceshiyangjidezhefangmiandetexing，jiangzaipingguxingnengsuiwendubianhuadetexingshijinyibuyanjiu。

　　到目前為止的成果

　　盡jin管guan我wo們men進jin行xing了le大da量liang的de數shu字zi模mo擬ni
，但dan還hai需xu在zai硬ying件jian就jiu位wei並bing準zhun備bei好hao上shang電dian後hou，進jin行xing實shi際ji的de操cao作zuo驗yan證zheng。也ye許xu盡jin管guan經jing過guo了le一yi輪lun嚴yan格ge的de檢jian查zha，最zui初chu的de設she計ji還hai是shi存cun在zai一yi些xie微wei小xiao的de硬ying件jian錯cuo誤wu，需xu要yao進jin一yi步bu修xiu改gai和he調tiao整zheng。

　　第(di)一(yi)次(ci)上(shang)電(dian)令(ling)人(ren)失(shi)望(wang)。盡(jin)管(guan)我(wo)們(men)進(jin)行(xing)了(le)大(da)量(liang)的(de)模(mo)擬(ni)工(gong)作(zuo)

，但(dan)事(shi)實(shi)證(zheng)明(ming)，尋(xun)找(zhao)阻(zu)礙(ai)接(jie)收(shou)端(duan)鎖(suo)定(ding)參(can)考(kao)時(shi)鍾(zhong)的(de)原(yuan)因(yin)是(shi)一(yi)件(jian)非(fei)常(chang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)工(gong)作(zuo)。我(wo)們(men)開(kai)始(shi)懷(huai)疑(yi)接(jie)收(shou)的(de)串(chuan)行(xing)參(can)考(kao)時(shi)鍾(zhong)的(de)質(zhi)量(liang)。當(dang)我(wo)們(men)將(jiang)參(can)考(kao)時(shi)鍾(zhong)速(su)率(lv)從(cong) EV12AQ600標稱的最大 12.8Gbps 線速率大幅降 低 至 9.0Gbps (4.5GHz 參考時鍾)，終於出現了令人期待的鏈接鎖定。

　　雖然這時 ADC 輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)隻(zhi)有(you)期(qi)望(wang)最(zui)大(da)值(zhi)的(de)三(san)分(fen)之(zhi)二(er)左(zuo)右(you)，但(dan)令(ling)我(wo)們(men)滿(man)意(yi)的(de)是(shi)，我(wo)們(men)已(yi)經(jing)建(jian)立(li)了(le)鎖(suo)定(ding)的(de)鏈(lian)路(lu)，未(wei)來(lai)可(ke)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)參(can)考(kao)時(shi)鍾(zhong)和(he)優(you)化(hua)鏈(lian)接(jie)特(te)性(xing)實(shi)現(xian)目(mu)標(biao)性(xing)能(neng)。在(zai)建(jian)立(li)鎖(suo)定(ding)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，我(wo)們(men)確(que)認(ren)了(le)幾(ji)個(ge)關(guan)鍵(jian)的(de)鏈(lian)接(jie)參(can)數(shu)，從(cong)而(er)驗(yan)證(zheng)了(le)這(zhe)個(ge)樣(yang)機(ji)的(de)核(he)心(xin)假(jia)設(she)，具(ju)體(ti)有(you)以(yi)下(xia)幾(ji)點(dian)：

1. 多通道光纖鏈路解決方案可提供一個可行的結合了低速控製信號和高速數字信號的傳輸層
2. 編碼和解碼解決方案需支持所需的所有接口信號需求，至少是當前光纖收發器正常工作所需的所有信號
3. 關鍵的 SYNC 信號的成功編碼和解碼。這可為未來的相位陣列無線電設計提供支持。
4. 光纖完全支持無線電模擬前端和數字信號處理後端的物理分隔

　　結論

　　盡快我們沒有實現全速的數據信號，但這個使用超過 10mideguangxiandeshiyanshejiyibeizhengmingshikekaode，suirantadeshujulvbimubiaozhidiyixie。ciwai，yidanjianlilelianjietongbu

，yangjijiukebujianduandiyunxing，bingqiebuhuidiushilianjiesuodinghuogaibianbitecuowulv(BER)。更棒的是
，我們使用 Radiall 光纖收發器 為(wei)光(guang)纖(xian)調(tiao)製(zhi)電(dian)流(liu)提(ti)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)，可(ke)進(jin)一(yi)步(bu)調(tiao)整(zheng)光(guang)纖(xian)傳(chuan)輸(shu)特(te)性(xing)。我(wo)們(men)確(que)信(xin)，通(tong)過(guo)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)優(you)化(hua)，數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)能(neng)力(li)會(hui)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)強(qiang)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)全(quan)速(su) 12.8Gbps 的傳輸。

　　在(zai)我(wo)們(men)宣(xuan)稱(cheng)實(shi)驗(yan)成(cheng)功(gong)之(zhi)前(qian)，有(you)幾(ji)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)問(wen)題(ti)需(xu)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)驗(yan)證(zheng)。其(qi)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)驗(yan)證(zheng)更(geng)廣(guang)泛(fan)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)確(que)定(ding)性(xing)多(duo)通(tong)道(dao)操(cao)作(zuo)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)，而(er)不(bu)是(shi)簡(jian)單(dan)的(de)單(dan)接(jie)收(shou)的(de)SYNC 解碼。此外
，這個問題的結論適用於不同的環境條件——特別是溫度和電壓變化的情況。

　　時shi間jian會hui證zheng明ming一yi切qie，但dan至zhi少shao迄qi今jin為wei止zhi的de進jin展zhan是shi令ling人ren鼓gu舞wu的de。現xian在zai，我wo們men正zheng站zhan在zai向xiang先xian進jin的de數shu字zi智zhi能neng微wei波bo天tian線xian設she計ji的de主zhu要yao解jie決jue方fang案an轉zhuan變bian的de邊bian緣yuan。