可实现超高清LED显示屏的光纤控制系统

可实现超高清LED显示屏的光纤控制系统本文介绍了几种可实现4K2K显示需求的超高清LED显示屏的10Gbps光纤控制系统设计方案，其中XAUI分离式10Gbps单路光纤通讯方案性价比最高。

目前在市场上，夏普、东芝、三星、LG等公司相继推出了4K2K超高清电视或裸眼3D电视（物理分辨率3840×2160），夏普的“ICC-4K”技术、东芝的“超解像”技术均可将当前的1080p信号倍线到3840×2160，4K2K规格无论是水平方向还是在垂直方向，都是现有主流全高清显示设备1920×1080p分辨率的2倍，总像素数量达到了800万以上，是全高清的4倍。

而在LED全彩显示领域，因具有无限拼接特点，超过4K2K的LED显示屏和3D LED显示屏早已问世。

不过当前市场主流LED显示屏控制系统主要为近距离DVI输入双口千兆网模式和远距离2~3.125Gbps光纤通讯模式，8位色阶输入时单板支持的最大分辨率仅能达到1280×1024（60Hz，无压缩），若要支持超高分辨率显示，必须采用多卡或多控制器系统，并搭配昂贵的视频分割放大器才能实现，但支持的源信号输入依然是1280×1024。

显然，当前的LED显示屏控制系统已滞后于视频和通信技术的发展，满足不了市场和用户的更高需求。

为此，我们在研制前一代2~3.125Gbps LED显示屏光纤控制器的基础上，采用成熟的万兆网通讯技术和器件，设计了一种支持HDMI 1.4a音视频输入的超高清LED显示屏10Gbps 光纤控制系统，大幅度提升了传统LED显示屏控制器的带宽、功能和性价比。

总体设计方案图1所示为超高清LED显示屏10Gbps光纤控制系统整体逻辑设计，分为发送和接收两部分，其中发送部分包括HDMI输入口、DVI输入口、USB接口、ADV7619、CP2102、FPGA、DDR、Flash、PCIe插口、外设和光纤通讯，接收部分包括光纤通讯（与发送部分完全相同）、FPGA、10~12路千兆网PHY输出矩阵、DDR、Flash、外设、音频输出和多功能接口。

1. 音视频输入音视频输入解码芯片采用AMD公司的HDMI/DVI双输入ADV7619代替传统单视频DVI芯片，支持HDMI 1.4a 36位色深1920×1080p高清电视、4k×2k超高清和3D电影视频播放，支持HBR和DSD S/PDIF多种数字音频格式。

2. 光纤通信10Gbps光纤通讯设计是超高分辨率LED显示屏单卡控制系统的关键环节，其构建和成本控制基于10G以太网技术，尤其是10G以太网物理接口的发展。

10G以太网标准IEEE 802.3ae定义了在光纤上传输10G以太网的标准，传输距离从300m到80km。

其中IEEE 802.3ae根据光纤类型、传输距离等进一步细分为7种类型。

实际上目前建立在Cisco光学标准10GBASE-ZR上，可传80km的1，550nm冷却型电吸收调制激光器（Cooled EML）也已问世。

在这些七种接口类型中，10GBASE-LX4使用了粗波分复用（CWDM）技术，把12.5Gbps 数据流分成4路3.125Gbps数据流在光纤中传播，由于采用了8B/10B编码，因此有效数据流量是10Gbps。

这种接口类型的优点是应用场合比较灵活，既可以使用多模光纤，应用于传输距离短对价格敏感的场合，也可以使用单模光纤，支持较长传输距离的应用。

10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理编码子层（PCS）使用了效率较高的64B/66B编码，在线路上传输的速率是10.3 Gbps。

其中，10GBASE-SR使用850nm的激光器，在多模光纤上的传输距离是300m；10GBASE-LR和10GBASE-ER分别使用1，310nm和1，550nm 的激光器，在单模光纤上的传输距离分别是10km和40km，适用于城域范围内的传输，是目前的主流应用。

10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是应用于广域网的接口类型，其传输速率和OC-192 SDH（同步数字体系）相同，物理层使用了64B/66B的编码，通过WIS把以太网帧封装到SDH的帧结构中去，并做了速率匹配，以便实现和SDH的无缝连接。

采用不同的万兆网络通讯器件构建超高分辨率LED显示屏10Gbps光纤控制系统，有以下几种方案，分述如下。

XAUI分离式10Gbps单路光纤通讯方案：现在应用比较广泛的10G光模块有以下几种：300PIN、XENPAK、XPAK、X2、XFP和SFP+。

其中300PIN属于第一代模块，主要应用于SDH，把电接口改成10G以太网16位接口（XSBI）后也可应用于10G以太网；XENPAK是针对10G 以太网推出的第一代光模块，所需信号多，体积较大，价位也较高；XPAK和X2是XENPAK光模块的直接改进版，体积缩小了40%；XFP（遵从XFP MSA/INF-8077i协议），采用可达9.95~11.09Gbps高速串行电接口XFI，是一种外形紧凑、类似于千兆以太网SFP的小型化可拔插光模块，由于内含CDR，需要30位信号和161.25MHz的高频时钟输入，故价格也不便宜，不利于10Gbps网络的推广；最新出现的SFP+（遵从IEEE 802.3ae、SFF-8431、SFF-8432协议）是在已成熟的1~4Gbps SFP光纤模块基础上推出的万兆光模块，因信号减少到20位，单电源供电，采用9.5328~11.10Gbps高速串行电接口SFI，并将信号调制功能、MAC、串行/解串器、时钟和数据恢复（CDR），以及电子色散补偿（EDC）功能全部移到主板卡，凭借其小型化低成本等优势满足了设备对光模块高密度的需求，目前已经取代XFP成为10G市场的主流。

10Gbps SFP+光纤模块国内生产商较多，包括华为、中兴、思科、H3C、北电、网件、3COM、安捷伦、飞通、易飞扬、吉讯科技、乘光网络、贝岭科技等。

例如易飞扬可传300M的850nm VCSEL多模GPP-85192-SRC、可传2KM的1，310nm DFB单模GPP-31192-02C、可传10KM的GPP-31192-LRC/LRT SFP+光纤模块等，一般都满足：1. 光接口符合IEEE 802.3ae 10GBASE-LR；2. 电气接口符合SFF-8431；3. 低功耗，热插拔；4. PIN光电探测器；5. 全金属外壳，卓越的EMI性能；6. 高级固件允许客户系统加密，信息储存于收发器中；7. 低成本高效益的SFP+解决方案，有利于更高端口密度和更大带宽设计；8. 适用10.3125Gbps 10GBASE-SR及其它光学链接。

目前国内多模300M SFP+万兆光模块价位在850元可买到，单模2KM SFP+万兆光模块价位在1，250元左右，单模10KM SFP+万兆光模块价位在1，500元左右，超过10KM则需采用其它类型的万兆光模块如冷却型万兆光模块，价格就比较昂贵了。

SFP+模块电气接口符合SFI电气规范，收发器的差分输入输出阻抗是100欧姆，PECL/CML电平，内部交流耦合。

模块提供差异终端匹配，减少了共模转换对信号质量的影响。

SFI高速串行总线在改进的FR4板材上布线长度超过200mm，在标准FR4板材上布线长度超过150mm，易于和FPGA匹配。

从性价比和设计的简易性考虑，采用10Gbps SFP+模式作本设计最为适宜。

单路10Gbps光纤通讯逻辑设计如图2（a）所示。

SFP+光纤模块要求万兆网PHY具有SFI高速串行接口，这类万兆网PHY品种较多，例如Vitesse的VSC8486、PHYNetLogic的AEL1010（具有13x13mm，144针，1毫米球间距PBGA 超小型封装）。

VSC8486是一个局域网/广域网XAUI或XGMII收发器，3Gbps XAUI数据转换成10Gbps的XFI/SFI串行数据流，还配备了一个额外的全速率数据口，可以用于旁路监测或通道监控应用。

VSC8486提供特殊的10Gbps混合信号数据性能输出功能，可编程预加重，以延长铜连接。

VSC8486高速串行I/O支持由IEEE 802.3ae和T11 10 GFC定义的9.9Gbps、10.3Gbps 和10.5Gbps速率，并完全符合Bellcore GR253定义的SONET抖动规范。

VSC8486设备中有四个主要的数据处理模块：XGXS、PCS、WIS和PMA。

10GbE以太网的扩展子层（XGXS）接收运行在3.125Gbps的8B/10B数据，解码后发送到物理编码子层（PCS）。

该XGXS具有处理通道间超过60bit间格的抗扭曲能力。

PCS根据IEEE 802.3ae第49条规定64B/66B算法，对来自XGXS的10Gbps数据进行编码。

PCS是一个可选的运行在64B/66B速率的扩展模式（E-PCS），这种扩展模式使用一个替代的框架算法，增加了前向纠错FEC，提供约2.5dB的网络电气增益。

PCS适用于局域网模式，但不适用于WAN模式。

PCS输出数据到广域网接口子层WIS（绕过局域网模式）。

按IEEE 802.3ae第50条描述规定，WIS可对来自PCS的9.953Gbps数据和SONET STS-192C帧数据进行选择。

此外，WIS模块包含扩展SONET和SDH的处理能力，允许系统充分利用有价值的性能监测数据。

最后，数据传递到物理介质连接模块PMA，PMA将内部多路并行总线数据转化为10Gbps的数据流。

10Gbps到XAUI数据通道的执行操作和上述描述相反，其路径上的显著特点是拥有一个SONET兼容LOS监测器和一个完全兼容XFI/SFI规格（包括强制的眼图要求）的10Gbps接收器。

SFI集成式10Gbps单路光纤通讯方案：单路10Gbps光纤通讯模式还有一种造价较高的全FPGA设计模式，外挂的10GbE PHY已嵌入FPGA内部，利用FPGA的SFI高速串行总线，直接和SFP+模块接口，逻辑设计见图2（b），其详述见下文FPGA信息处理。

4×3.125Gbps多路光纤通讯方案：4×3.125Gbps多路光纤通讯方案是一种低成本、可灵活在3.125、6.25、9.75、12.5Gbps带宽中选择应用的单卡拼接方案，图2（c）为逻辑设计。

从图可看出，它不需要外挂较昂贵的10Gbps串行器/解串器（SerDes），利用FPGA 内嵌的4个3.125Gbps SerDes直接和4个4.25Gbps SFP光纤模块接口。

SFP光纤模块应用广泛，例如易飞扬可传500M的GP-854G-S5x（D） 4.25Gbps SFP多模光纤模块，可传10KM 的GP-314G-L1x（D）单模光纤模块等。