在千兆位速率串行链路系统结构设计中,工程师认为信号抖动问题最为复杂,它将对数据传输的可靠性产生重要影响。本文阐述的中继器和重定时器可以克服这些困难,若精心设计,则可以设计符合所有与抖动相关的行业规范的信号。
Bob Rumer
存储通信部的副总裁
Vitesse半导体公司
rumer@。
近年来,随着对复杂电子商务和任务先决系统需求的迅速增长,存储区域网(SAN)和网络连接存储器(NAS)在通信市场上得到了极大关注。乐观地看,将来这些系统将广泛应用在数据库、网页、视频流和点播电影等方面。
设计工程师最关心的当然是SAN和NAS设备快速访问文件的能力。仅仅可以定位音频片段、视频片段和大型数据库是不够的；快速访问和下载数据才是关键。在这方面,光纤信道成为实现SAN和NAS设备的快速而可靠的方法。
光纤信道使用高速串行链路,以1.0625或2.125Gbps的数据率将服务器、交换机、路由器、磁盘阵列、磁带系统和RAID控制器互连成复杂且冗余的网络,即使某网络部件失效,用户仍然能够访问数据。由光纤信道派生出的SAN结构,经过持续的技术复合和创新,解决了一系列数据高可用性问题。设计工程师在实现这些系统时必须确保物理层的互操作性,以便用户日后可靠地升级系统。
加快连接速度
在光纤信道的发射源,用8B/10B编码方案将8位原数据编码成10位字符。该编码方案把几个串行数据通信的关键特性赋予被编码数据。10位数据通过高速差分输出缓冲器串行化并传输到铜线上或光收发器里。这是通过使用正射极耦合逻辑(PECL)或电流模式逻辑(CML)的输出缓冲器完成的。
在光纤信道的另一端,铜线的高速差分数据输出或光收发器的输出传入高速差分输入缓冲器,它驱动一个时钟和数据恢复(CDR)单元。该CDR从串行数据中提取一个比特率时钟,采样数据,然后将它进行解串处理并解码成8位原数据。解串器将恢复后的串行数据排列在8位并行总线上,串行数据流的对齐边界用一个截然不同的7位分隔符(0011111)标识。接下来,用更高层的功能模块处理这组并行数据。
8B/10B编码是有效的串行通信手段,通过调节传输信号以简化接收器的实现。8B/10B将原数据编码成为10位字符,它确保边缘密度(平均30%)和有限的运行长度(最大5位),使CDR更容易设计。此外,8B/10B也确保维持铜线上的直流均衡,以使接收器的输入没有直流(DC)漂移。由于采用8B/10B编码,链路可以是交流(AC)耦合的,这样就给任一端的设备厂商提供了更大的灵活性。
在大多数的串行协议中,都假设发送系统和接收系统不同步。在光纤信道中,网络的每一端通常使用频率容差为±100PPM的振荡器,以使接收器收到的数据的波特率和接收器本身基准时钟频率差在±200 PPM之内。所有数据恢复电路功能模块,无论是串行或并行,都必须适应这一频率偏移。
信号抖动问题
当串行信号到达接收器时,其中可能已经掺杂了各种形式的信号抖动,给可靠无误地恢复数据增加了难度。信号抖动是信号的边界偏离了理想的位置,造成信号抖动的原因很多。随机信号抖动是无界的高斯抖动(主要由热噪声引起),在发送器和光收发器里的时钟乘法器中产生。
由于随机信号抖动的存在,链路有某个特定位误码率(BER)指标,通常优于10-12。在光纤信道速率为1.0625Gbps时,大约每15分钟有一个误码位。实际系统比行业规范好得多,可靠的数据通信产品需要假定一个最坏情况的BER,然后设计实现可靠的恢复机制,从而完成无错传输。
另一类要探讨的抖动是由传输系统的电路效应引起的确定性信号抖动、定时失真和不规则信号。扰动是由链路中很多因素引起的,但只要能将它限制在一定阈值内,接收器就可以可靠地排除确定性信号抖动。很多确定性信号抖动是由传输系统的带宽限制引起的,并导致信号中的数据发生相应变化。
在实际应用中,有时很差的信号会输入系统,接收器必须可靠地将它恢复。通常,接收器通过一个基于锁相环(PLL)的CDR来实现。这些系统中PLL的环路带宽通常在MHz级,具有一定的抖动容差能力。如果将信号抖动视为在信号边界位置的一个正弦变量,那么信号抖动的频率指的是边界相对于理想位置移动的速率,抖动的振幅是指偏离理想位置的绝对位移。
CDR的PLL能可靠地修复串行数据中振幅小于某一阈值的正弦抖动。这个阈值振幅随信号抖动的频率变化。频率低于PLL环路带宽的信号抖动是可跟踪的,而信号抖动高于带宽时则不能跟踪。通常,接收器的环路带宽越高,信号抖动的容差也越高。
复杂的串行系统
尽管典型的点对点连接能够满足某些系统集成者的要求,更多的系统则是用集线器、交换机和其它串行路由功能实体组建的,这些实体连接、控制并复制串行信号。系统间的双工连接通过多条迂回路由连接终端用户节点,提供了比点对点连接更大的灵活性和稳定性。
光纤信道比较复杂的应用之一是JBOD磁盘阵列。在这个阵列中,传入的串行数据被发送到所有正常运行的驱动器,并与所有非正常运行的驱动器隔离,然后,再将数据发送回来。
图1所示为一个典型的光纤信道仲裁环(FC-AL)JOBD。每个驱动器有两个光纤信道连接,是高可用系统的冗余访问方案。两套独立的电路用于将输入的串行数据(在A环或B环上)与磁盘驱动器相连。中继器和重定时器用在输入和输出端口,清理系统中各个方向的信号。
图1所示的光纤信道架构也包括端口旁路电路(PBC) 。这些电路用作高速串行多工器,将千兆位信号输入驱动器。
中继器、重定时器和PBC结合使用,组成一个包含所有正常运行的驱动器并隔离所有非正常运行的驱动器的真正的FC-AL。根据系统的大小和复杂性,可能会需要中间中继器。
中继器特性
本文提到的中继器是指将恢复的串行数据与恢复的时钟再次同步发送的CDR电路。中继器用于接收和重发串行数据,并在该过程中整理信号。中继器并非协议可寻址的实体,但仍认为它是网络连接中的一部分(请注意,在以太网等替代技术中,可能会用其它术语描述这一功能)。
在中继器中,串行输入数据被发送到中继器的PLL和CDR采样触发器(见图2)。PLL将一个1.0625或2.125GHz时钟同步到输入数据的上升沿、下降沿以及被恢复时钟的反相时钟以便在触发器中重新采样数据。
然后,重采样的数据通过输出缓冲器转发出去。某些实现方案需要一个外部控制输入LOCK2REF,使中继器在没有锁定数据时自动锁定到一个本地的参考时钟。其它中继器不需要LOCK2REF输入或参考时钟。
中继器比较简单、功耗较小、延迟也较小(通常为几个数据位的时间长度),但是,低于CDR PLL环路带宽的信号抖动将在不衰减的条件下继续发送,高于PLL环路带宽的抖动得以大大衰减。
光纤信道架构通常采用模拟中继器,但是,现代的专用数字中继器以其优越的性能日益普及。数字中继器具有卓越的抗抖动能力,使接收器能可靠而无错地恢复数据,而且降低抖动的传输率,即输入信号中有多少抖动传至输出。
总之,接收器的环路带宽越高,其抗抖动的能力就越高,但抖动的传输率就越高。通常,单级模拟中继器必须在高带宽(抗抖动的能力高,但抖动传输率高)和低带宽(抗抖动能力差,但抖动传输率低)之间做出折衷选择。
模拟与数字中继器的比较
图3所示为模拟中继器和数字中继器的抖动传输率。X轴是抖动信号的频率,Y轴是抖动输出与抖动输入的比值(单位是dB)。抖动传输率曲线所示的模拟中继器的环路带宽较高(15MHz),环路带宽是在-3dB传输率电平上测量的。
频率低于环路带宽的抖动信号会不经衰减从输入传到输出,而且,许多模拟中继器有抖动峰值点,在该点输入抖动在输出处激励了更高的抖动,通常它小于1dB,但限制了实际系统中可以级联的中继器的个数。
数字中继器有若干优点,首先,它在不同的过程、电压和温度下的工作特性能保持一致。两级数字中继器的实现方式如下:第一级是高环路带宽(约4MHz)的CDR,以抗信号抖动；第二级的环路带宽非常小(约75kHz),以减小传到下游设备的抖动。另外,由于它们不会达到峰值抖动,所以可以轻松地级联。将这些特性相结合,这个中继器就具有较好的抗抖动的性能、较低的抖动传输率、并且为非峰值系统设计。
重定时器
重定时器是指将恢复后的串行数据与本地参考时钟同步后重新发送的CDR。这个复杂的重定时器功能以信号延迟为代价降低了抖动的传输率。
由于输入数据的波特率和本地参考时钟之间可能不匹配(大约±200PPM),先入先出(FIFO)队列必须有添加/删除功能,以插入或删除称为“填充字”的40位序列,以弥补这一速率差异。由于降低了抖动传输率,信号质量得到了保证。典型的重定时器框图包括数字接收器、添加/删除FIFO调度器(scheduler)和一个用于重新发送的输出触发器(见图4)。
光纤信道协议层必须能够预料到数据已经被添加或删除了,并且作好了处理准备,该协议层是必不可少的。光纤信道是复杂数据通路,重定时器要在协议开发的早期提出。信息发送端必须在每个光纤信道消息帧间放置至少六个空闲序列。在接收端,至少放置两个空闲序列。这样,中间器件最多可以删除四个空闲序列。
由于添加/删除FIFO的数据由本地产生的参考时钟取出,输出端的信号抖动由中继器的输出和内部产生的位率时钟决定,而与输入的序列数据无关。
由于重定时器的复杂性增加,所以成本比较高。显然,功率增加了,但更重要的是,FIFO引入了高达数百位的延迟。网络的效率与每条路径的延迟成正比,所以重定时器增加的延迟降低了网络的效率。
如何选用中继器
通常,在系统的输出端或客户可能观察数据眼图的任何节点,复杂系统的设计工程师要应用重定时器。这保证了客户在重定时器的输出获得符合规范的数据。在其它地方使用中继器,可避免与重定时器有关的延迟,优化网络效率。尽管中继器可能将某些低频信号抖动从输入传至输出,但这个频率非常低,下游的接收器能可靠地恢复数据。
光纤信道中继器或重定时器的基本功能可用于其它协议,如千兆位以太网和无限宽带网。在以太网中,中继器等效于光纤信道重定时器。与光纤信道不同,千兆位以太网是由网络接口卡(NIC)和交换机之间的点到点连接组成。
以太网中继器用于同一个冲突检测域内的两个子网间,通常把一种介质类型转换至另一种介质类型,因此,以太网中继器比光纤信道复杂,必须支持多种物理层协议并且要提供管理功能。
在无限宽带网中,这些功能由“重定时中继器”完成,每个连接包含的重定时中继器不能超过两个。这一功能与光纤信道重定时器是等效的。为了适应输入数据和本地发送时钟之间的频率差异,重定时中继器可以在以K28.5字符开始的空符序列(初始为40位实体)内添加或删除空符(特殊的10位字)。由于无限宽带网由1倍、4倍或12倍宽的链路组成,重定时中继器可以设计成具有防止多信道信号滑帧功能。
光纤信道中继器的等效设备应用于以太网或无限宽带网,规范并未排斥这类应用。
作者简介:
作者Bob Rumer是Vitesse半导体公司存储通信部的副总裁,在加入Vitesse公司之前是Tandon、Philips Ultrasound和Beckman仪器公司的工程师,他毕业于加州大学伯克利分校,Email: rumer@。
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