滿足高速序列傳輸需求 採行整合收發器的FPGA解決方案

毫無疑問，很多市場領域和應用採用最新的序列通訊協定標準，包括有線通訊、無線通訊、測試和測量、運算、儲存、廣播、嵌入式處理和數位訊號處理(DSP)等。理解到序列通訊協定將被廣泛採用的FPGA供應商，便會將收發器整合到FPGA中，對客戶的需求作出積極回應。這些供應商面臨的挑戰是設計實現跨越多種資料速率的大範圍通訊協定標準，同時提供優異的訊號完整性。  

設計大速率範圍內的通用PMA  

收發器由實體媒體存取子層(PMA)和實體編碼子層(PCS)兩種模組構成。PMA主要處理類比訊號，而PCS主要是處理數位訊號。PMA在發送時將資料序列化，接收時解序列化。FPGA收發器設計人員面臨的挑戰是設計能夠在大範圍資料速率上工作的通用PMA，並在此範圍內提供最佳的訊號完整性。在單一資料速率上可以輕鬆設計PMA實現優異的抖動性能，但是在較大速率範圍內設計實現相同的性能則要困難得多。FPGA支援的速率範圍較大，可適用於多種通訊協定，常用範圍是622Mbps～6.375Gbps。  

此外還須考慮的是收發器通道的驅動類型，在FR-4材料上驅動6.375Gbps訊號傳輸30英吋，例如背板應用，須要對訊號進行調理，而驅動622Mbps訊號傳輸幾十英吋則不須要訊號調理。當資料速率大於1Gbps，訊號穿過板上的電路板(PCB)走線時，由於會產生符號間干擾，訊號將會出現劣化。這種劣化也主要是由趨膚效應和介質損耗兩種現象所造成，任何訊號的高頻分量都會由於衰減而產生失真，其結果是導致眼框圖閉合。在PMA中置入發送預加重和接收均衡功能，可抵消趨膚效應，工作時可產生較大的眼框圖張開。這些基本PMA功能都是必需的，所有標準均可普遍採用。  

除了這些基本功能外，某些序列標準還對PMA有其他要求，以具有更強的專用特性。例如，PCI Express要求接收偵測、電氣空閒和展頻時鐘功能，而這些是其他序列標準不需要的。接收偵測功能使發射器能夠偵測通道的另一端是否有接收器。在另一側，發射器空閒時，電氣空閒功能使接收器能夠偵測通道另一端是否有發射器。  

高頻訊號在電路板上傳輸時能夠符合美國聯邦通訊委員會(FCC)要求的電磁輻射(EMR)是較關鍵的問題，在單一頻率上降低總EMR的一種方法是在較窄範圍內調製時鐘訊號，以便將輻射功率分散在一定的頻率範圍內。  

挑戰標準差異 設計PCS模組  

在PMA之上，序列協議的差異導致PCS模組的複雜化，例如，序列標準採用不同的編碼和解碼方案。同步光纖網路(Synchronous Optical Network, SONET)是最早的序列通訊協定，採用其他序列標準沒有使用的加擾編碼方案。最新的標準在很大程度上借鏡其他標準，例如光纖通道使用8b/10b編碼簡化PCS的實現。  

但是，標準之間的差異對PCS模組的影響較大。FPGA供應商面臨針對多種標準和專用通訊協定設計PCS模組的挑戰，還要為個別通訊協定進行訂製設計，以簡化每種通訊協定的實現過程。將關鍵PCS功能進行整合可實現與特定標準的相容，同時釋放出FPGA資源，以用於其他功能。  

將關鍵的、邏輯單元(LE)密集的功能在收發器PCS模組(硬式IP)中實現，將不重要的功能在FPGA架構(軟式IP)中實現，為設計方式之一。基於應用較廣、各種領域均有採用，以及與軟式IP相比較其功能實現的效率等考慮，可在通訊協定中提供硬式IP。此外，在收發器中加入一個8b/10b編/解碼器(圖1)，可支援多種標準和專用通訊協定，例如SRIO、PCI Express、XAUI和超高速乙太網路(Gigabit Ethernet, GbE)均使用8b/10b。  

對於PCI Express，這些收發器包括一個FPGA內部核心的管道(PIPE)相容介面，支援實體層所有的控制和訊號交換要求。這也使得收發器能夠相容於現有的、透過PIPE進行介面的PCI Express IP。對於GbE，收發器包括媒體存取控制單元(MAC)的同步、編碼、解碼和速率匹配功能。PCS還提供網路自動協商功能來協商速率，以及載波檢測和碰撞檢測訊號支援等。還可以為10Gb乙太網路XAUI通訊協定提供類似的支援，其收發器內部包括通道對齊等功能。  

帶有嵌入式收發器的高端FPGA經過設計，能夠為新興的大量序列通訊協定標準提供強大的解決方案，例如用於寬頻應用的GbE、PCI Express、XAUI和SRIO等。將特殊通訊協定功能整合在元件中可簡化這些流行通訊協定的實現過程，在某些情況下，提供相容所需的功能。然而，整合收發器的FPGA本身只是解決方案的一部分。一套完整的通訊協定方案包括FPGA、軟式IP、電路板、軟體、特徵和相容性報告、原理圖、布線圖和技術支援等。  

(本文作者為Altera產品行銷經理)