可实现超高清LED显示屏的光纤控制系统 - 全文

　　引言

　　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。FPGA可从Altera较低档的60nm Cyclone IV GX（3.125Gbps）、28nm Cyclone V GX（3.125Gbps）中选用。这两种芯片均具有利于设计的以下特点：

　　1. 灵活而且容易配置的收发器数据通路，可实现工业标准和专用协议；2. 可编程预加重设置和可调差分输出电压（VOD），提高了信号完整性；3. 用户可控的接收器均衡，增益达到7dB，补偿物理介质的频率相关损耗；4. 收发器动态重新配置，不需要对FPGA重新编程，支持同一通道上的多种协议和数据速率；5. 兼容PCI Express （PIPE）、XAUI和千兆以太网物理接口的专用电路；6. PIPE接口可直接连接嵌入式PCI Express Gen1和Gen2（2.5/5.0 Gbps）硬核知识产权（IP）或者软核IP；7. 片内电源去耦合功能，不需要板上去耦电容，简化了设计，满足了高频时的瞬变电流要求。

　　4×3.125Gbps多路光纤通讯方案在万兆网网线和光纤通讯技术应用成本较高的早期无疑是一个值得推荐的方案，然而随着万兆网网线和光纤通讯技术应用日益发展成熟和成本的快速下降，其优越性已不明显。同时4路光纤输出占用了较大空间，加上HDMI/DVI、USB口和信号指示灯，很难做成插卡式，只能外置或舍弃DVI输入口，要用DVI时采用DVI-HDMI转换器。

　　2×6.25Gbps双路光纤通讯方案：2×6.25Gbps两路光纤通讯方案是在4×3.125Gbps多路光纤通讯方案上的改进，逻辑设计如图2（d）所示。该方案利用FPGA内嵌的2个6.25Gbps SerDes直接和2个6.25Gbps SFP+光纤模块接口，例如易飞扬可传2KM的GPP-316G-02x 1，310nm单模SFP+模块。FPGA可采用40nm Arria @II GX/GZ系列芯片，SerDes速率可达6.375Gbps。又如赛灵思Artix-7 FPGA中的GTP，也可达到6.6Gbps的速率。

　　该方案和4×3.125Gbps多路光纤通讯方案相比，全带宽运行时成本相差不大，但在设计的简易性和工作的可靠性上略胜一筹。由于该方案只有两路光纤，占用空间较小，允许做成插卡式。

　　4×3.125Gbps多路和2×6.25Gbps两路光纤通讯方案的优点是可根据LED显示屏的实际分辨率灵活构建，在非全带宽运行时成本较低，缺点是布线相对复杂，在全带宽多路运行时成本未必占优势，可靠性相对较低，并需要妥善解决各通道间的同步问题。而XAUI分离式和SFI集成式10Gbps单路光纤通讯方案集成度高，单路带宽即达到10Gbps，布线简单、可靠性也相对较高。从性价比和设计的难易程度各方面综合考虑，显然首推第一种分离式单路10Gbps光纤通讯方案为最优方案。

　　3. FPGA信息处理

　　大规模可编程芯片FPGA是超高分辨率LED显示屏控制系统设计的核心，所有信息包括高清音视频接收、缓存、转换、输出、控制信号嵌入、状态显示、DDR、Flash和外部设备管理等均由FPGA进行处理。与传统的LED显示屏控制系统比较，其最大不同在于10Gbps通讯。目前Altera、赛灵思、Lattice等主流FPGA制造商都能提供用于10GbE通讯的FPGA芯片，例如Altera的Stratix V（GX和GT）、Stratix IV（GX和GT）、Cyclone IV GX，Stratix II GX、Arria系列和HardCopy IV GX器件都有内置收发器，为XAUI接口的实现提供专用模式。XAUI收发器模块提供156.25MHz输入参考时钟和并行接口，带有4通道时钟数据恢复（CDR）接收器和4通道收发器阵列以及交流耦合差分接口和差分PCML驱动电路。收发器模块嵌入了专用速率匹配和时钟补偿FIFO缓冲，还采用了1:16 SerDes、16:20变换器、8B/10B编码和字对齐功能，所有这些功能都由专用XAUI状态机进行控制。每组四通道还内置了通道对齐电路，以减小XAUI接口从XAUI源到宿的偏移。收发器可提供500%的预加重和高达17dB的均衡，以补偿高频损耗。

　　带XAUI接口，并集成了物理编码子层（PCS）、万兆以太网MAC的FPGA内部逻辑结构通过XAUI接口和各种10GbE PHY器件相连。FPGA和原始视频源的接口采用Altera的Avalon-ST用户界面，64位宽度，运行在156.25MHz，具有10Gbps的全双工吞吐速率，FPGA的MDIO接口提供了一个Avalon Memory-Mapped（Avalon-MM）内存映射MDIO的桥梁，用于控制外部10GbE PHY。至于FPGA内部的万兆以太网MAC，因LED显示屏本身不是局域网终端，属于点对点高速通讯范畴，与传统千兆网控制系统一样，无需遵从万兆以太网协议，故可不予采用而简化设计。FPGA具体的软件设计可从网上参考或下载Altera公司的万兆以太网用户手册。

　　Stratix V（GX和GT）、Stratix IV（GX和GT）、Cyclone IV GX（F23和更大器件）、HardCopy IV GX、Arria II GX、Stratix II GX以及Arria GX器件中的收发器模块符合所有的IEEE 802.3ae规范，包括没有预加重时小于0.35单位间隔（UI）的抖动发生，以及最大峰峰值大于0.60UI的抖动容限。收发器模块符合IEEE 802.3正弦抖动容限模板要求。万兆以太网3.125Gbps×4通道单向数据传送速率符合IEEE 802.3ae XAUI对物理层器件和上层器件链接的定义。

　　FPGA芯片技术发展很快，高档FPGA芯片单个SerDes的速率已发展到100Gbps，某些高档型号的FPGA已具备10.3Gpbs XFI/SFI高速串行接口，例如Altera 40nm的Stratix IV GX即内嵌10Gbps PHY，可直接外挂10Gbps XFP/SFP+光纤模块，达到设计的最简化。不利因素是此类FPGA芯片造价较高，目前主要用于通信、数字广播、测试设备、大存储系统高带宽领域。另外赛灵思的Kintex-7和Virtex-7 FPGA中的GTX也提供了经济高效的12.5Gbps光学与背板应用。

　　4. 其他模块

　　采用Silicon Labs公司的USB转UART桥接芯片CP2102代替传统的RS-232口实现PC和FPGA通讯。CP2102包含USB 2.0全速功能控制器，工作时作为一个虚拟COM口使用，且满足RS-232总线的波特率要求。

　　为和传统LED显示屏模组扫描控制器所用的千兆网PHY兼容，分配器采用10~12路千兆网PHY构成LED视频输出矩阵与LED显示屏体的10~12个分区接口，足以支持4K2K、高色阶或3D显示。

　　音频输出、DDR、Flash、PCIe和外设部分的设计与常规设计相同，这里不再赘述。

　　结束语

　　综上所述，超高清LED显示屏10Gbps光纤控制系统具有多种设计方案，其中XAUI分离式10Gbps单路光纤通讯方案性价比最高。10Gbps光纤控制系统和传统的2~3.125Gbps光纤控制方案相比，其优势在于：1. DVI视频解码器被支持HDMI 1.4a的HDMI/DVI双输入解码芯片替代，支持4K2K超高分辨率显示、高色阶显示、3D显示和音频通道；2. 低档FPGA芯片被具有一至多个高速SerDes串口的中高档FPGA芯片替代，支持10GbE网络通讯和PCIe通讯；3. 通讯逻辑总带宽达10~12.5Gbps，是2×1Gbps的5~6倍；4. 接收器采用12路千兆网PHY输出矩阵，可支持10~12个LED显示屏体分区；5. 支持高保真立体声音频同步播放；6. 高带宽支持发送端亮度、色度校正变换，简化了LED显示屏的点校正应用；7. 高度集成化设计，性价比高；8. 理想的高档LED和液晶拼接墙控制器产品，尤其适用于超高清多媒体播放。