試想一下，是否有可能使用光纖互聯(lián)而不是銅線互聯(lián)，建立多通道微波無線電系統(tǒng)？這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 通過光纖簡化流采樣、控制和配置數(shù)據(jù)，以及參考時(shí)鐘和同步信號的無線電前端設(shè)計(jì)和信號分布，并減少線纜的重量
• 在未來的無線電設(shè)計(jì)中無需進(jìn)行銅介質(zhì)的信號布線，提供了更高的架構(gòu)自由度和靈活性，同時(shí)減少了串?dāng)_和信道間干擾，從而獲得更高的性能
• 光學(xué)概念證明可將前端模擬設(shè)計(jì)與后端數(shù)字信號處理分離，預(yù)示著由先進(jìn)電子波束轉(zhuǎn)向引領(lǐng)的增強(qiáng)操作全數(shù)字天線時(shí)代的到來

　　本文將詳細(xì)介紹 Teledyne e2v 公司用于驗(yàn)證光鏈路假說的實(shí)驗(yàn)方法，并評估其發(fā)展現(xiàn)狀。

　　如今，全球數(shù)據(jù)中心廣泛地使用大量的光鏈路，因此乍一看這種光纖傳輸?shù)脑O(shè)想可能不是特別具有創(chuàng)新性。右 邊的方框里展示了使用光纖的主要優(yōu)點(diǎn)。

　　光纖的優(yōu)點(diǎn)

• 增強(qiáng)性能——沒有串?dāng)_，EMI 為 0
• 長距離通信 >> 20 m
• 減少重量，提高信號密度

　　然而，在無線電設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，我們需要解決一些新的工程挑戰(zhàn)。需要強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)方案旨在傳輸模擬信號環(huán)境和數(shù)字域的所有信號，因此必須處理低速控制信號和參考時(shí)鐘分布，最關(guān)鍵的是，必須確保確定性的多通道同步。原因在于，如果要實(shí)現(xiàn)理想的電子波束轉(zhuǎn)向，就必須保持信號空間（相位）的信息。

　　我們將討論如何高效使用 FPGA 的數(shù)字資源實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編碼和解碼引擎的高級架構(gòu)。我們還將詳細(xì)介紹項(xiàng)目通常會(huì)遇到的挑戰(zhàn)，以及如何維持系統(tǒng)范圍里的確定性。好消息是這個(gè)方案已被證明是可行的。讀者將深入了解這個(gè) 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(gè)問題。

　　1 能否通過光纖實(shí)現(xiàn)確定性數(shù)字相位陣列控制？, MWJ 2021 年 11 月

　　項(xiàng)目目標(biāo)

　　到目前為止，有兩個(gè)基于銅線的串行接口被用于連接寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器。它們是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JESD204 鏈接和 Teledyne e2v 的 無 需 許 可 證 的ESIstream 系統(tǒng)。

　　盡管光數(shù)據(jù)鏈路在現(xiàn)代的全球?qū)拵?yīng)用中有廣泛的應(yīng)用，但迄今為止，在無線電前端設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，很少有人努力用它取代傳統(tǒng)的銅線設(shè)計(jì)。這里提出的數(shù)字光纜（ODH）項(xiàng)目旨在探索一種光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路橋接的樣機(jī)的能力和局限性，需保證 4 種系統(tǒng)信號的可靠傳輸。它們是：

• 參考時(shí)鐘
• 所有頻率小于 100MHz 的單端信號，包括 SPI 和通用 I/O(GPIO)
• 用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍確定性采樣的專利的同步信號
• 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù)

　　在 Teledyne e2v 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的領(lǐng)域中，確定性（即抑制不必要的偽隨機(jī)亞穩(wěn)態(tài)）通過一種被稱為同步鏈的新型方法得以保證。同步鏈包含一個(gè)簡單的單沿同步信號的分布和一個(gè)同步標(biāo)志，使龐大的轉(zhuǎn)換器并行系統(tǒng)保持同步。然而，使用銅介質(zhì)時(shí)容易解決的問題，在使用光纖傳輸時(shí)變得更具挑戰(zhàn)性。

　　我們設(shè)計(jì)了一種基于光纖的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，以評估其作為銅線傳輸?shù)奶娲返倪m用性，并確定溫度和其他環(huán)境因素對其性能的影響。

　　在最初的實(shí)驗(yàn)階段，物理光纖鏈路的長度是 10 米，使微波射頻模擬端和數(shù)字處理域分開適當(dāng)?shù)木嚯x。

　　ODH實(shí)現(xiàn)

　　這個(gè)項(xiàng)目開始階段的主要挑戰(zhàn)有兩點(diǎn)：

1. 最重要的是保證相對慢速的控制信號的可靠傳輸
2. 傳輸無錯(cuò)誤的確定性同步信號至多個(gè)轉(zhuǎn)換器，保證系統(tǒng)級確定性和同步采樣。這一點(diǎn)目前仍在實(shí)驗(yàn)中。

　　先前的光纖鏈路的方案已支持控制信號和數(shù)據(jù)的傳輸。值得注意的是，英國林肯大學(xué)的一篇論文描述了一個(gè)基于 FPGA 的項(xiàng)目2，可組合 SPI 和 GPIO 數(shù)據(jù)并通過單一的光纖鏈路發(fā)送。

　　這篇論文描述了用于擴(kuò)展傳輸距離的數(shù)據(jù)編碼的方法，并闡述了面臨的挑戰(zhàn)。先前的結(jié)論是：

• 注意建立可靠的鏈路同步，需要主參考時(shí)鐘。
• 編碼是成功的關(guān)鍵因素。在所述的例子里，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。
• 最后，如果延遲很重要，例如對于這個(gè)實(shí)驗(yàn)工作，作者詳細(xì)說明了如何重新同步鏈路以補(bǔ)償已知的系統(tǒng)延遲。

圖 1 數(shù)字光纜的概念設(shè)計(jì)

　　之前的工作奠定了如今的樣機(jī)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（這里是 FPGA）配置為簡單的編碼引擎，以格式化、聚合和序列化從系統(tǒng) GPIO 和 SPI 消息直接生成的慢速控制向量。接著，編碼的消息向量和參考時(shí)鐘、離散編碼的同步信號一起通過三路并行光學(xué)線路傳輸。

　　2 跨通道同步由于亞穩(wěn)態(tài)而變得更加復(fù)雜。亞穩(wěn)態(tài)是一種數(shù)字系統(tǒng)固有的偽隨機(jī)行為，可通過精巧的設(shè)計(jì)來緩解。

　　實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

　　我們的樣機(jī)基于現(xiàn)有的高端 IC 評估系統(tǒng)。我們選擇了一個(gè)包含了 EV12AQ600 的高級微波前端板卡的系統(tǒng)。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(jī)提供了基于 FMC 的目標(biāo) ADC。EV12AQ600 直接安裝在一塊強(qiáng)大的信號處理(DSP)板卡上，使用標(biāo)準(zhǔn)的 FPGA 板卡格式（FMC）連接器。FMC為現(xiàn)有的互聯(lián)提供了有用的物理分隔，因此是改進(jìn)的基于光纖的數(shù)字傳輸層的理想接口，如圖所示。

　　考慮到所需的各種數(shù)字控制和時(shí)鐘信號需通過 FMC 接口橋接，我們需要三個(gè)離散的光纖通道以控制發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端 ADC 的信號。此外，我們還需要另外兩個(gè)通道處理發(fā)回 DSP 板卡的數(shù)據(jù)和 SSO 通信。

　　我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)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(jīng)過市場調(diào)研，Artix 7 FPGA 成為代碼引擎的合適的選擇。參考圖 2 所示的系統(tǒng)分區(qū)，很明顯對于未來的設(shè)計(jì)，可以很容易地將編碼引擎資源和 DSP FPGA 合并以降低成本。目前，我們只使用了不到 5%的 Artix 7 的資源。這是一款易于使用的樣機(jī)，可方便地進(jìn)行編程，因此用戶可在設(shè)計(jì)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(yuǎn)程訪問參考時(shí)鐘，因此樣機(jī)的解碼端需要一個(gè)本地的時(shí)鐘發(fā)生器。物理層是通過 Radiall D-lightsys® VCSEL 光纖驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器可支持從 100MHz 到 10GHz 的數(shù)據(jù)率，并在此范圍內(nèi)具有出色的時(shí)鐘抖動(dòng)性能。Radiall 的堅(jiān)固耐用的 D 光組合提供三種數(shù)據(jù)率等級（10Mbps、5Gbps 和 12Gbps）和多個(gè)封裝選項(xiàng)。這些器件被配置為四通道雙工收發(fā)器或 12 通道單工接收器/發(fā)射器。驅(qū)動(dòng)與協(xié)議無關(guān)，可提供標(biāo)準(zhǔn)LVDS 和 CML 電氣接口。

　　兩個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　這款樣機(jī)有兩個(gè)核心挑戰(zhàn)，它們是：

1. 對非切換同步信號編碼，以建立可靠的系統(tǒng)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

　　提供系統(tǒng)范圍的確定性同步

　　我們已在之前的幾篇論文里介紹了同步鏈。如前所述，如果要完全用光介質(zhì)替代銅介質(zhì)，同步鏈?zhǔn)浅晒εc否的關(guān)鍵因素。

　　在光纖上實(shí)現(xiàn)可靠的同步分布的挑戰(zhàn)是，同步信號通常是一個(gè)相對慢速的信號，其邏輯電平變化大約為 10ns?？紤]到同步信號的“無時(shí)鐘”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(shù)，可提供一種合適的解決方案。二進(jìn)制數(shù)據(jù)與時(shí)鐘相位有關(guān)（圖 2），可有效保證中位電平轉(zhuǎn)換，有助于保持直流平衡（銅介質(zhì)接口）并提供規(guī)律的數(shù)據(jù)邊沿來源，以確保光纖鏈路保持鎖定并可區(qū)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)系統(tǒng)所需的 SYNC 信號和參考時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。盡管這里可以看到在 SYNC 信號有效之前有一個(gè)穩(wěn)定的零數(shù)據(jù)流，但在半個(gè)參考時(shí)鐘周期內(nèi)，接收端成功識別了 SYNC 由低到高的轉(zhuǎn)變。

　　順便說一句，延遲可能會(huì)影響系統(tǒng)級同步，這也是保證銅介質(zhì)鏈接的確定性的挑戰(zhàn)之一。使用光纖時(shí)，延遲比使用銅線時(shí)低幾個(gè)數(shù)量級。因此，對于大多數(shù)的應(yīng)用，調(diào)整多陣列系統(tǒng)中不同的 SYNC 傳遞時(shí)間變成了一個(gè)可以忽略的小問題。這是光纖解決方案的優(yōu)點(diǎn)之一。

　　完全速率鏈接鎖定

　　成功與否取決于兩個(gè)因素。第一個(gè)因素是編碼引擎的數(shù)字設(shè)計(jì)所固有的。此外，編碼引擎依賴于嵌入式 PLL 以區(qū)分時(shí)鐘沿和同步到參考時(shí)鐘。

　　外部到編碼引擎的部分與光纖鏈接的特性有關(guān)。在較大的數(shù)據(jù)率范圍里，鏈路的性能有所不同。因此，光纖收發(fā)器需提供內(nèi)部的電流調(diào)制控制。我們還未測試樣機(jī)的這方面的特性，將在評估性能隨溫度變化的特性時(shí)進(jìn)一步研究。

　　到目前為止的成果

　　盡管我們進(jìn)行了大量的數(shù)字模擬，但還需在硬件就位并準(zhǔn)備好上電后，進(jìn)行實(shí)際的操作驗(yàn)證。也許盡管經(jīng)過了一輪嚴(yán)格的檢查，最初的設(shè)計(jì)還是存在一些微小的硬件錯(cuò)誤，需要進(jìn)一步修改和調(diào)整。

　　第一次上電令人失望。盡管我們進(jìn)行了大量的模擬工作，但事實(shí)證明，尋找阻礙接收端鎖定參考時(shí)鐘的原因是一件非常具有挑戰(zhàn)性的工作。我們開始懷疑接收的串行參考時(shí)鐘的質(zhì)量。當(dāng)我們將參考時(shí)鐘速率從 EV12AQ600標(biāo)稱的最大 12.8Gbps 線速率大幅降 低 至 9.0Gbps (4.5GHz 參考時(shí)鐘)，終于出現(xiàn)了令人期待的鏈接鎖定。

　　雖然這時(shí) ADC 輸出數(shù)據(jù)速率只有期望最大值的三分之二左右，但令我們滿意的是，我們已經(jīng)建立了鎖定的鏈路，未來可通過調(diào)整參考時(shí)鐘和優(yōu)化鏈接特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。在建立鎖定的過程中，我們確認(rèn)了幾個(gè)關(guān)鍵的鏈接參數(shù)，從而驗(yàn)證了這個(gè)樣機(jī)的核心假設(shè)，具體有以下幾點(diǎn)：

1. 多通道光纖鏈路解決方案可提供一個(gè)可行的結(jié)合了低速控制信號和高速數(shù)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(dāng)前光纖收發(fā)器正常工作所需的所有信號
3. 關(guān)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(shè)計(jì)提供支持。
4. 光纖完全支持無線電模擬前端和數(shù)字信號處理后端的物理分隔

　　結(jié)論

　　盡快我們沒有實(shí)現(xiàn)全速的數(shù)據(jù)信號，但這個(gè)使用超過 10米的光纖的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已被證明是可靠的，雖然它的數(shù)據(jù)率比目標(biāo)值低一些。此外，一旦建立了鏈接同步，樣機(jī)就可不間斷地運(yùn)行，并且不會(huì)丟失鏈接鎖定或改變比特錯(cuò)誤率(BER)。更棒的是，我們使用 Radiall 光纖收發(fā)器 為光纖調(diào)制電流提數(shù)字控制，可進(jìn)一步調(diào)整光纖傳輸特性。我們確信，通過進(jìn)一步的優(yōu)化，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)全速 12.8Gbps 的傳輸。

　　在我們宣稱實(shí)驗(yàn)成功之前，有幾個(gè)重要的問題需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。其中最重要的問題是驗(yàn)證更廣泛的系統(tǒng)級確定性多通道操作的可行性，而不是簡單的單接收的SYNC 解碼。此外，這個(gè)問題的結(jié)論適用于不同的環(huán)境條件——特別是溫度和電壓變化的情況。

　　時(shí)間會(huì)證明一切，但至少迄今為止的進(jìn)展是令人鼓舞的?，F(xiàn)在，我們正站在向先進(jìn)的數(shù)字智能微波天線設(shè)計(jì)的主要解決方案轉(zhuǎn)變的邊緣。