引言
本文介紹了幾種可實現4K2K顯示需求的超高清LED顯示屏的10Gbps光纖控制系統設計方案,其中XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案性價比最高。
?
?
目前在市場上,夏普、東芝、三星、LG等公司相繼推出了4K2K超高清電視或裸眼3D電視(物理分辨率3840×2160),夏普的“ICC-4K”技術、東芝的“超解像”技術均可將當前的1080p信號倍線到3840×2160,4K2K規格無論是水平方向還是在垂直方向,都是現有主流全高清顯示設備1920×1080p分辨率的2倍,總像素數量達到了800萬以上,是全高清的4倍。
而在LED全彩顯示領域,因具有無限拼接特點,超過4K2K的LED顯示屏和3D LED顯示屏早已問世。不過當前市場主流LED顯示屏控制系統主要為近距離DVI輸入雙口千兆網模式和遠距離2~3.125Gbps光纖通訊模式,8位色階輸入時單板支持的最大分辨率僅能達到1280×1024(60Hz,無壓縮),若要支持超高分辨率顯示,必須采用多卡或多控制器系統,并搭配昂貴的視頻分割放大器才能實現,但支持的源信號輸入依然是1280×1024。顯然,當前的LED顯示屏控制系統已滯后于視頻和通信技術的發展,滿足不了市場和用戶的更高需求。為此,我們在研制前一代2~3.125Gbps LED顯示屏光纖控制器的基礎上,采用成熟的萬兆網通訊技術和器件,設計了一種支持HDMI 1.4a音視頻輸入的超高清LED顯示屏10Gbps光纖控制系統,大幅度提升了傳統LED顯示屏控制器的帶寬、功能和性價比。
總體設計方案
圖1所示為超高清LED顯示屏10Gbps光纖控制系統整體邏輯設計,分為發送和接收兩部分,其中發送部分包括HDMI輸入口、DVI輸入口、USB接口、ADV7619、CP2102、FPGA、DDR、Flash、PCIe插口、外設和光纖通訊,接收部分包括光纖通訊(與發送部分完全相同)、FPGA、10~12路千兆網PHY輸出矩陣、DDR、Flash、外設、音頻輸出和多功能接口。
1. 音視頻輸入
音視頻輸入解碼芯片采用AMD公司的HDMI/DVI雙輸入ADV7619代替傳統單視頻DVI芯片,支持HDMI 1.4a 36位色深1920×1080p高清電視、4k×2k超高清和3D電影視頻播放,支持HBR和DSD S/PDIF多種數字音頻格式。
2. 光纖通信
10Gbps光纖通訊設計是超高分辨率LED顯示屏單卡控制系統的關鍵環節,其構建和成本控制基于10G以太網技術,尤其是10G以太網物理接口的發展。10G以太網標準IEEE 802.3ae定義了在光纖上傳輸10G以太網的標準,傳輸距離從300m到80km。
其中IEEE 802.3ae根據光纖類型、傳輸距離等進一步細分為7種類型。實際上目前建立在Cisco光學標準10GBASE-ZR上,可傳80km的1,550nm冷卻型電吸收調制激光器(Cooled EML)也已問世。
在這些七種接口類型中,10GBASE-LX4使用了粗波分復用(CWDM)技術,把12.5Gbps數據流分成4路3.125Gbps數據流在光纖中傳播,由于采用了8B/10B編碼,因此有效數據流量是10Gbps。這種接口類型的優點是應用場合比較靈活,既可以使用多模光纖,應用于傳輸距離短對價格敏感的場合,也可以使用單模光纖,支持較長傳輸距離的應用。
10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的物理編碼子層(PCS)使用了效率較高的64B/66B編碼,在線路上傳輸的速率是10.3 Gbps。其中,10GBASE-SR使用850nm的激光器,在多模光纖上的傳輸距離是300m;10GBASE-LR和10GBASE-ER分別使用1,310nm和1,550nm的激光器,在單模光纖上的傳輸距離分別是10km和40km,適用于城域范圍內的傳輸,是目前的主流應用。
10GBASE-SW、10GBASE-LW和10GBASE-EW是應用于廣域網的接口類型,其傳輸速率和OC-192 SDH(同步數字體系)相同,物理層使用了64B/66B的編碼,通過WIS把以太網幀封裝到SDH的幀結構中去,并做了速率匹配,以便實現和SDH的無縫連接。
采用不同的萬兆網絡通訊器件構建超高分辨率LED顯示屏10Gbps光纖控制系統,有以下幾種方案,分述如下。
XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案:現在應用比較廣泛的10G光模塊有以下幾種:300PIN、XENPAK、XPAK、X2、XFP和SFP+。其中300PIN屬于第一代模塊,主要應用于SDH,把電接口改成10G以太網16位接口(XSBI)后也可應用于10G以太網;XENPAK是針對10G以太網推出的第一代光模塊,所需信號多,體積較大,價位也較高;XPAK和X2是XENPAK光模塊的直接改進版,體積縮小了40%;XFP(遵從XFP MSA/INF-8077i協議),采用可達9.95~11.09Gbps高速串行電接口XFI,是一種外形緊湊、類似于千兆以太網SFP的小型化可拔插光模塊,由于內含CDR,需要30位信號和161.25MHz的高頻時鐘輸入,故價格也不便宜,不利于10Gbps網絡的推廣;最新出現的SFP+(遵從IEEE 802.3ae、SFF-8431、SFF-8432協議)是在已成熟的1~4Gbps SFP光纖模塊基礎上推出的萬兆光模塊,因信號減少到20位,單電源供電,采用9.5328~11.10Gbps高速串行電接口SFI,并將信號調制功能、MAC、串行/解串器、時鐘和數據恢復(CDR),以及電子色散補償(EDC)功能全部移到主板卡,憑借其小型化低成本等優勢滿足了設備對光模塊高密度的需求,目前已經取代XFP成為10G市場的主流。
10Gbps SFP+光纖模塊國內生產商較多,包括華為、中興、思科、H3C、北電、網件、3COM、安捷倫、飛通、易飛揚、吉訊科技、乘光網絡、貝嶺科技等。例如易飛揚可傳300M的850nm VCSEL多模GPP-85192-SRC、可傳2KM的1,310nm DFB單模GPP-31192-02C、可傳10KM的GPP-31192-LRC/LRT SFP+光纖模塊等,一般都滿足:1. 光接口符合IEEE 802.3ae 10GBASE-LR;2. 電氣接口符合SFF-8431;3. 低功耗,熱插拔;4. PIN光電探測器;5. 全金屬外殼,卓越的EMI性能;6. 高級固件允許客戶系統加密,信息儲存于收發器中;7. 低成本高效益的SFP+解決方案,有利于更高端口密度和更大帶寬設計;8. 適用10.3125Gbps 10GBASE-SR及其它光學鏈接。
目前國內多模300M SFP+萬兆光模塊價位在850元可買到,單模2KM SFP+萬兆光模塊價位在1,250元左右,單模10KM SFP+萬兆光模塊價位在1,500元左右,超過10KM則需采用其它類型的萬兆光模塊如冷卻型萬兆光模塊,價格就比較昂貴了。SFP+模塊電氣接口符合SFI電氣規范,收發器的差分輸入輸出阻抗是100歐姆,PECL/CML電平,內部交流耦合。模塊提供差異終端匹配,減少了共模轉換對信號質量的影響。SFI高速串行總線在改進的FR4板材上布線長度超過200mm,在標準FR4板材上布線長度超過150mm,易于和FPGA匹配。從性價比和設計的簡易性考慮,采用10Gbps SFP+模式作本設計最為適宜。單路10Gbps光纖通訊邏輯設計如圖2(a)所示。
SFP+光纖模塊要求萬兆網PHY具有SFI高速串行接口,這類萬兆網PHY品種較多,例如Vitesse的VSC8486、PHYNetLogic的AEL1010(具有13x13mm,144針,1毫米球間距PBGA超小型封裝)。
VSC8486是一個局域網/廣域網XAUI或XGMII收發器,3Gbps XAUI數據轉換成10Gbps的XFI/SFI串行數據流,還配備了一個額外的全速率數據口,可以用于旁路監測或通道監控應用。VSC8486提供特殊的10Gbps混合信號數據性能輸出功能,可編程預加重,以延長銅連接。VSC8486高速串行I/O支持由IEEE 802.3ae和T11 10 GFC定義的9.9Gbps、10.3Gbps和10.5Gbps速率,并完全符合Bellcore GR253定義的SONET抖動規范。
VSC8486設備中有四個主要的數據處理模塊:XGXS、PCS、WIS和PMA。10GbE以太網的擴展子層(XGXS)接收運行在3.125Gbps的8B/10B數據,解碼后發送到物理編碼子層(PCS)。該XGXS具有處理通道間超過60bit間格的抗扭曲能力。PCS根據IEEE 802.3ae第49條規定64B/66B算法,對來自XGXS的10Gbps數據進行編碼。
PCS是一個可選的運行在64B/66B速率的擴展模式(E-PCS),這種擴展模式使用一個替代的框架算法,增加了前向糾錯FEC,提供約2.5dB的網絡電氣增益。PCS適用于局域網模式,但不適用于WAN模式。
PCS輸出數據到廣域網接口子層WIS(繞過局域網模式)。按IEEE 802.3ae第50條描述規定,WIS可對來自PCS的9.953Gbps數據和SONET STS-192C幀數據進行選擇。此外,WIS模塊包含擴展SONET和SDH的處理能力,允許系統充分利用有價值的性能監測數據。最后,數據傳遞到物理介質連接模塊PMA,PMA將內部多路并行總線數據轉化為10Gbps的數據流。
10Gbps到XAUI數據通道的執行操作和上述描述相反,其路徑上的顯著特點是擁有一個SONET兼容LOS監測器和一個完全兼容XFI/SFI規格(包括強制的眼圖要求)的10Gbps接收器。
SFI集成式10Gbps單路光纖通訊方案:單路10Gbps光纖通訊模式還有一種造價較高的全FPGA設計模式,外掛的10GbE PHY已嵌入FPGA內部,利用FPGA的SFI高速串行總線,直接和SFP+模塊接口,邏輯設計見圖2(b),其詳述見下文FPGA信息處理。
4×3.125Gbps多路光纖通訊方案:4×3.125Gbps多路光纖通訊方案是一種低成本、可靈活在3.125、6.25、9.75、12.5Gbps帶寬中選擇應用的單卡拼接方案,圖2(c)為邏輯設計。從圖可看出,它不需要外掛較昂貴的10Gbps串行器/解串器(SerDes),利用FPGA內嵌的4個3.125Gbps SerDes直接和4個4.25Gbps SFP光纖模塊接口。SFP光纖模塊應用廣泛,例如易飛揚可傳500M的GP-854G-S5x(D) 4.25Gbps SFP多模光纖模塊,可傳10KM的GP-314G-L1x(D)單模光纖模塊等。FPGA可從Altera較低檔的60nm Cyclone IV GX(3.125Gbps)、28nm Cyclone V GX(3.125Gbps)中選用。這兩種芯片均具有利于設計的以下特點:
1. 靈活而且容易配置的收發器數據通路,可實現工業標準和專用協議;2. 可編程預加重設置和可調差分輸出電壓(VOD),提高了信號完整性;3. 用戶可控的接收器均衡,增益達到7dB,補償物理介質的頻率相關損耗;4. 收發器動態重新配置,不需要對FPGA重新編程,支持同一通道上的多種協議和數據速率;5. 兼容PCI Express (PIPE)、XAUI和千兆以太網物理接口的專用電路;6. PIPE接口可直接連接嵌入式PCI Express Gen1和Gen2(2.5/5.0 Gbps)硬核知識產權(IP)或者軟核IP;7. 片內電源去耦合功能,不需要板上去耦電容,簡化了設計,滿足了高頻時的瞬變電流要求。
4×3.125Gbps多路光纖通訊方案在萬兆網網線和光纖通訊技術應用成本較高的早期無疑是一個值得推薦的方案,然而隨著萬兆網網線和光纖通訊技術應用日益發展成熟和成本的快速下降,其優越性已不明顯。同時4路光纖輸出占用了較大空間,加上HDMI/DVI、USB口和信號指示燈,很難做成插卡式,只能外置或舍棄DVI輸入口,要用DVI時采用DVI-HDMI轉換器。
2×6.25Gbps雙路光纖通訊方案:2×6.25Gbps兩路光纖通訊方案是在4×3.125Gbps多路光纖通訊方案上的改進,邏輯設計如圖2(d)所示。該方案利用FPGA內嵌的2個6.25Gbps SerDes直接和2個6.25Gbps SFP+光纖模塊接口,例如易飛揚可傳2KM的GPP-316G-02x 1,310nm單模SFP+模塊。FPGA可采用40nm Arria @II GX/GZ系列芯片,SerDes速率可達6.375Gbps。又如賽靈思Artix-7 FPGA中的GTP,也可達到6.6Gbps的速率。
該方案和4×3.125Gbps多路光纖通訊方案相比,全帶寬運行時成本相差不大,但在設計的簡易性和工作的可靠性上略勝一籌。由于該方案只有兩路光纖,占用空間較小,允許做成插卡式。
4×3.125Gbps多路和2×6.25Gbps兩路光纖通訊方案的優點是可根據LED顯示屏的實際分辨率靈活構建,在非全帶寬運行時成本較低,缺點是布線相對復雜,在全帶寬多路運行時成本未必占優勢,可靠性相對較低,并需要妥善解決各通道間的同步問題。而XAUI分離式和SFI集成式10Gbps單路光纖通訊方案集成度高,單路帶寬即達到10Gbps,布線簡單、可靠性也相對較高。從性價比和設計的難易程度各方面綜合考慮,顯然首推第一種分離式單路10Gbps光纖通訊方案為最優方案。
3. FPGA信息處理
大規模可編程芯片FPGA是超高分辨率LED顯示屏控制系統設計的核心,所有信息包括高清音視頻接收、緩存、轉換、輸出、控制信號嵌入、狀態顯示、DDR、Flash和外部設備管理等均由FPGA進行處理。與傳統的LED顯示屏控制系統比較,其最大不同在于10Gbps通訊。目前Altera、賽靈思、Lattice等主流FPGA制造商都能提供用于10GbE通訊的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器件都有內置收發器,為XAUI接口的實現提供專用模式。XAUI收發器模塊提供156.25MHz輸入參考時鐘和并行接口,帶有4通道時鐘數據恢復(CDR)接收器和4通道收發器陣列以及交流耦合差分接口和差分PCML驅動電路。收發器模塊嵌入了專用速率匹配和時鐘補償FIFO緩沖,還采用了1:16 SerDes、16:20變換器、8B/10B編碼和字對齊功能,所有這些功能都由專用XAUI狀態機進行控制。每組四通道還內置了通道對齊電路,以減小XAUI接口從XAUI源到宿的偏移。收發器可提供500%的預加重和高達17dB的均衡,以補償高頻損耗。
帶XAUI接口,并集成了物理編碼子層(PCS)、萬兆以太網MAC的FPGA內部邏輯結構通過XAUI接口和各種10GbE PHY器件相連。FPGA和原始視頻源的接口采用Altera的Avalon-ST用戶界面,64位寬度,運行在156.25MHz,具有10Gbps的全雙工吞吐速率,FPGA的MDIO接口提供了一個Avalon Memory-Mapped(Avalon-MM)內存映射MDIO的橋梁,用于控制外部10GbE PHY。至于FPGA內部的萬兆以太網MAC,因LED顯示屏本身不是局域網終端,屬于點對點高速通訊范疇,與傳統千兆網控制系統一樣,無需遵從萬兆以太網協議,故可不予采用而簡化設計。FPGA具體的軟件設計可從網上參考或下載Altera公司的萬兆以太網用戶手冊。
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器件中的收發器模塊符合所有的IEEE 802.3ae規范,包括沒有預加重時小于0.35單位間隔(UI)的抖動發生,以及最大峰峰值大于0.60UI的抖動容限。收發器模塊符合IEEE 802.3正弦抖動容限模板要求。萬兆以太網3.125Gbps×4通道單向數據傳送速率符合IEEE 802.3ae XAUI對物理層器件和上層器件鏈接的定義。
FPGA芯片技術發展很快,高檔FPGA芯片單個SerDes的速率已發展到100Gbps,某些高檔型號的FPGA已具備10.3Gpbs XFI/SFI高速串行接口,例如Altera 40nm的Stratix IV GX即內嵌10Gbps PHY,可直接外掛10Gbps XFP/SFP+光纖模塊,達到設計的最簡化。不利因素是此類FPGA芯片造價較高,目前主要用于通信、數字廣播、測試設備、大存儲系統高帶寬領域。另外賽靈思的Kintex-7和Virtex-7 FPGA中的GTX也提供了經濟高效的12.5Gbps光學與背板應用。
4. 其他模塊
采用Silicon Labs公司的USB轉UART橋接芯片CP2102代替傳統的RS-232口實現PC和FPGA通訊。CP2102包含USB 2.0全速功能控制器,工作時作為一個虛擬COM口使用,且滿足RS-232總線的波特率要求。
為和傳統LED顯示屏模組掃描控制器所用的千兆網PHY兼容,分配器采用10~12路千兆網PHY構成LED視頻輸出矩陣與LED顯示屏體的10~12個分區接口,足以支持4K2K、高色階或3D顯示。
音頻輸出、DDR、Flash、PCIe和外設部分的設計與常規設計相同,這里不再贅述。
結束語
綜上所述,超高清LED顯示屏10Gbps光纖控制系統具有多種設計方案,其中XAUI分離式10Gbps單路光纖通訊方案性價比最高。10Gbps光纖控制系統和傳統的2~3.125Gbps光纖控制方案相比,其優勢在于:1. DVI視頻解碼器被支持HDMI 1.4a的HDMI/DVI雙輸入解碼芯片替代,支持4K2K超高分辨率顯示、高色階顯示、3D顯示和音頻通道;2. 低檔FPGA芯片被具有一至多個高速SerDes串口的中高檔FPGA芯片替代,支持10GbE網絡通訊和PCIe通訊;3. 通訊邏輯總帶寬達10~12.5Gbps,是2×1Gbps的5~6倍;4. 接收器采用12路千兆網PHY輸出矩陣,可支持10~12個LED顯示屏體分區;5. 支持高保真立體聲音頻同步播放;6. 高帶寬支持發送端亮度、色度校正變換,簡化了LED顯示屏的點校正應用;7. 高度集成化設計,性價比高;8. 理想的高檔LED和液晶拼接墻控制器產品,尤其適用于超高清多媒體播放。
?
評論