通信工程中有線傳輸技術的應用及改進

宋仕澤，劉東坤，汪恒旭，羅 欽，喬志明

（山東科技大學濟南校區，山東 濟南 250031）

0 引 言

通信工程是一個廣義的概念[1]，其功能是實現有通信需求的雙方或多方之間的消息傳遞。消息的傳遞方式可以采用無線方式（即無線通信）或是基于有線傳輸介質（即有線通信）。無線通信采用電磁波技術在自由空間進行消息傳遞，在衛星通信、移動通信等領域用途廣泛；而有線通信技術是基于有線傳輸介質進行信息傳輸，傳輸介質可以為雙絞線、同軸電纜、背板和光纖等，其在工業控制、信息安全以及軍用專線通信等系統中應用廣泛[2]。

通信技術作為國家設施建設中的重要基礎技術之一，其技術水平直接影響一個國家的國際競爭力。面對信息技術的高速發展形勢，國內及國外多家研究機構都開始對新一代高速、高性能有線傳輸技術進行研究。以主流的以太網有線傳輸技術為例，作為安全信息系統中主要使用的有線傳輸技術，其核心的架構、規范標準的制定直至關鍵元器件產品的研制，主要由國外Broadcom、Interl、Marvell等公司完成。而國內的相關研究機構（如盛科、東土科技、中電24所等單位）也開始了相關元器件的研究，并已有多款產品供應市場，但尚不能完全替代所有關鍵元器件。此外，光纖技術作為高速寬帶網中主流的傳輸方式，其核心的基礎技術發展同樣受到了制約。面對上述不利因素，如何改進現有有線通信技術，以適應新的應用場景和需求成為當前亟待解決的問題[3]。

1 有線傳輸技術簡介及應用

按照傳輸介質的不同，有線傳輸技術可以分為雙絞線（屏蔽和非屏蔽）、光纖、同軸電纜和背板等傳輸技術；按照傳輸協議的不同，常用的有線傳輸協議可以分為以太網、光纖傳輸、1553B、CAN、SpaceWire、PCIe等協議。而上述不同傳輸協議的主要物理層傳輸介質為雙絞線、光纖和背板，以太網采用非屏蔽的雙絞線作為傳輸介質，光纖通道的傳輸介質為光纖，1553B、CAN和SpaceWire基于屏蔽雙絞線進行通信，PCIe則基于背板進行通信。下面主要介紹雙絞線、光纖、背板傳輸技術及其應用。

1.1 雙絞線傳輸技術

雙絞線具有較強的抗干擾能力、較遠的傳輸距離，而且具有布線相對簡單、便于節省空間和成本低廉等優勢。以太網、1553B、CAN和SpaceWire的物理層均采用該種傳輸介質，不同的是以太網采用非屏蔽的五類線，而1553B、CAN和SpaceWire則采用屏蔽雙絞線。

按照不同的數據傳輸速率，1553B、CAN屬于數據傳輸速率小于10 Mb/s的低速數據傳輸總線，SpaceWire的數據傳輸速率可達百兆級別，而以太網則可以基于雙絞線實現吉比特傳輸。針對不同傳輸需求，各種協議信號采用了不同的編碼方式，千兆以太網采用了8B/10B編碼，1553B采用了曼徹斯特Ⅱ編碼，CAN采用的編碼格式則是Intel和Motorola，而SpaceWire則采用DS編碼方式。除了協議之間的差異，以太網、1553B和CAN物理層的設置方面也有不同，以太網采用基于SerDes技術的GPHY結構，1553B采用曼徹斯特Ⅱ碼收發器，CAN的物理層采用的是CAN專用收發器，而SpaceWire采用低電壓差分信號LVDS收發器。

上述3種雙絞線傳輸技術在軍事、民用和工業控制領域應用十分廣泛，但3種協議之間的兼容性較差。以太網針對高速長距離傳輸應用，是當前信息系統所采用的主流傳輸技術，而1553B、CAN和SpaceWire主要針對應用于軍事領域，實現短距離專網通信。如何提升1553B、CAN和SaceWire的速率和傳輸距離，實現與以太網之間的互通，是軍用信息系統布局設計中需要考慮的問題。

1.2 光纖傳輸技術

光纖具有系統容量大、衰減較小、質量輕以及抗干擾能力強，適于遠距離傳輸的優勢。光纖通道、無源光網絡以及同步數字體系等采用光纖作為傳輸介質，不同點在于光纖通道主要具備熱插拔能力、高速高帶寬、支持遠程鏈接以及網絡容量大等特點，能為高級工作站、服務器、存儲系統提供高速以及高可靠的數據傳輸與存儲服務；無源光網絡以提高系統的可靠性為出發點，盡量避免雷電及電磁波的干擾，同時降低外圍設備及連接線路的故障發生率，以提供高速可靠通信服務；同步數字體系基于光纖、數字傳輸技術及軟件等基礎設施，以進一步提升系統的數據傳輸可靠性及有效性。

光纖傳輸系統的物理層通常采用高速串化與解串化技術（SerDes），該技術通過把并行數據轉換為串行數據進行傳輸，以避免傳統并行傳輸由于同步切換噪聲的制約而導致數據傳輸速率提升出現瓶頸的問題，很適合于進行高速數據傳輸（數據傳輸速率可以大于100 Gb/s）。SerDes技術基于8B/10B、128B/130B等編碼技術，采用發送器預加重、前饋濾波器、自適應增益調節、基于判決的濾波器技術以及時鐘數據恢復等數據處理技術，實現高可靠、高效率的數據傳輸。SerDes系統是光纖通信系統設計中的關鍵環節與核心器件，其性能直接制約著光纖通信系統的通信能力。因此，SerDes設計技術是光纖傳輸的關鍵技術，如何設計滿足要求的SerDes系統是光纖系統設計中需關注的重要問題。

1.3 背板傳輸技術

PCIe技術是背板傳輸技術的典型代表，其具備熱插拔、便于系統擴展的特點，可以統一計算機系統內部的總線接口，并提高數據傳輸速率和可靠性。PCIe系統中的每個用戶可以單獨占用帶寬，在提高傳輸速率的同時，為頻率的進一步提升提供前提條件。目前，PCIe 5.0標準已經發布（128 Gb/s），而6.0版本預計2021年發布，預期數據傳輸速率可達256 Gb/s，所采用的編碼形式為128B/130B，物理層同樣采用SerDes架構，并使用前項糾錯碼技術，以提升數據傳輸的性能。數據速率的提升對SerDes技術提出了更高的要求，其抗抖動、均衡器及時鐘數據恢復的設計是重點關注的問題。如何根據系統指標的分析、分解，合理設計SerDes系統，是高速背板傳輸技術中能決定系統性能的環節。

2 有線傳輸技術的可行改進方案

2.1 提升數據傳輸速率

數據傳輸速率的提升是協議傳輸技術保持生命力的重要手段，提升傳輸技術的數據傳輸速率可以改善系統的性能，滿足用戶對于通信系統性能改善的需求。

2.1.1 1553B、CAN

對于1553B和CAN協議，由于其應用系統沿用時間較長，但是協議新版本在數據速率上均未有顯著的提升，因此，可以在維持協議不變的情況下，自主開發物理層傳輸結構，以滿足速率提升的需要。

正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），是一種在無線通信（4G、5G）中廣泛成熟應用的基帶傳輸技術，其借助載波傳輸信號，能顯著提高頻譜利用率，并具備很好的抗噪聲性能，其典型系統如圖1所示。如圖1所示，OFDM系統主要由編解碼、交織/解交織、數字調制與解調、串并/并串、傅里葉與逆傅里葉變換、插入前綴與去除前綴、有模數/數模轉換和收發單元構成。

圖1 正交頻分復用系統收發機結構

由于正交頻分復用技術的優勢，其已被成熟應用于有線電力線傳輸系統，電力貓就是這種應用的代表。將1553B和CAN總線協議數據通過正交頻分復用技術進行多載波頻域傳輸，不僅可以大幅提升1553B和CAN總線的數據傳輸速率，而且可以通過基帶收發單元中的幅度調節功能單元，依據信號傳輸衰減的惡化程度自適應調節信號的幅度，以滿足被傳輸數據的接收可靠性，從而提升有線信號傳輸的可靠距離。

2.1.2 SpaceWire

目前，通過SpceWire的協議改進與速率提升，SpaceWire的數據傳輸速率已達400 Mb/s。但是，隨著傳輸速率需求的進一步提升，已有的SpaceWire傳輸系統已不再適合繼續沿用。因此，基于光纖傳輸介質的SpaceFibre成為SpaceWire的替代者。基于SpaceFibre實現吉比特數據傳輸速率已變為可能，采用光纖作為傳輸介質后，SpaceFibre可以采用SerDes技術進行物理層數據傳輸，以便于數據傳輸速率的進一步提升。SpaceFibre的速率提升問題，也就轉變成為SerDes的數據傳輸速率提升問題。

2.1.3 以太網

以太網技術基于IEEE802.3協議，而以太網速率的提升需要依據已有規范進行以太網系統的設計改進。以太網的有線傳輸技術主要涉及物理層的編碼、均衡、低功耗和數據發設計。基于雙絞線傳輸，以太網可以實現最高1 Gb/s的數據傳輸速率，要想繼續提升數據傳輸速率，則必須采用SerDes串行傳輸技術。

2.1.4 光 纖

針對光纖系統的數據傳輸速率提升需求，研究高性能的SerDes收發器，確保收發器的誤碼率及傳輸速率等指標滿足有線傳輸通信系統的研制要求。

2.2 提升有效數據傳輸距離

有線傳輸系統所采用的有線傳輸介質通常為信號有損傳輸介質，隨著傳輸距離的增加，所傳輸信號的質量不斷惡化。常常由于信號經過線纜衰減造成信號質量惡化，而無法被接收端接收，因此，有線信號傳輸系統通常會給出有線傳輸信號能被接收的距離上限。

常見的收發單元（如正交頻分復用的基帶收發系統和SerDes收發系統），為了接收端具有較好的接收性能，通常在接收器的最前端采用自適應增益調節單元，以便于調節接收信號的峰值，降低數據丟失概率。此外，對SerDes中涉及的抖動進行分析與測量，有針對性地采用去抖動算法，并提高時鐘數據恢復的準確性，降低由于數據傳輸過程中受到抖動影響而導致接收失敗的概率。

2.3 加速標準化進程

有線傳輸技術基于不同的有線傳輸介質及不同的數據處理上層協議進行數據的傳輸與處理。針對不同的有線傳輸介質要求，有線傳輸系統需要設計與之相符的物理層作為信息傳輸的媒介，但傳輸介質的不同，意味著物理層設計有所不同。此外，針對不同的應用場景，各種協議具有各自不同的協議特點。例如，在國產化需求日益強烈的今天，各個產品的研制單位根據產品的應用需求進行定向研制，但在國內市場上由于缺乏統一的研制標準，各產品供應商所推出的產品百家爭鳴，卻不利于供應商之間所研制產品的互聯互通。市場上可供選擇的產品種類繁多，但往往是專用產品居多，而通用產品較少。急需制定一個有線傳輸技術的上層規范，對產品的研制、測試、應用及接口特性進行約定，避免出現同一功能產品的重復研制而造成浪費。針對有線傳輸技術的物理層，同樣需要一個規范，對于各種不同傳輸介質的物理層進行約定，如按照數據速率進行劃分，明確特定數據傳輸速率下的物理層實現架構，為物理層的設計提供指導。

3 結 論

通信工程中的有線傳輸技術涉及的領域廣，不僅涉及上層協議，而且涉及最底層的物理層傳輸協議及不同的用戶應用場景。雙絞線、光纖及背板等傳輸介質存在物理特性上的差異，因此有不同的應用領域。用戶根據功能需要，選用不同的協議架構，構建有線傳輸通信系統。同時，依據用戶對于有線傳輸系統性能的提升需求，設計人員需要對有線傳輸系統進行性能改進，以符合通過產品售賣而實現盈利的預期目標。

提升有線傳輸技術的數據傳輸速率，是一個永恒的話題。技術規范的更新和產品的換代，均以此為出發點。采用已有成熟技術（如正交頻分復用），并進行技術融合，能滿足產品升級而規范沿用的需要；針對光纖、SerDes在高速數據傳輸中的優勢，研究新的光纖協議及高性能的SerDes收發系統，對于有線傳輸技術的改進具有重要意義。此外，針對技術協議、產品形式的多樣化，需要推出有線傳輸技術的行業標準，以實現上層傳輸協議的規范化及物理層架構的統一性，便于技術公關與產品形式的規范化。