2024年3月13日发(作者：从凌波)
设计诀窍Ｉ ＴＥＣＨ Ｎ ＩＣＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
可实现４ Ｋ２ Ｋ超高清Ｌ Ｅ Ｄ显示的
ｌ Ｏ Ｇ ｂ ｐｓ光纤控制系统
本文介绍了几种能满足４Ｋ２Ｋ显示需求的超高清ＬＥＤ显示屏１ ０Ｇｂｐｓ光纤控制系统设计方案，其
￣ｂＸＡＵ１分离式１ ０Ｇｂｐｓ单路光纤通讯方案性价比最高。
■魏洵佳
高级工程师
康佳集团股份有限公司
目前在市场上，夏普、东芝、 缩），若要支持超高分辨率显示，
发送部分包括ＨＤＭＩ输人口、ＤＶＩ
三星、ＬＧ等公司相继推出了４Ｋ２Ｋ 必须采用多卡或多控制器系统，并
输人口、ＵＳＢ接口、ＡＤＶ７６１ ９、
超高清电视或裸ＩＩＥ３Ｄ电视（物理分 搭配昂贵的视频分割放大器才能实
ＣＰ２１０２、ＦＰＧＡ、ＤＤＲ、Ｆｌａｓｈ、
ｅ插口、外设和光纤通讯，接收
辨率３８４０×２１６０），夏普的“ＩＣＣ一
现，但支持的源信号输入依然是
ＰｃＩ
Ｘ １０２４。显然，当前的ＬＥＤ显 部分包括光纤通讯（与发送部分完
４Ｋ”技术、东芝的“超解像”技
１２８０
术均可将当前的１０８０ｐ信号倍线到
示屏控制系统已滞后于视频和通信
全相同１、ＦＰＧＡ、１０～１２路干兆网
ａｓｈ、外
３８４０ Ｘ ２１６０，４Ｋ２Ｋ规格无论是水
技术的发展，满足不了市场和用户
ＰＨＹ输出矩阵、ＤＤＲ、Ｆｌ
平方向还是在垂直方向，都是现有
的更高需求。为此，我们在研制前
设、音频输出和多功能接口。
主流全高清显示设备１ ９２０×１ ０８０ｐ
８００万以上，是全高清的４倍。
一
代２～３．１２５Ｇｂｐｓ ＬＥＤ显示屏光纤 １．音视频输入
音视频输入解码芯片采用
分辨率的２倍，总像素数量达到了 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
ＡＭＤ公司的ＨＤＭＩ／ＤＶＩ双输入
芯片，支持ＨＤＭＩ １．４ａ ３６位色深
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。
而在ＬＥＤ全彩显示领域，因
持ＨＤＭＩ １．４ａ音视频输人的超高清 ＡＤＶ７６ ｌ ９代替传统单视频ＤＶＩ
具有无限拼接特点，超过４Ｋ２Ｋ的 ＬＥＤ显示屏１０Ｇｂｐｓ光纤控制系统，
ＬＥＤ显示屏和３Ｄ ＬＥＤ显示屏早已
大幅度提升了传统ＬＥＤ显示屏控制
１９２０×１０８０ｐ高清电视、４ｋ Ｘ ２ｋ
问世。不过当前市场主流ＬＥＤ显
器的带宽、功能和性价比。
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 总体设计方案
２～３．１２５Ｇｂｐｓ光纤通讯模式，８位色
０Ｇｂｐｓ光纤控制系统整体逻辑设
阶输入时单板支持的最大分辨率
１
图１所示为超高清ＬＥＤ显示屏
２．光纤通信
１ ０Ｇｂｐｓ光纤通讯设计是超高
仅能达到１２８０×１０２４（６０Ｈｚ，无压
计，分为发送和接收两部分，其中 分辨率ＬＥＤ显示屏单卡控制系统的
发送器 接收分配器
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￣Ｅ］８０ｋｍ。
其中ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ根据光纤
Ｎ １：超高清ＬＥＤ显示屏１ ０Ｇｂｐｓ光纤控制系统整体逻辑设计。
类型、传输距离等进一步细分为７
３６ ｌ集成电路应用
ＴＥｃＨ Ｎ ＩｃＡＬ ＫＮＯＷＨＯＷ
Ｉ设计诀窍
（ａ） （ｂ）
图２：（ａ）单路１０Ｇｂｐｓ光纤通讯逻辑设计、（ｂ）单路集成式１ＯＧｂｐｓ方案、（ｃ）４ Ｘ ３．１２５Ｇｂｐｓ
多路光纤通讯方案、（ｄ）２ Ｘ ６．２５ＧｂｐｓＡ路光纤通讯方案。
种类型。实际上目前建立在Ｃｉｓｃｏ
１ ９２ ＳＤＨ（同步数字体系）相同，物
光学标准１ ０ＧＢＡＳＥ—ＺＲ上，可传
理层使用了６４Ｂ／６６Ｂ的编码，通过
８０ｋｍ的１，５５０ｎｍ冷却型电吸收调制
ＷＩＳ把以太网帧封装到ＳＤＨ的帧结
激光器（Ｃｏｏｌｅｄ ＥＭＬ）也已问世。
构中去，并做了速率匹配，以便实
在这些七种接口类型中， 现和ＳＤＨ的无缝连接。
１ ０ＧＢＡＳＥ—ＬＸ４使用了粗波分复用
采用不同的万兆网络通讯器件
ｆＣＷＤＭ）技术，把１２．５Ｇｂｐｓ数据流 构建超高分辨率ＬＥＤ显示屏１ ０Ｇｂｐｓ
分成４路３．１ ２５Ｇｂｐｓ数据流在光纤中
光纤控制系统，有以下几种方案，
传播，由于采用了８Ｂ／１０Ｂ编码，
分述如下。
因此有效数据流量是１ ０Ｇｂｐｓ。这种 ＸＡＵ１分离式１０ＧｂＰ ｓ单路
接口类型的优点是应用场合比较灵
光纤通讯方案：现在应用比较
活，既可以使用多模光纤，应用于
广泛的１０Ｇ光模块有以下几种：
传输距离短对价格敏感的场合，也
３００ＰＩＮ ＸＥＮＰＡＫ ＸＰＡＫ Ｘ２
可以使用单模光纤，支持较长传输 ＸＦＰ￣ＨＳＦＰ＋。其中３００ＰＩＮ属于第
距离的应用。
一
代模块，主要应用于ＳＤＨ，把
１ ０ＧＢＡＳＥ—ＳＲ、ｌ ０ＧＢＡＳＥ—ＬＲ
电接口改成１０Ｇ以太网１６位接口
和１ ０ＧＢＡＳＥ—ＥＲ的物理编码子层 （ｘｓｍ）后也可应用于１ＯＧ以太网；
（ＰＣＳ）使用了效率较高的６４Ｂ／６６Ｂ
ＸＥＮＰＡＫ是针对１０Ｇ以太网推出
编码，在线路上传输的速率是１０．３
的第一代光模块，所需信号多，
Ｇｂｐｓ。其中，１ ０ＧＢＡＳＥ．ＳＲ使用 体积较大，价位也较高；ＸＰＡＫ和
８５０ｎｍ的激光器，在多模光纤上的
Ｘ２是ＸＥＮＰＡＫ光模块的直接改进
传输距离是３００ｍ；１ ０ＧＢＡＳＥ．ＬＲ
版，体积缩小了４０％；ＸＦＰ（遵从
和１０ＧＢＡＳＥ．ＥＲ分别使用１，３１０ｎｍ
ＸＦＰ ＭＳＡ／ＩＮＦ一８０７７ｉ协议），采用
和１，５５０ｎｍ的激光器，在单模光
可达９．９５～１１．０９Ｇｂｐｓ高速串行电接
纤上的传输距离分别是１ ０ｋｍ和 口ＸＦ１，是一种外形紧凑、类似于
４０ｋｉｎ，适用于城域范围内的传
千兆以太网ＳＦＰ的小型化可拔插光
输，是目前的主流应用。
模块，由于内含ＣＤＲ，需要３０位信
ｌ ０ＧＢＡＳＥ—ＳＷ、１ ０ＧＢＡＳＥ—
号和１ ６１．２５ＭＨｚ的高频时钟输入，
ＬＷ＊ａ １０ＧＢＡＳＥ．ＥＷ是应用于广域
故价格也不便宜，不利于１０Ｇｂｐｓ
网的接口类型，其传输速率和０ｃ一
网络的推广；最新出现的ＳＦＰ＋（遵
从ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ、ＳＦＦ一８４３ １、ＳＦＦ一
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￣１１２０位，单电源
供电，采用９．５３２８～１ １．１ ０Ｇｂｐｓ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．８５ １ ９２．ＳＲＣ、可传２ＫＭ
的１，３１０ｎｍ ＤＦＢ单模ＧＰＰ一３１１９２—
０２Ｃ、可传１０ＫＭ的ＧＰＰ一３ １１９２一
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一８４３１；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
１ ０－３ １ ２５Ｇｂｐｓ １ ０ＧＢＡＳＥ—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
元左有，单模１０ＫＭ ＳＦＰ＋万兆光模
块价位在１，５００元左有，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
集成电路应用Ｉ ３７
设计诀窍ｌ ＴＥＣＨ Ｎ ＩＣＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
输出阻抗是１Ｏ０欧姆，ＰＥｃＬ／ＣＭＬ
ＷＩＳ和ＰＭＡ。１０ＧｂＥ以太网的扩展
ＳＦＩ集成式ｌＯＧｂｐｓ单路光纤通
电平，内部交流耦合。模块提供差 子层（ＸＧＸＳ）接收运行在３．１２５Ｇｂｐｓ 讯方案：单路１０Ｇｂｐｓ光纤通讯模
异终端匹配，减少了共模转换对
的８Ｂ／１０Ｂ数据，解码后发送到物理 式还有一种造价较高的全ＦＰＧＡ设
信号质量的影响。ＳＦＩ高速串行总
编码子层（ＰＣＳ）。该ＸＧＸＳ具有处
计模式，外挂的１０ＧｂＥ ＰＨＹ已嵌
线在改进的ＦＲ４板材上布线长度超
理通道间超过６０ｂｉｔ间格的抗扭曲能 入ＦＰＧＡ内部，利用ＦＰＧＡ的ＳＦＩ高
过２００ｒａｍ，在标准ＦＲ４板材上布线
力。ＰＣＳ根据ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ第４９条 速串行总线，直接和ＳＦＰ＋模块接
长度超过ｌ５０ｍｍ，易于和ＦＰＧＡ匹
规定６４Ｂ／６６Ｂ算法，对来自ＸＧＸＳ 口，逻辑设计见图２（ｂ），其详述见
配。从性价比和设计的简易性考
的１ ０Ｇｂｐｓ数据进行编码。
虑，采用１ ０Ｇｂｐｓ ＳＦＰ＋模式作本设
逻辑设计如图２（ａ）所示。
Ｐ Ｃ Ｓ是一个可选的运行在
下文ＦＰＧＡ信息处理。
４×３．１２５Ｇｂｐｓ多路光纤通讯
方案：４ Ｘ ３．１２５Ｇｂｐｓ多路光纤通
计最为适宜。单路１ ０Ｇｂｐｓ光纤通讯 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 讯方案是一种低成本、可灵活在
ＳＦＰ＋光纤模块要求万兆网 架算法，增加了前向纠错ＦＥＣ，提
３．１２５、６．２５、９．７５、１２．５Ｇｂｐｓ带宽
ＰＨＹ具有ＳＦＩ高速串行接口，这类
供约２．５ｄＢ的网络电气增益。ＰＣＳ
中选择应用的单卡拼接方案，图
ｃ）为逻辑设计。从图可看出，它
万兆网ＰＨＹ品种较多，例￣ＨＶｉｔｅｓｓｅ
适用于局域网模式，但不适用于
２（
的ＶＳＣ８４８６、ＰＨＹＮｅｔＬｏｇｉｃ的
ＷＡＮ模式。
ＡＥＬ１０１０（具有１３ｘｌ３ｒａｍ，１４４针，
１毫米球间距ＰＢＧＡ超小型封装）。
不需要外挂较昂贵的１０Ｇｂｐｓ串行
ＰＣＳ输出数据到广域网接口子 器／解串器（ＳｅｒＤｅｓ），利用ＦＰＧＡ内
层ＷＩＳ（绕过局域网模式）。按ＩＥＥＥ 嵌的４个３．１ ２５Ｇｂｐｓ ＳｅｒＤｅｓ直接和
ＶＳＣ８４８６是一个局域网／广域
８０２．３ａｅ第５０条描述规定，ＷＩＳ可对
４个４．２５Ｇｂｐｓ ＳＦＰ光纤模块接口。
网ＸＡＵＩ或ＸＧＭＩＩ收发器，３Ｇｂｐｓ
来自ＰＣＳ的９．９５３Ｇｂｐｓ数据和ＳＯＮＥＴ
ＳＦＰ光纤模块应用广泛，例如易
ＸＡＵＩ数据转换成１ ０Ｇｂｐｓ的ＸＦＩ／ＳＦＩ
ＳＴＳ一１ ９２Ｃ帧数据进行选择。此外， 飞扬可传５００Ｍ的ＧＰ一８５４Ｇ—Ｓ５ｘ（Ｄ）
串行数据流，还配备了一个额外的
ＷＩｓ模块包含扩展ＳＯＮＥＴ和ＳＤＨ
４．２５Ｇｂｐｓ ＳＦＰ多模光纤模块，可传
全速率数据口，可以用于旁路监测 的处理能力，允许系统充分利用有 １ ０ＫＭ的ＧＰ一３ １ ４Ｇ—Ｌ １ ｘ（Ｄ）单模光纤
或通道监控应用。ＶＳＣ８４８６提供特 价值的性能监测数据。最后，数据 模块等。ＦＰＧＡ可从Ａｌｔｅｒａ较低档的
殊的１ ０Ｇｂｐｓ混合信号数据性能输
传递到物理介质连接模块ＰＭＡ，
连接。ＶＳＣ８４８６高速串行Ｉ／Ｏ支持 为１０Ｇｂｐｓ的数据流。
由ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ和Ｔ１ １ １０ ＧＦＣ定义
的９．９Ｇｂｐｓ、１０．３Ｇｂｐｓ和１０．５Ｇｂｐｓ速
行操作和上述描述相反，其路径上
６０ｎｍ Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ ＧＸ（３．１２５Ｇｂｐｓ）、
ｏｎｅ Ｖ ＧＸ（３．１２５Ｇｂｐｓ）中
出功能，可编程预加重，以延长铜
ＰＭＡ将内部多路并行总线数据转化
２８ｎｍ Ｃｙｃｌ
选用。这两种芯片均具有利于设计
１．灵活而且容易配置的收发
１ ０Ｇｂｐｓ￣ｑＸＡＵＩ数据通道的执
的以下特点：
率，并完全符合Ｂｅｌｌｃｏｒｅ ＧＲ２５３定 的显著特点是拥有一个ＳＯＮＥＴ兼
器数据通路，可实现丁业标准和专
义的ＳＯＮＥＴ抖动规范。
容ＬＯＳ监测器和一个完全兼容ＸＦＩ／ 用协议；２．可编程预加重设置和可
１０Ｇｂｐｓ接收器。
ＶＳＣ８４８６设备中有四个主要 ＳＦＩ规格（包括强制的眼图要求）的 调差分输出电压（ＶＯＤ），提高了信
的数据处理模块：ＸＧＸＳ、ＰＣＳ、
号完整性；３．用户可控的接收器
ｂｐｓ
ＸＡＵＩ
４×３．１２５Ｇｂｐｓ
ＸＦＩ／ＳＦ
ＷＡＮ
ｂｐｓ
图３：ＶＳＣ８４８６Ｎ部逻辑设计。
３８ ｌ集成电路应用
ＴＥｃＨ Ｎ ＩｃＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
ｌ设计诀窍
均衡，增益达￣［ｊ７ｄＢ，补偿物理介 方案只有两路光纤，占用空间较 换器、８Ｂ／１０Ｂ编码和字对齐功能，
质的频率相关损耗；４．收发器动
小，允许做成插卡式。
态重新配置，不需要对ＦＰＧＡ重新
所有这些功能都由专用ＸＡＵＩ状态
４ Ｘ ３．１ ２ ５ Ｇ ｂ Ｐ Ｓ多路和
机进行控制。每组四通道还内置了
２５Ｇｂｐｓ两路光纤通讯方案的 通道对齐电路，以减小ｘＡｕＩ接口
编程，支持同一通道上的多种协
２×６．
议和数据速率；５．兼容ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ
优点是可根据ＬＥＤ显示屏的实际分
从ＸＡＵＩ源到宿的偏移。收发器可
（ＰＩＰＥ）、ＸＡＵＩ和干兆以太网物理
辨率灵活构建，在非全带宽运行时
提供５００％的预加重和高达１７ｄＢ的
接口的专用电路；６．ＰＩＰＥ接口可 成本较低，缺点是布线相对复杂， 均衡，以补偿高频损耗。
直接连接嵌入式ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｇｅｎ １
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 Ｘ 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Ｈ￣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ＤＶ１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４×３．１ ２５Ｇｂｐｓ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一
３ １ ６Ｇ一０２Ｘ １，３ １ ０ｎｍ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。义如赛灵思Ａｒｔｉｘ一７
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
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
ＸＡＵ１分离式和ＳＦ１集成式１ ０Ｇｂｐｓ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１ ０Ｇｂｐｓ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＊ＮＰｂ部设备管理等均南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１ ０ＧｂＥ通讯的ＦＰＧＡ
芯片，例￣ｔｌＡｌｔｅｒａ的Ｓｔｒａｔｉｘ Ｖ（ＧＸ
和ＧＴ）、Ｓｔｒａｔｉｘ ＩＶ（ＧＸ和ＧＴ１、
Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ ＧＸ，Ｓｔｒａｔｉｘ ＩＩ ＧＸ、
Ａｒｒｉａ系列￣ＨＨａｒｄＣｏｐｙ 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１ ５６．２５ＭＨｚ输人参考时钟
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
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，运行住１５６．２５ＭＨｚ，具有
１ ０Ｇｂｐｓ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；ｆ１］ＧＴ）、Ｓｔｒａｔｉｘ
ＩＶ（ＧＸ＊Ｉ］ＧＴ）、Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ ＧＸ（Ｆ２３
和更大器件１、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￣ｇ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 Ｘ 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
集成电路应用Ｉ ３９
设计诀窍ＴＥＣＨ Ｎ ＩＣＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
档ＦＰＧＡ芯片单个ＳｅｒＤｅｓ的速率已 使用，且满足ＲＳ一２３２总线的波特率
其优势在于：１．ＤＶＩ视频解码器
发展到１００Ｇｂｐｓ，某些高档型号的
要求。
被支持ＨＤＭＩ １．４ａ的ＨＤＭＩ／ＤＶＩ双
高分辨率显示、高色阶显示、３Ｄ
ＦＰＧＡ已具备１０．３Ｇｐｂｓ ＸＦＩ／ＳＦＩ高
Ｓｔｒａｔｉｘ ＩＶ ＧＸＮｌ内嵌１０Ｇｂｐｓ ＰＨＹ，
为和传统ＬＥＤ显示屏模组扫 输入解码芯片替代，支持４Ｋ２Ｋ超
分配器采用１Ｏ～１２路干兆网ＰＨＹ构
显示和音频通道；２．低档ＦＰＧＡ芯
速串行接口，例￣ＷＡｌｔｅｒａ ４０ｎｍ的 描控制器所用的千兆网ＰＨＹ兼容，
可直接外挂１ ０Ｇｂｐｓ ＸＦＰ／ＳＦＰ＋光纤
成ＬＥＤ视频输出矩阵与ＬＥＤ显示屏
片被具有一至多个高速ＳｅｒＤｅｓ串
模块，达到设计的最简化。不利因
体的１０～１２个分区接口，足以支持
口的中高档ＦＰＧＡ芯片替代，支持
素是此类ＦＰＧＡ芯片造价较高，目
４Ｋ２Ｋ、高色阶或３Ｄ显示。
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。
１ ０ＧｂＥ网络通讯和ＰＣＩｅ通讯；３．通
音频输出、ＤＤＲ、Ｆ１ａｓｈ、
讯逻辑总带宽达１０～１２．５Ｇｂｐｓ，是
ＰＣＩｅ和外设部分的设计与常规设计 ２×ｌＧｂｐｓ的５～６倍；４．接收器采用
另外赛灵思的Ｋｉｎｔｅｘ一７和Ｖｉｒｔｅｘ．７
相同，这里不再赘述。
１２路干兆网ＰＨＹ输出矩阵，可支持
１０～１２个ＬＥＤ显示屏体分区；５．支
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
结束语
持高保真立体声音频同步播放；６．
综上所述，超高清ＬＥＤ显示屏
高带宽支持发送端亮度、色度校正
采用Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｓ公司的ＵＳＢ １ ０Ｇｂｐｓ光纤控制系统具有多种设 变换，简化了ＬＥＤ显示屏的点校正
转ＵＡＲＴ桥接芯片ＣＰ２ １ ０２代替传统 计方案，其中ＸＡＵ１分离式１０Ｇｂｐｓ 应用；７．高度集成化设计，性价比
的ＲＳ．２３２口实现ＰＣ和ＦＰＧＡ通讯。
单路光纤通讯方案性价比最高。
高；８．理想的高档ＬＥＤ Ｓ￣Ｉ］液晶拼接
多媒体播放。■
ＣＰ２ ｌ ０２包含ＵＳＢ ２．０全速功能控制 １ ０Ｇｂｐ Ｓ光纤控制系统和传统的
墙控制器产品，尤其适用于超高清
器，Ｔ作时作为一个虚拟ＣＯＭ口 ２～３．１２５Ｇｂｐｓ光纤控制方案相比，
（上接１７页）
ＣＰＵ可以进行图像处理，但是最新
一
除了上述新产品木身，通过对
编解码ＩＰ基于上一代成功的ＶＤＸ 代ＣＰＵ的处理能力连７２０Ｐ的图像 杜Ｉ：ＬＭＳ１１标准的支持，该公司的
产品线得到了进一步的完善， 仅
ＶＥＸ，支持多标『停主流标准，通
解析度都达不到，更不要说高清／
过多核架构可以灵活满足对单核／
全高清了。我们认为用专业的芯片
可以在同一颗ＳｏＣ中提供图形编解
双核／四核的支持，满足高清／全高
去做专业的事情，代价是最小的，
清／４Ｋ２Ｋ ６０ｆｐｓ的市场需求。
入了１０ｂｉｔ技术，Ａｈｍｅｄ表示：“现
Ｄ４５ｏ０ＭＰ／Ｅ４５００ＭＰ还首次引 解释道。
除了提供视频编解码ＩＰ外，
码方案，还能够提供音频、数字电
尽管该公司去年才刚刚进人中
国市场开始ＩＰ授权，但是已经取得
包括芯片面积、功耗和性能。”他
视接收、蓝牙方案。
ｎａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ同时可
了非常好的成绩。其主要的中同合
阶段我们可以看到已经有大量终
Ｉｍａｇｉ
端平板产品，包括ＯＬＥＤ屏幕和
以提供通讯基带ＩＰ。另外他们还
作伙伴包括海思、中兴、君正、炬
广色域的显示器都可以支持１０ｂｉｔ
拥有ＣＰＵ＋ＤＳＰ ＲＩＳＣ架构处理器
力、瑞芯等。同时该公司也和众多
色深。同时已经有单反相机ＲＡＷ
ＭＡＴＡ。Ａｈｍｅｄ表示：“在过去
ＯＥＭ厂商如联想等保持着很好的
及高端数码摄像机都已经可以支
几年，大家比较关注指令集架构
关系。
Ａｈｍｅｄ表示： “过去一年里中
持１０ｂｉｔ的数据采集。基于这样的
１ＲＣ，现在操作系统已经和底层
市场需求，我们首个推出了支持
ＣＰＵ指令集架构越来越独立，通过
国市场的业绩增长非常强劲，由此
１０ｂｉｔ的市场解决方案。”传统８ｂｉｔ
引入底层虚拟机引擎，可以很好地
也看出大陆的半导体产业发展速度
）（】
可以展示１，６００万种颜色，而１Ｏｂｉｔ
驱动所有ＣＰＵ架构。因此我们现在 非常快。截至目前已经有超过１【
ｄ也有了Ｘ８６版本。
技术可以展示超过ｌ０亿种颜色，从
看到了Ａｎｄｒｏｉ
款包含ＳＧＸ处理器ＩＰ的半导体芯片
而实现更平滑自然的灰阶过渡。
颗ＶＰＵ而不是ＣＰＵ呢？“不错，
ＭＡＴＡ的设计特点在于实时性和多 在设计之中。我们期待并欢迎更多
件多核更高效的技术。” 授权体系中来。”■
那么，为什么要独立使用一
线程性，我认为硬件多线程是比硬 的本土新兴合作伙伴加入到我们的
４０ Ｉ集成电路应用
2024年3月13日发(作者：从凌波)
设计诀窍Ｉ ＴＥＣＨ Ｎ ＩＣＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
可实现４ Ｋ２ Ｋ超高清Ｌ Ｅ Ｄ显示的
ｌ Ｏ Ｇ ｂ ｐｓ光纤控制系统
本文介绍了几种能满足４Ｋ２Ｋ显示需求的超高清ＬＥＤ显示屏１ ０Ｇｂｐｓ光纤控制系统设计方案，其
￣ｂＸＡＵ１分离式１ ０Ｇｂｐｓ单路光纤通讯方案性价比最高。
■魏洵佳
高级工程师
康佳集团股份有限公司
目前在市场上，夏普、东芝、 缩），若要支持超高分辨率显示，
发送部分包括ＨＤＭＩ输人口、ＤＶＩ
三星、ＬＧ等公司相继推出了４Ｋ２Ｋ 必须采用多卡或多控制器系统，并
输人口、ＵＳＢ接口、ＡＤＶ７６１ ９、
超高清电视或裸ＩＩＥ３Ｄ电视（物理分 搭配昂贵的视频分割放大器才能实
ＣＰ２１０２、ＦＰＧＡ、ＤＤＲ、Ｆｌａｓｈ、
ｅ插口、外设和光纤通讯，接收
辨率３８４０×２１６０），夏普的“ＩＣＣ一
现，但支持的源信号输入依然是
ＰｃＩ
Ｘ １０２４。显然，当前的ＬＥＤ显 部分包括光纤通讯（与发送部分完
４Ｋ”技术、东芝的“超解像”技
１２８０
术均可将当前的１０８０ｐ信号倍线到
示屏控制系统已滞后于视频和通信
全相同１、ＦＰＧＡ、１０～１２路干兆网
ａｓｈ、外
３８４０ Ｘ ２１６０，４Ｋ２Ｋ规格无论是水
技术的发展，满足不了市场和用户
ＰＨＹ输出矩阵、ＤＤＲ、Ｆｌ
平方向还是在垂直方向，都是现有
的更高需求。为此，我们在研制前
设、音频输出和多功能接口。
主流全高清显示设备１ ９２０×１ ０８０ｐ
８００万以上，是全高清的４倍。
一
代２～３．１２５Ｇｂｐｓ ＬＥＤ显示屏光纤 １．音视频输入
音视频输入解码芯片采用
分辨率的２倍，总像素数量达到了 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
ＡＭＤ公司的ＨＤＭＩ／ＤＶＩ双输入
芯片，支持ＨＤＭＩ １．４ａ ３６位色深
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。
而在ＬＥＤ全彩显示领域，因
持ＨＤＭＩ １．４ａ音视频输人的超高清 ＡＤＶ７６ ｌ ９代替传统单视频ＤＶＩ
具有无限拼接特点，超过４Ｋ２Ｋ的 ＬＥＤ显示屏１０Ｇｂｐｓ光纤控制系统，
ＬＥＤ显示屏和３Ｄ ＬＥＤ显示屏早已
大幅度提升了传统ＬＥＤ显示屏控制
１９２０×１０８０ｐ高清电视、４ｋ Ｘ ２ｋ
问世。不过当前市场主流ＬＥＤ显
器的带宽、功能和性价比。
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 总体设计方案
２～３．１２５Ｇｂｐｓ光纤通讯模式，８位色
０Ｇｂｐｓ光纤控制系统整体逻辑设
阶输入时单板支持的最大分辨率
１
图１所示为超高清ＬＥＤ显示屏
２．光纤通信
１ ０Ｇｂｐｓ光纤通讯设计是超高
仅能达到１２８０×１０２４（６０Ｈｚ，无压
计，分为发送和接收两部分，其中 分辨率ＬＥＤ显示屏单卡控制系统的
发送器 接收分配器
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￣Ｅ］８０ｋｍ。
其中ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ根据光纤
Ｎ １：超高清ＬＥＤ显示屏１ ０Ｇｂｐｓ光纤控制系统整体逻辑设计。
类型、传输距离等进一步细分为７
３６ ｌ集成电路应用
ＴＥｃＨ Ｎ ＩｃＡＬ ＫＮＯＷＨＯＷ
Ｉ设计诀窍
（ａ） （ｂ）
图２：（ａ）单路１０Ｇｂｐｓ光纤通讯逻辑设计、（ｂ）单路集成式１ＯＧｂｐｓ方案、（ｃ）４ Ｘ ３．１２５Ｇｂｐｓ
多路光纤通讯方案、（ｄ）２ Ｘ ６．２５ＧｂｐｓＡ路光纤通讯方案。
种类型。实际上目前建立在Ｃｉｓｃｏ
１ ９２ ＳＤＨ（同步数字体系）相同，物
光学标准１ ０ＧＢＡＳＥ—ＺＲ上，可传
理层使用了６４Ｂ／６６Ｂ的编码，通过
８０ｋｍ的１，５５０ｎｍ冷却型电吸收调制
ＷＩＳ把以太网帧封装到ＳＤＨ的帧结
激光器（Ｃｏｏｌｅｄ ＥＭＬ）也已问世。
构中去，并做了速率匹配，以便实
在这些七种接口类型中， 现和ＳＤＨ的无缝连接。
１ ０ＧＢＡＳＥ—ＬＸ４使用了粗波分复用
采用不同的万兆网络通讯器件
ｆＣＷＤＭ）技术，把１２．５Ｇｂｐｓ数据流 构建超高分辨率ＬＥＤ显示屏１ ０Ｇｂｐｓ
分成４路３．１ ２５Ｇｂｐｓ数据流在光纤中
光纤控制系统，有以下几种方案，
传播，由于采用了８Ｂ／１０Ｂ编码，
分述如下。
因此有效数据流量是１ ０Ｇｂｐｓ。这种 ＸＡＵ１分离式１０ＧｂＰ ｓ单路
接口类型的优点是应用场合比较灵
光纤通讯方案：现在应用比较
活，既可以使用多模光纤，应用于
广泛的１０Ｇ光模块有以下几种：
传输距离短对价格敏感的场合，也
３００ＰＩＮ ＸＥＮＰＡＫ ＸＰＡＫ Ｘ２
可以使用单模光纤，支持较长传输 ＸＦＰ￣ＨＳＦＰ＋。其中３００ＰＩＮ属于第
距离的应用。
一
代模块，主要应用于ＳＤＨ，把
１ ０ＧＢＡＳＥ—ＳＲ、ｌ ０ＧＢＡＳＥ—ＬＲ
电接口改成１０Ｇ以太网１６位接口
和１ ０ＧＢＡＳＥ—ＥＲ的物理编码子层 （ｘｓｍ）后也可应用于１ＯＧ以太网；
（ＰＣＳ）使用了效率较高的６４Ｂ／６６Ｂ
ＸＥＮＰＡＫ是针对１０Ｇ以太网推出
编码，在线路上传输的速率是１０．３
的第一代光模块，所需信号多，
Ｇｂｐｓ。其中，１ ０ＧＢＡＳＥ．ＳＲ使用 体积较大，价位也较高；ＸＰＡＫ和
８５０ｎｍ的激光器，在多模光纤上的
Ｘ２是ＸＥＮＰＡＫ光模块的直接改进
传输距离是３００ｍ；１ ０ＧＢＡＳＥ．ＬＲ
版，体积缩小了４０％；ＸＦＰ（遵从
和１０ＧＢＡＳＥ．ＥＲ分别使用１，３１０ｎｍ
ＸＦＰ ＭＳＡ／ＩＮＦ一８０７７ｉ协议），采用
和１，５５０ｎｍ的激光器，在单模光
可达９．９５～１１．０９Ｇｂｐｓ高速串行电接
纤上的传输距离分别是１ ０ｋｍ和 口ＸＦ１，是一种外形紧凑、类似于
４０ｋｉｎ，适用于城域范围内的传
千兆以太网ＳＦＰ的小型化可拔插光
输，是目前的主流应用。
模块，由于内含ＣＤＲ，需要３０位信
ｌ ０ＧＢＡＳＥ—ＳＷ、１ ０ＧＢＡＳＥ—
号和１ ６１．２５ＭＨｚ的高频时钟输入，
ＬＷ＊ａ １０ＧＢＡＳＥ．ＥＷ是应用于广域
故价格也不便宜，不利于１０Ｇｂｐｓ
网的接口类型，其传输速率和０ｃ一
网络的推广；最新出现的ＳＦＰ＋（遵
从ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ、ＳＦＦ一８４３ １、ＳＦＦ一
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￣１１２０位，单电源
供电，采用９．５３２８～１ １．１ ０Ｇｂｐｓ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．８５ １ ９２．ＳＲＣ、可传２ＫＭ
的１，３１０ｎｍ ＤＦＢ单模ＧＰＰ一３１１９２—
０２Ｃ、可传１０ＫＭ的ＧＰＰ一３ １１９２一
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一８４３１；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
１ ０－３ １ ２５Ｇｂｐｓ １ ０ＧＢＡＳＥ—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
元左有，单模１０ＫＭ ＳＦＰ＋万兆光模
块价位在１，５００元左有，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
集成电路应用Ｉ ３７
设计诀窍ｌ ＴＥＣＨ Ｎ ＩＣＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
输出阻抗是１Ｏ０欧姆，ＰＥｃＬ／ＣＭＬ
ＷＩＳ和ＰＭＡ。１０ＧｂＥ以太网的扩展
ＳＦＩ集成式ｌＯＧｂｐｓ单路光纤通
电平，内部交流耦合。模块提供差 子层（ＸＧＸＳ）接收运行在３．１２５Ｇｂｐｓ 讯方案：单路１０Ｇｂｐｓ光纤通讯模
异终端匹配，减少了共模转换对
的８Ｂ／１０Ｂ数据，解码后发送到物理 式还有一种造价较高的全ＦＰＧＡ设
信号质量的影响。ＳＦＩ高速串行总
编码子层（ＰＣＳ）。该ＸＧＸＳ具有处
计模式，外挂的１０ＧｂＥ ＰＨＹ已嵌
线在改进的ＦＲ４板材上布线长度超
理通道间超过６０ｂｉｔ间格的抗扭曲能 入ＦＰＧＡ内部，利用ＦＰＧＡ的ＳＦＩ高
过２００ｒａｍ，在标准ＦＲ４板材上布线
力。ＰＣＳ根据ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ第４９条 速串行总线，直接和ＳＦＰ＋模块接
长度超过ｌ５０ｍｍ，易于和ＦＰＧＡ匹
规定６４Ｂ／６６Ｂ算法，对来自ＸＧＸＳ 口，逻辑设计见图２（ｂ），其详述见
配。从性价比和设计的简易性考
的１ ０Ｇｂｐｓ数据进行编码。
虑，采用１ ０Ｇｂｐｓ ＳＦＰ＋模式作本设
逻辑设计如图２（ａ）所示。
Ｐ Ｃ Ｓ是一个可选的运行在
下文ＦＰＧＡ信息处理。
４×３．１２５Ｇｂｐｓ多路光纤通讯
方案：４ Ｘ ３．１２５Ｇｂｐｓ多路光纤通
计最为适宜。单路１ ０Ｇｂｐｓ光纤通讯 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 讯方案是一种低成本、可灵活在
ＳＦＰ＋光纤模块要求万兆网 架算法，增加了前向纠错ＦＥＣ，提
３．１２５、６．２５、９．７５、１２．５Ｇｂｐｓ带宽
ＰＨＹ具有ＳＦＩ高速串行接口，这类
供约２．５ｄＢ的网络电气增益。ＰＣＳ
中选择应用的单卡拼接方案，图
ｃ）为逻辑设计。从图可看出，它
万兆网ＰＨＹ品种较多，例￣ＨＶｉｔｅｓｓｅ
适用于局域网模式，但不适用于
２（
的ＶＳＣ８４８６、ＰＨＹＮｅｔＬｏｇｉｃ的
ＷＡＮ模式。
ＡＥＬ１０１０（具有１３ｘｌ３ｒａｍ，１４４针，
１毫米球间距ＰＢＧＡ超小型封装）。
不需要外挂较昂贵的１０Ｇｂｐｓ串行
ＰＣＳ输出数据到广域网接口子 器／解串器（ＳｅｒＤｅｓ），利用ＦＰＧＡ内
层ＷＩＳ（绕过局域网模式）。按ＩＥＥＥ 嵌的４个３．１ ２５Ｇｂｐｓ ＳｅｒＤｅｓ直接和
ＶＳＣ８４８６是一个局域网／广域
８０２．３ａｅ第５０条描述规定，ＷＩＳ可对
４个４．２５Ｇｂｐｓ ＳＦＰ光纤模块接口。
网ＸＡＵＩ或ＸＧＭＩＩ收发器，３Ｇｂｐｓ
来自ＰＣＳ的９．９５３Ｇｂｐｓ数据和ＳＯＮＥＴ
ＳＦＰ光纤模块应用广泛，例如易
ＸＡＵＩ数据转换成１ ０Ｇｂｐｓ的ＸＦＩ／ＳＦＩ
ＳＴＳ一１ ９２Ｃ帧数据进行选择。此外， 飞扬可传５００Ｍ的ＧＰ一８５４Ｇ—Ｓ５ｘ（Ｄ）
串行数据流，还配备了一个额外的
ＷＩｓ模块包含扩展ＳＯＮＥＴ和ＳＤＨ
４．２５Ｇｂｐｓ ＳＦＰ多模光纤模块，可传
全速率数据口，可以用于旁路监测 的处理能力，允许系统充分利用有 １ ０ＫＭ的ＧＰ一３ １ ４Ｇ—Ｌ １ ｘ（Ｄ）单模光纤
或通道监控应用。ＶＳＣ８４８６提供特 价值的性能监测数据。最后，数据 模块等。ＦＰＧＡ可从Ａｌｔｅｒａ较低档的
殊的１ ０Ｇｂｐｓ混合信号数据性能输
传递到物理介质连接模块ＰＭＡ，
连接。ＶＳＣ８４８６高速串行Ｉ／Ｏ支持 为１０Ｇｂｐｓ的数据流。
由ＩＥＥＥ ８０２．３ａｅ和Ｔ１ １ １０ ＧＦＣ定义
的９．９Ｇｂｐｓ、１０．３Ｇｂｐｓ和１０．５Ｇｂｐｓ速
行操作和上述描述相反，其路径上
６０ｎｍ Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ ＧＸ（３．１２５Ｇｂｐｓ）、
ｏｎｅ Ｖ ＧＸ（３．１２５Ｇｂｐｓ）中
出功能，可编程预加重，以延长铜
ＰＭＡ将内部多路并行总线数据转化
２８ｎｍ Ｃｙｃｌ
选用。这两种芯片均具有利于设计
１．灵活而且容易配置的收发
１ ０Ｇｂｐｓ￣ｑＸＡＵＩ数据通道的执
的以下特点：
率，并完全符合Ｂｅｌｌｃｏｒｅ ＧＲ２５３定 的显著特点是拥有一个ＳＯＮＥＴ兼
器数据通路，可实现丁业标准和专
义的ＳＯＮＥＴ抖动规范。
容ＬＯＳ监测器和一个完全兼容ＸＦＩ／ 用协议；２．可编程预加重设置和可
１０Ｇｂｐｓ接收器。
ＶＳＣ８４８６设备中有四个主要 ＳＦＩ规格（包括强制的眼图要求）的 调差分输出电压（ＶＯＤ），提高了信
的数据处理模块：ＸＧＸＳ、ＰＣＳ、
号完整性；３．用户可控的接收器
ｂｐｓ
ＸＡＵＩ
４×３．１２５Ｇｂｐｓ
ＸＦＩ／ＳＦ
ＷＡＮ
ｂｐｓ
图３：ＶＳＣ８４８６Ｎ部逻辑设计。
３８ ｌ集成电路应用
ＴＥｃＨ Ｎ ＩｃＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
ｌ设计诀窍
均衡，增益达￣［ｊ７ｄＢ，补偿物理介 方案只有两路光纤，占用空间较 换器、８Ｂ／１０Ｂ编码和字对齐功能，
质的频率相关损耗；４．收发器动
小，允许做成插卡式。
态重新配置，不需要对ＦＰＧＡ重新
所有这些功能都由专用ＸＡＵＩ状态
４ Ｘ ３．１ ２ ５ Ｇ ｂ Ｐ Ｓ多路和
机进行控制。每组四通道还内置了
２５Ｇｂｐｓ两路光纤通讯方案的 通道对齐电路，以减小ｘＡｕＩ接口
编程，支持同一通道上的多种协
２×６．
议和数据速率；５．兼容ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ
优点是可根据ＬＥＤ显示屏的实际分
从ＸＡＵＩ源到宿的偏移。收发器可
（ＰＩＰＥ）、ＸＡＵＩ和干兆以太网物理
辨率灵活构建，在非全带宽运行时
提供５００％的预加重和高达１７ｄＢ的
接口的专用电路；６．ＰＩＰＥ接口可 成本较低，缺点是布线相对复杂， 均衡，以补偿高频损耗。
直接连接嵌入式ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｇｅｎ １
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 Ｘ 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Ｈ￣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ＤＶ１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４×３．１ ２５Ｇｂｐｓ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一
３ １ ６Ｇ一０２Ｘ １，３ １ ０ｎｍ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。义如赛灵思Ａｒｔｉｘ一７
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
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
ＸＡＵ１分离式和ＳＦ１集成式１ ０Ｇｂｐｓ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１ ０Ｇｂｐｓ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＊ＮＰｂ部设备管理等均南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１ ０ＧｂＥ通讯的ＦＰＧＡ
芯片，例￣ｔｌＡｌｔｅｒａ的Ｓｔｒａｔｉｘ Ｖ（ＧＸ
和ＧＴ）、Ｓｔｒａｔｉｘ ＩＶ（ＧＸ和ＧＴ１、
Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ ＧＸ，Ｓｔｒａｔｉｘ ＩＩ ＧＸ、
Ａｒｒｉａ系列￣ＨＨａｒｄＣｏｐｙ 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１ ５６．２５ＭＨｚ输人参考时钟
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
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，运行住１５６．２５ＭＨｚ，具有
１ ０Ｇｂｐｓ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；ｆ１］ＧＴ）、Ｓｔｒａｔｉｘ
ＩＶ（ＧＸ＊Ｉ］ＧＴ）、Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＶ ＧＸ（Ｆ２３
和更大器件１、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￣ｇ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 Ｘ 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
集成电路应用Ｉ ３９
设计诀窍ＴＥＣＨ Ｎ ＩＣＡＬ ＫＮｏｗＨｏｗ
档ＦＰＧＡ芯片单个ＳｅｒＤｅｓ的速率已 使用，且满足ＲＳ一２３２总线的波特率
其优势在于：１．ＤＶＩ视频解码器
发展到１００Ｇｂｐｓ，某些高档型号的
要求。
被支持ＨＤＭＩ １．４ａ的ＨＤＭＩ／ＤＶＩ双
高分辨率显示、高色阶显示、３Ｄ
ＦＰＧＡ已具备１０．３Ｇｐｂｓ ＸＦＩ／ＳＦＩ高
Ｓｔｒａｔｉｘ ＩＶ ＧＸＮｌ内嵌１０Ｇｂｐｓ ＰＨＹ，
为和传统ＬＥＤ显示屏模组扫 输入解码芯片替代，支持４Ｋ２Ｋ超
分配器采用１Ｏ～１２路干兆网ＰＨＹ构
显示和音频通道；２．低档ＦＰＧＡ芯
速串行接口，例￣ＷＡｌｔｅｒａ ４０ｎｍ的 描控制器所用的千兆网ＰＨＹ兼容，
可直接外挂１ ０Ｇｂｐｓ ＸＦＰ／ＳＦＰ＋光纤
成ＬＥＤ视频输出矩阵与ＬＥＤ显示屏
片被具有一至多个高速ＳｅｒＤｅｓ串
模块，达到设计的最简化。不利因
体的１０～１２个分区接口，足以支持
口的中高档ＦＰＧＡ芯片替代，支持
素是此类ＦＰＧＡ芯片造价较高，目
４Ｋ２Ｋ、高色阶或３Ｄ显示。
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。
１ ０ＧｂＥ网络通讯和ＰＣＩｅ通讯；３．通
音频输出、ＤＤＲ、Ｆ１ａｓｈ、
讯逻辑总带宽达１０～１２．５Ｇｂｐｓ，是
ＰＣＩｅ和外设部分的设计与常规设计 ２×ｌＧｂｐｓ的５～６倍；４．接收器采用
另外赛灵思的Ｋｉｎｔｅｘ一７和Ｖｉｒｔｅｘ．７
相同，这里不再赘述。
１２路干兆网ＰＨＹ输出矩阵，可支持
１０～１２个ＬＥＤ显示屏体分区；５．支
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
结束语
持高保真立体声音频同步播放；６．
综上所述，超高清ＬＥＤ显示屏
高带宽支持发送端亮度、色度校正
采用Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌａｂｓ公司的ＵＳＢ １ ０Ｇｂｐｓ光纤控制系统具有多种设 变换，简化了ＬＥＤ显示屏的点校正
转ＵＡＲＴ桥接芯片ＣＰ２ １ ０２代替传统 计方案，其中ＸＡＵ１分离式１０Ｇｂｐｓ 应用；７．高度集成化设计，性价比
的ＲＳ．２３２口实现ＰＣ和ＦＰＧＡ通讯。
单路光纤通讯方案性价比最高。
高；８．理想的高档ＬＥＤ Ｓ￣Ｉ］液晶拼接
多媒体播放。■
ＣＰ２ ｌ ０２包含ＵＳＢ ２．０全速功能控制 １ ０Ｇｂｐ Ｓ光纤控制系统和传统的
墙控制器产品，尤其适用于超高清
器，Ｔ作时作为一个虚拟ＣＯＭ口 ２～３．１２５Ｇｂｐｓ光纤控制方案相比，
（上接１７页）
ＣＰＵ可以进行图像处理，但是最新
一
除了上述新产品木身，通过对
编解码ＩＰ基于上一代成功的ＶＤＸ 代ＣＰＵ的处理能力连７２０Ｐ的图像 杜Ｉ：ＬＭＳ１１标准的支持，该公司的
产品线得到了进一步的完善， 仅
ＶＥＸ，支持多标『停主流标准，通
解析度都达不到，更不要说高清／
过多核架构可以灵活满足对单核／
全高清了。我们认为用专业的芯片
可以在同一颗ＳｏＣ中提供图形编解
双核／四核的支持，满足高清／全高
去做专业的事情，代价是最小的，
清／４Ｋ２Ｋ ６０ｆｐｓ的市场需求。
入了１０ｂｉｔ技术，Ａｈｍｅｄ表示：“现
Ｄ４５ｏ０ＭＰ／Ｅ４５００ＭＰ还首次引 解释道。
除了提供视频编解码ＩＰ外，
码方案，还能够提供音频、数字电
尽管该公司去年才刚刚进人中
国市场开始ＩＰ授权，但是已经取得
包括芯片面积、功耗和性能。”他
视接收、蓝牙方案。
ｎａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ同时可
了非常好的成绩。其主要的中同合
阶段我们可以看到已经有大量终
Ｉｍａｇｉ
端平板产品，包括ＯＬＥＤ屏幕和
以提供通讯基带ＩＰ。另外他们还
作伙伴包括海思、中兴、君正、炬
广色域的显示器都可以支持１０ｂｉｔ
拥有ＣＰＵ＋ＤＳＰ ＲＩＳＣ架构处理器
力、瑞芯等。同时该公司也和众多
色深。同时已经有单反相机ＲＡＷ
ＭＡＴＡ。Ａｈｍｅｄ表示：“在过去
ＯＥＭ厂商如联想等保持着很好的
及高端数码摄像机都已经可以支
几年，大家比较关注指令集架构
关系。
Ａｈｍｅｄ表示： “过去一年里中
持１０ｂｉｔ的数据采集。基于这样的
１ＲＣ，现在操作系统已经和底层
市场需求，我们首个推出了支持
ＣＰＵ指令集架构越来越独立，通过
国市场的业绩增长非常强劲，由此
１０ｂｉｔ的市场解决方案。”传统８ｂｉｔ
引入底层虚拟机引擎，可以很好地
也看出大陆的半导体产业发展速度
）（】
可以展示１，６００万种颜色，而１Ｏｂｉｔ
驱动所有ＣＰＵ架构。因此我们现在 非常快。截至目前已经有超过１【
ｄ也有了Ｘ８６版本。
技术可以展示超过ｌ０亿种颜色，从
看到了Ａｎｄｒｏｉ
款包含ＳＧＸ处理器ＩＰ的半导体芯片
而实现更平滑自然的灰阶过渡。
颗ＶＰＵ而不是ＣＰＵ呢？“不错，
ＭＡＴＡ的设计特点在于实时性和多 在设计之中。我们期待并欢迎更多
件多核更高效的技术。” 授权体系中来。”■
那么，为什么要独立使用一
线程性，我认为硬件多线程是比硬 的本土新兴合作伙伴加入到我们的
４０ Ｉ集成电路应用