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光纤接口简介
学习自正点原子FPGA教程
光模块组件
从上图中可以看到：一个光模块，通常由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件 (ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。其中在发射端，驱动芯片对原始电信号进行处理，然后驱动半导体激光器（ LD）或发光二极管 LED）发射出调制光信号；在接收端，光信号进来之后，由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出电信号。
常见光模块的类型：
| 分类方式 | 类别 |
|---|---|
| 封装类型 | 1×9、GBIC、X2、XENPAK、XFP、SFP、SFP+、SFP28、QSFP、QSFP28、CFP、CFP2、QSFP-DD、OSFP等 |
| 速率 | 10Mbps、100Mbps、155Mbps、622Mbps、1.25Gbps、2.125Gbps、4.25Gbps、10Gbps、25Gbps、50Gbps、100Gbps、400Gbps等 |
| 波长 | 850nm、1310nm、1490nm、1550nm、CWDM、DWDM等 |
| 模式 | 单模(黄色)、多模(橙黄色、蓝绿色) |
| 距离 | 100m、300m、550m、10km、20km、40km、80km、120km、160km |
| 调制格式 | NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等 |
| 是否支持WDM | 灰光模块(不支持WDM)、彩光模块(支持WDM) |
| 光接口工作模式 | 双纤双向(Duplex)、单纤双向(BiDi) |
| 激光器类型 | 垂直腔面发射激光器(VCSEL)、法布里-珀罗激光器(FP)、分布式反馈激光器(DFB)、电吸收调制激光器(EML)等 |
| 光探测器类型 | PIN结二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD) |
| 连接器接头 | FC、SC、ST、LC、MU、MTRJ |
| 使用性 | 热插拔(GBIC、SFP、XFP、XENPAK)和非热插拔(1*9、SFF) |
| 工作温度 | 商业级(0~70°C)、延展温度(-20~85°C)、工业级(-40~85°C) |
高速收发器 GTH
xilinx公司不同系列的高速串行收发器的类型和速率的对比：
| 器件系列 | GTP | GTR | GTX | GTH | GTY | GTZ | GTM | 最大收发器(个) | 峰值带宽(Gb/s) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Spartan 6 | 3.20 | / | / | / | / | / | / | 8 | 51 |
| Zynq 7000 | / | / | / | / | / | / | / | 16 | 400 |
| Zynq™ UltraScale+ | / | 6.00 | 12.50 | 16.30 | 32.75 | / | / | 4/44/28 | 3268 |
| Artix™ 7 | 6.60 | / | 12.50 | / | / | / | / | 16 | 211 |
| Kintex 7 | / | / | 12.50 | / | / | / | 28.05 | 32 | 800 |
| Virtex 7 | / | / | 12.50 | 13.10 | / | / | / | 59/96/16 | 2784 |
| Kintex UltraScale | / | / | / | 16.30 | / | / | / | 64 | 2086 |
| Virtex UltraScale | / | / | / | 16.30 | 30.50 | / | / | 60/60 | 5616 |
| Kintex™ UltraScale+ | / | / | / | 16.30 | 32.75 | / | / | 44/32 | 3268 |
| Virtex™ UltraScale+ | / | / | / | / | 32.75 | / | / | 128/48 | 8384 |
| Versal Premium 系列 | / | / | / | / | 32.75 | 112.00 | / | 28/70 | 9040 |
| Versal ACAP | / | / | / | / | / | 58.00 | 58.00 | 44/52 | 6032 |
UltraScale 架构中的GTH 收发器是节能型收发器，支持从500mb /s 到16.375 Gb/s 的线路速率。一般应用于PCIE、SFF、SFP+、XAUI、SATA 等高速接口设计。
FPGA 开发板板载的FPGA 器件提供了一组高速收发器GTH。GTH 接口的结构图如下所示：
从上图中可以看到无论是QPLL还是 CPLL它的源时钟都有 7路来源，具体说明如下表所示（这里以CPLL举例）：
从上表中可以看到对于CPLL来说总共七路时钟来源，两路来自外部时钟引脚对，经过 IBUFDS后转换成单端时钟信号就可以接入 CPLL；还有四路来自上下 Quad，当 FPGA中不止一个 Quad的时候当前Quad中的 GTH参考时钟可以来自上面的两个 Quad也可以来自下面的两个 Quad，注意最多只能跨两个Quad，最后一路时钟来源是内部逻辑产生的时钟，只能用作内部测试。
从上表中可以看到对于CPLL来说总共七路时钟来源，两路来自外部时钟引脚对，经过 IBUFDS后转换成单端时钟信号就可以接入 CPLL；还有四路来自上下 Quad，当 FPGA中不止一个 Quad的时候当前Quad中的 GTH参考时钟可以来自上面的两个 Quad也可以来自下面的两个 Quad，注意最多只能跨两个Quad，最后一路时钟来源是内部逻辑产生的时钟，只能用作内部测试。
QPLL与 CPLL时钟来源图
了解完整个Quad的时钟拓扑结构后我们再来了解一下时钟的使用模式，主要分为两种使用模式，一种是 Single外部输入模式，另一种是 Multiple外部输入模式，如下图所示：
Single外部输入模式
Multiple外部输入模式
GTH Channel结构图
从上图中可以看到单个Channel由发送接口和接收接口组成，每个接口又分为两部分结构，这两部分结构分别是 PMA和 PCS。 PMA和 PCS内部又由许多功能模块构成，如下表所示：
PCS和PMA组的结构和功能
| Group | Structure | Feature |
|---|---|---|
| PCS | TX Interface | GTH收发器的发送数据通道（属性可配置） |
| TX 8B/10B Encoder | 8B/10B编码器 | |
| TX Synchronous Gearbox | TX同步变速箱，用于高速通信协议支持64B/66B编码 | |
| TX Phase | 相位插补器主要是对PMA数据进行微调 | |
| Phase Adjust FIFO | 相位调整的缓冲FIFO，主要用来处理数据跨时钟域的相位调整 | |
| TX Pattern Generator | 测试数据生成器，用于产生伪随机比特序列。伪随机比特序列(PRBS)是一种常用的高速链路信号完整性测试方法。 这些序列看起来是随机的，但是具有特定的属性，可以用来衡量链路的质量。 | |
| TX Polarity Control | TX数据极性控制，如果TXP和TXN差分走线在PCB上意外交换，则GTH收发器会相应调整以正确发送数据。 | |
| RX Polarity Control | RX数据极性控制，如果RXP和RXN差分走线在PCB上意外交换，则GTH收发器会相应调整以正确接收数据。 | |
| RX PRBS Checker | PRBS校验器，对RX端接收的PRBS序列进行校验。 | |
| RX 8B/10B Decoder | 8B/10B解码器 | |
| RX Elastic Buffer | GTH收发器包含一个RX弹性缓冲器，用来解决RXCLK和RXUSRCLK两个时钟域之间的数据跨域问题。 | |
| RX Synchronous Gearbox | RX同步变速箱，用于高速通信协议支持64B/66B、64B/67B编码。 | |
| RX Interface | GTH收发器的接收数据通道（属性可配置）。 | |
| PMA | RX DFE | 离散自适应高速滤波器 |
| PISO/SIPO | 串并转换 | |
| TX/RX OOB | 每个GTH收发器都支持生成串行ATA (SATA)、串行附加小型计算机系统接口(SCSI, SAS)规范中描述的带外 (OOB) 序列，以及PCI Express规范中描述的信标。 | |
| TX Driver | TX驱动器是一个高速差分输出缓冲器。 |
回环路径图
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