通信工程中有线传输技术的应用及改进

宋仕泽，刘东坤，汪恒旭，罗 钦，乔志明

（山东科技大学济南校区，山东 济南 250031）

0 引 言

通信工程是一个广义的概念[1]，其功能是实现有通信需求的双方或多方之间的消息传递。消息的传递方式可以采用无线方式（即无线通信）或是基于有线传输介质（即有线通信）。无线通信采用电磁波技术在自由空间进行消息传递，在卫星通信、移动通信等领域用途广泛；而有线通信技术是基于有线传输介质进行信息传输，传输介质可以为双绞线、同轴电缆、背板和光纤等，其在工业控制、信息安全以及军用专线通信等系统中应用广泛[2]。

通信技术作为国家设施建设中的重要基础技术之一，其技术水平直接影响一个国家的国际竞争力。面对信息技术的高速发展形势，国内及国外多家研究机构都开始对新一代高速、高性能有线传输技术进行研究。以主流的以太网有线传输技术为例，作为安全信息系统中主要使用的有线传输技术，其核心的架构、规范标准的制定直至关键元器件产品的研制，主要由国外Broadcom、Interl、Marvell等公司完成。而国内的相关研究机构（如盛科、东土科技、中电24所等单位）也开始了相关元器件的研究，并已有多款产品供应市场，但尚不能完全替代所有关键元器件。此外，光纤技术作为高速宽带网中主流的传输方式，其核心的基础技术发展同样受到了制约。面对上述不利因素，如何改进现有有线通信技术，以适应新的应用场景和需求成为当前亟待解决的问题[3]。

1 有线传输技术简介及应用

按照传输介质的不同，有线传输技术可以分为双绞线（屏蔽和非屏蔽）、光纤、同轴电缆和背板等传输技术；按照传输协议的不同，常用的有线传输协议可以分为以太网、光纤传输、1553B、CAN、SpaceWire、PCIe等协议。而上述不同传输协议的主要物理层传输介质为双绞线、光纤和背板，以太网采用非屏蔽的双绞线作为传输介质，光纤通道的传输介质为光纤，1553B、CAN和SpaceWire基于屏蔽双绞线进行通信，PCIe则基于背板进行通信。下面主要介绍双绞线、光纤、背板传输技术及其应用。

1.1 双绞线传输技术

双绞线具有较强的抗干扰能力、较远的传输距离，而且具有布线相对简单、便于节省空间和成本低廉等优势。以太网、1553B、CAN和SpaceWire的物理层均采用该种传输介质，不同的是以太网采用非屏蔽的五类线，而1553B、CAN和SpaceWire则采用屏蔽双绞线。

按照不同的数据传输速率，1553B、CAN属于数据传输速率小于10 Mb/s的低速数据传输总线，SpaceWire的数据传输速率可达百兆级别，而以太网则可以基于双绞线实现吉比特传输。针对不同传输需求，各种协议信号采用了不同的编码方式，千兆以太网采用了8B/10B编码，1553B采用了曼彻斯特Ⅱ编码，CAN采用的编码格式则是Intel和Motorola，而SpaceWire则采用DS编码方式。除了协议之间的差异，以太网、1553B和CAN物理层的设置方面也有不同，以太网采用基于SerDes技术的GPHY结构，1553B采用曼彻斯特Ⅱ码收发器，CAN的物理层采用的是CAN专用收发器，而SpaceWire采用低电压差分信号LVDS收发器。

上述3种双绞线传输技术在军事、民用和工业控制领域应用十分广泛，但3种协议之间的兼容性较差。以太网针对高速长距离传输应用，是当前信息系统所采用的主流传输技术，而1553B、CAN和SpaceWire主要针对应用于军事领域，实现短距离专网通信。如何提升1553B、CAN和SaceWire的速率和传输距离，实现与以太网之间的互通，是军用信息系统布局设计中需要考虑的问题。

1.2 光纤传输技术

光纤具有系统容量大、衰减较小、质量轻以及抗干扰能力强，适于远距离传输的优势。光纤通道、无源光网络以及同步数字体系等采用光纤作为传输介质，不同点在于光纤通道主要具备热插拔能力、高速高带宽、支持远程链接以及网络容量大等特点，能为高级工作站、服务器、存储系统提供高速以及高可靠的数据传输与存储服务；无源光网络以提高系统的可靠性为出发点，尽量避免雷电及电磁波的干扰，同时降低外围设备及连接线路的故障发生率，以提供高速可靠通信服务；同步数字体系基于光纤、数字传输技术及软件等基础设施，以进一步提升系统的数据传输可靠性及有效性。

光纤传输系统的物理层通常采用高速串化与解串化技术（SerDes），该技术通过把并行数据转换为串行数据进行传输，以避免传统并行传输由于同步切换噪声的制约而导致数据传输速率提升出现瓶颈的问题，很适合于进行高速数据传输（数据传输速率可以大于100 Gb/s）。SerDes技术基于8B/10B、128B/130B等编码技术，采用发送器预加重、前馈滤波器、自适应增益调节、基于判决的滤波器技术以及时钟数据恢复等数据处理技术，实现高可靠、高效率的数据传输。SerDes系统是光纤通信系统设计中的关键环节与核心器件，其性能直接制约着光纤通信系统的通信能力。因此，SerDes设计技术是光纤传输的关键技术，如何设计满足要求的SerDes系统是光纤系统设计中需关注的重要问题。

1.3 背板传输技术

PCIe技术是背板传输技术的典型代表，其具备热插拔、便于系统扩展的特点，可以统一计算机系统内部的总线接口，并提高数据传输速率和可靠性。PCIe系统中的每个用户可以单独占用带宽，在提高传输速率的同时，为频率的进一步提升提供前提条件。目前，PCIe 5.0标准已经发布（128 Gb/s），而6.0版本预计2021年发布，预期数据传输速率可达256 Gb/s，所采用的编码形式为128B/130B，物理层同样采用SerDes架构，并使用前项纠错码技术，以提升数据传输的性能。数据速率的提升对SerDes技术提出了更高的要求，其抗抖动、均衡器及时钟数据恢复的设计是重点关注的问题。如何根据系统指标的分析、分解，合理设计SerDes系统，是高速背板传输技术中能决定系统性能的环节。

2 有线传输技术的可行改进方案

2.1 提升数据传输速率

数据传输速率的提升是协议传输技术保持生命力的重要手段，提升传输技术的数据传输速率可以改善系统的性能，满足用户对于通信系统性能改善的需求。

2.1.1 1553B、CAN

对于1553B和CAN协议，由于其应用系统沿用时间较长，但是协议新版本在数据速率上均未有显著的提升，因此，可以在维持协议不变的情况下，自主开发物理层传输结构，以满足速率提升的需要。

正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM），是一种在无线通信（4G、5G）中广泛成熟应用的基带传输技术，其借助载波传输信号，能显著提高频谱利用率，并具备很好的抗噪声性能，其典型系统如图1所示。如图1所示，OFDM系统主要由编解码、交织/解交织、数字调制与解调、串并/并串、傅里叶与逆傅里叶变换、插入前缀与去除前缀、有模数/数模转换和收发单元构成。

图1 正交频分复用系统收发机结构

由于正交频分复用技术的优势，其已被成熟应用于有线电力线传输系统，电力猫就是这种应用的代表。将1553B和CAN总线协议数据通过正交频分复用技术进行多载波频域传输，不仅可以大幅提升1553B和CAN总线的数据传输速率，而且可以通过基带收发单元中的幅度调节功能单元，依据信号传输衰减的恶化程度自适应调节信号的幅度，以满足被传输数据的接收可靠性，从而提升有线信号传输的可靠距离。

2.1.2 SpaceWire

目前，通过SpceWire的协议改进与速率提升，SpaceWire的数据传输速率已达400 Mb/s。但是，随着传输速率需求的进一步提升，已有的SpaceWire传输系统已不再适合继续沿用。因此，基于光纤传输介质的SpaceFibre成为SpaceWire的替代者。基于SpaceFibre实现吉比特数据传输速率已变为可能，采用光纤作为传输介质后，SpaceFibre可以采用SerDes技术进行物理层数据传输，以便于数据传输速率的进一步提升。SpaceFibre的速率提升问题，也就转变成为SerDes的数据传输速率提升问题。

2.1.3 以太网

以太网技术基于IEEE802.3协议，而以太网速率的提升需要依据已有规范进行以太网系统的设计改进。以太网的有线传输技术主要涉及物理层的编码、均衡、低功耗和数据发设计。基于双绞线传输，以太网可以实现最高1 Gb/s的数据传输速率，要想继续提升数据传输速率，则必须采用SerDes串行传输技术。

2.1.4 光 纤

针对光纤系统的数据传输速率提升需求，研究高性能的SerDes收发器，确保收发器的误码率及传输速率等指标满足有线传输通信系统的研制要求。

2.2 提升有效数据传输距离

有线传输系统所采用的有线传输介质通常为信号有损传输介质，随着传输距离的增加，所传输信号的质量不断恶化。常常由于信号经过线缆衰减造成信号质量恶化，而无法被接收端接收，因此，有线信号传输系统通常会给出有线传输信号能被接收的距离上限。

常见的收发单元（如正交频分复用的基带收发系统和SerDes收发系统），为了接收端具有较好的接收性能，通常在接收器的最前端采用自适应增益调节单元，以便于调节接收信号的峰值，降低数据丢失概率。此外，对SerDes中涉及的抖动进行分析与测量，有针对性地采用去抖动算法，并提高时钟数据恢复的准确性，降低由于数据传输过程中受到抖动影响而导致接收失败的概率。

2.3 加速标准化进程

有线传输技术基于不同的有线传输介质及不同的数据处理上层协议进行数据的传输与处理。针对不同的有线传输介质要求，有线传输系统需要设计与之相符的物理层作为信息传输的媒介，但传输介质的不同，意味着物理层设计有所不同。此外，针对不同的应用场景，各种协议具有各自不同的协议特点。例如，在国产化需求日益强烈的今天，各个产品的研制单位根据产品的应用需求进行定向研制，但在国内市场上由于缺乏统一的研制标准，各产品供应商所推出的产品百家争鸣，却不利于供应商之间所研制产品的互联互通。市场上可供选择的产品种类繁多，但往往是专用产品居多，而通用产品较少。急需制定一个有线传输技术的上层规范，对产品的研制、测试、应用及接口特性进行约定，避免出现同一功能产品的重复研制而造成浪费。针对有线传输技术的物理层，同样需要一个规范，对于各种不同传输介质的物理层进行约定，如按照数据速率进行划分，明确特定数据传输速率下的物理层实现架构，为物理层的设计提供指导。

3 结 论

通信工程中的有线传输技术涉及的领域广，不仅涉及上层协议，而且涉及最底层的物理层传输协议及不同的用户应用场景。双绞线、光纤及背板等传输介质存在物理特性上的差异，因此有不同的应用领域。用户根据功能需要，选用不同的协议架构，构建有线传输通信系统。同时，依据用户对于有线传输系统性能的提升需求，设计人员需要对有线传输系统进行性能改进，以符合通过产品售卖而实现盈利的预期目标。

提升有线传输技术的数据传输速率，是一个永恒的话题。技术规范的更新和产品的换代，均以此为出发点。采用已有成熟技术（如正交频分复用），并进行技术融合，能满足产品升级而规范沿用的需要；针对光纤、SerDes在高速数据传输中的优势，研究新的光纤协议及高性能的SerDes收发系统，对于有线传输技术的改进具有重要意义。此外，针对技术协议、产品形式的多样化，需要推出有线传输技术的行业标准，以实现上层传输协议的规范化及物理层架构的统一性，便于技术公关与产品形式的规范化。