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交换接口之SFP接口

时间:2024-10-29 22:49:15浏览次数:3  
标签:模块 TX 交换 SFP 差分 收发器 接口 信号

1、参考标准

SFP MSA (September 14, 2000)

2、接口概述

SFP MSA规范定义的SFP接口主要针对千兆速率数据通讯如光纤通道和千兆以太网应用(gigabit rate datacom applications such as Fibre Channel and Gigabit Ethernet);由于其较GBIC接口体积小的优势,大大减小了硬件布板面积,从而提高端口密度,目前已广泛应用于各种LAN和WAN设备上。SFP光模块采用LC接头;GBIC光模块采用SC接头,LC接头的截面只有SC接头的一半。SFP MSA规范指出可根据SFP光模块的颜色来区分其支持的光纤模式,黑色或褐色为多模、蓝色为单模。

3、信号数量

SFP接口共有20根引脚,其引脚定义如下:

图3-1  SFP接口引脚定义

引脚定义(Module指光模块):

引脚

定义

方向

描述

TX Fault

发送端故障指示(Transmitter Fault Indication);高电平有效;

高电平指示光模块存在故障;

低电平指示光模块工作正常,当输出为低时,其电平<0.8V。

Module

输出

OC/OD输出;

需在主板上使用4.7K~10K电阻上拉;

上拉电压范围为(2.0V~VccT/R+0.3V)

TX Disable

发送端关闭(Transmitter Disable);高电平有效;其电平指示状态为:

高电平(2.0~3.465V)或open状态:关闭发送光信号输出;

低电平(0~0.8V)状态:指示正常工作;

(>0.8,<2.0V)状态:无效状态

Module

输入

用于关断光模块发送光信号的输出;需在光模块内采用4.7K~10K电阻上拉;

MOD-DEF2

光模块类型标志2 (Module Definition 2)

这3个引脚为光模块类型标志位,需在主板上进行4.7~10K电阻上拉,上拉电压为VccT或VccR。

MOD-DEF0在光模块内接地表示模块存在;MOD-DEF1/2用来与I2C( two wire serial interface)接口相接,其中MOD-DEF1与clock相接,MOD-DEF2与data相接。

MOD-DEF1

光模块类型标志1(Module Definition 1)

MOD-DEF0

光模块类型标志0( Module Definition 0)

Rate Select

速率选择,选择全带宽或降低接收端带宽(Select between full or reduced receiver bandwidth);其电平指示状态为:

高电平(2.0~3.465V)状态:全带宽;

低电平(0~0.8V) 或open状态:减小带宽;

(>0.8,<2.0V)状态:无效状态

Module

输入

可选信号,可调整接收器的带宽用以兼容多种速率(如光通道1X和2X速率)。此输入引脚需内部下拉电阻>30欧。

LOS

信号丢失指示(Loss of Signal);

高电平有效;

高电平指示光模块接收到的光信号能力低于接收器的灵敏范围(the worst-case receiver sensitivity);

低电平指示光模块工作正常,当输出为低时,其电平<0.8V。

Module

输出

OC/OD输出;

需在主板上使用4.7K~10K电阻上拉;

上拉电压范围为(2.0V~VccT/R+0.3V)

VeeR

接收地(Receiver Ground)

Module

输入

VeeR与VeeT可在光模块内部连接

VeeT

发送地(Transmitter Ground)

RD+/-

接收信号(Received Data Out)

Module

输出

差分输出信号;AC耦合(在光模块内处理);100欧差分阻抗控制;差分信号幅度(370~2000mV),单端信号幅度(185~1000mV)。

VccR

接收电源(Receiver Power)

Module

输入

VccR与VccT可在光模块内部连接;3.3V±5%,最大消耗电流为300mA;主板上的推荐滤波方案见图二;热插拔光模块引起的涌入电流不能超过30mA;电感的直流电阻需低于1欧。

VccT

发送电源(Transmitter Power)

TD+/-

发送信号(Transmit Data In)

Module

输入

差分输入信号;AC耦合(在光模块内处理);100欧差分阻抗控制;差分信号幅度(500~2400mV),单端信号幅度(250~1200mV);但为了获得最好的EMI效果,推荐输入差分信号幅度为(500~1200mV),单端信号幅度为(250~600mV)。

SFP MSA规范要求SFP光模块采用长短Pin技术来实现热插拔,其上电顺序为:

4、信号电平

参考SFP MSA规范:

VccR/VccT电平指标:3.3V±5%;最大消耗电流300mA;热插拔光模块引起的涌入电流不能超过30mA

控制及状态信号电平要求:VH=(2.0~3.465)V;VL=(0~0.8)V;

驱动端差分数据信号电平要求:差分信号幅度(370~2000mV),单端信号幅度(185~1000mV)。

接收端差分数据信号电平要求:差分信号幅度(500~2400mV),单端信号幅度(250~1200mV);但为了获得最好的EMI效果,推荐输入差分信号幅度为(500~1200mV),单端信号幅度为(250~600mV)。

说明一:规范并未明确指示测试点的位置,考虑到引脚定义时以Module作为参考,则推测测试点为靠近Module端。

说明二:规范中并未对差分信号的上升/下降时间及抖动作出要求,但实际应用中,芯片指标中可能会包含这些测试项,因此此时应将芯片指标要求作为标准。

5、PCB及原理设计要求

参考SFP MSA规范:

差分数据线的差分阻抗应控制在100欧姆;

基于EMI要求,在SFP光模块拔出后,所有的电信号均应被关断(shut off);

应使用标准的布板规则:相应引脚通过过孔连接到Vcc和Gnd;短且等长的差分信号走线;使用微波传输走线,其单端阻抗推荐为50欧。屏蔽地(chassis ground)与外部电磁接口屏蔽壳不应与信号地相接;SFP光模块通过屏蔽罩向外部散热,屏蔽罩应与SFP接口的信号地电气隔离,从而将可能流经机架的大的突发电流进行隔离。

规范推荐的滤波方案见下图:

图5-1  推荐主板电源(VccR与VccT)滤波方案

差分数据线采用AC耦合方式,AC耦合在光模块内部完成,主板上可不再进行AC耦合处理。

控制及状态信号需在板上使用4.7K~10K电阻上拉至(2.0V~VccT/R+0.3V)。

规范推荐的SFP接口连接图如下图所示:

图5-2  规范推荐的SFP接口连接图

6、信号速率与带宽

SFP接口仅支持单通道,其信号速率为1.25 Gbps。规范未限制其频偏,具体指标需参考具体的芯片指标。

7、编码方式及对应传输帧格式

采用8B/10B编码方式。

8、测试指标

差分数据信号电平测试指标参见信号电平部分;

规范未给出差分数据信号的眼图及抖动测试指标;

控制及状态信号的电平测试指标参见信号电平部分;

控制及状态信号的时序测试指标介绍如下:

图8-1  控制及状态信号的时序要求

项目

说明

指标

是否可测试

测试方法

t_off

TX Disable

Assert Time

<10us

可以进行测试

从TX Disable信号的上升沿至光输出信号下降到正常输出信号的10%为止。

t_on

TX Disable

 Negate Time

<1ms

可以进行测试

从TX Disable信号的下降沿至光输出信号上升到正常输出信号的90%为止。

t_init

Time to initialize,

including reset

of TX_Fault

<300ms

此指标本身不可测试,但需测试上电时TX_Fault信号是否在t_init时间内被置为无效

From power on or negation of TX Fault using TX Disable

t_fault

TX Fault

Assert Time

<100us

无法测试

Time from fault to TX fault on.

T_reset

TX_Disable

to reset

>10us

可以测试,可依据TX Disable信号的有效时间来确定

Time TX Disable must be held high to reset TX_fault

T_loss_on

LOS Assert

Time

<100us

无法测试,主要是无法确定loss出现时间

Time from LOS state to RX LOS assert

T_loss_off

LOS Deasset

Time

<100us

无法测试,主要是无法确定loss出现时间

Time from non-LOS state to RX LOS deassert

T_ratesel

Rate-Select

Change Time

<10us

可以测试,依据不同的带宽选择,其选择的时钟沿不同

Time from rising or falling edge of Rate Select input until receiver bandwidth is in conformance with appropriate specification.

F_serial_clock

Serial ID Clock Rate

<100kHz

可以测试

SFP收发器上电初始化进程描述(Tx_Disable无效的情况下):

SFP收发器上电后,在电源电压达到规范要求后,TX_FAULT有可能为有效状态(如果使用TX_FAULT信号的话),即高电平。对于Tx_Disable信号为无效情况下的收发器初始化进程,当收发器内部的安全电路检测到收发器已经进入正常状态后,同时收发器未检测到故障,TX_FAULT将在t_init时间内变为无效。t_init的起始时间为VCCT超过规范定义的最小操作电压时。如果TX_FAULT信号在t_init时间结束后仍然有效,说明收发器已经检测到了一次传输错误。

如果收发器内未使用安全电路,上电时,TX_FAULT信号即可能为无效状态。

图8-2  SFP收发器上电初始化进程描述(Tx_Disable无效的情况下)

SFP收发器上电初始化进程描述(Tx_Disable有效的情况下):

针对Tx_Disable有效情况下的SFP收发器上电初始化进程,在上电TX_DISABLE信号有效期间, TX_FAULT的状态是不确定的。在TX_DISABLE信号变为无效后,当安全电路初始化被执行时,TX_FAULT信号可能变为有效,即高电平。当收发器内部的安全电路检测到收发器已经进入正常状态后,同时收发器未检测到故障,TX_FAULT将在t_init时间内变为无效。t_init的起始时间为TX_DISABLE信号变为无效的时候。如果TX_FAULT信号在t_init时间结束后仍然有效,说明收发器已经检测到了一次传输错误。

如果收发器内未使用安全电路,TX_FAULT信号即可能为无效状态。

图8-3  SFP收发器上电初始化进程描述(Tx_Disable有效的情况下)

规范中分为2部分来介绍TX_FAULT信号在初始化时的状态,是由于当TX_DISABLE信号状态不同时,t_init的起始计算时间也不相同。当然这2部分介绍的还有一个前提就是光模块已经存在,即已插上的情况。

针对光模块未插入时的情况:

当收发器未插入时,TX_FAULT信号会由于主机上的上拉电阻而保持在有效状态。

热插入情况下的初始化进程与前面介绍的相同。

SFP收发器发送信号的管理:

对于SFP收发器的发送信号的管理依靠TX_DISABLE信号,其时序要求如下图所示;注意,t on的截止时间是当光强达到最终值的90%,而非光强的平均值。

图8-4  SFP收发器发送信号的管理时序

SFP收发器的故障检测描述:

TX_FAULT信号仅被支持安全电路的SFP收发器执行。如果TX_FAULT信号未被执行,此信号将被SFP收发器强制在低状态,即无效状态。

图8-5 SFP收发器的故障检测时序

由上图可以看出,当TX_FAULT信号为有效状态时,对应的SFP光模块的发送信号均为故障信号。

SFP收发器的故障恢复:

当发送端的故障是瞬时的时候,需遵守如下的reset协议。为了reset故障电路及相关检测电路,TX_DISABLE信号至少应持续为有效状态t_reset段时间,然后切换为无效状态。在小于t_init,的时间内,光收发器将重新正确初始化激光电路、无效TX_FAULT信号。如果故障现象不再存在,收发器将开始正常操作。如果在激光电路重新初始化的过程中,又检测到了故障导致TX_FAULT信号有效的话,此次故障将被锁定,并且光收发器处于未使能状态直到下一次复位协议的到来。SFP光模块生产厂商应保证在所有的reset尝试中、正常操作中、单个故障现象出现时,通过open的连接器或光纤的光发射能量均兼容IEC825-1和CDRH标准。同时,SFP光模块可能需要内部保护电路用来防止频繁的有效TX_DISABLE信号所产生的可能危害安全的能量脉冲。瞬时故障的成功恢复时序参见下图8。不成功的故障恢复的时序见下图9。

图8-6 SFP收发器的瞬时故障成功恢复时序

图8-7 SFP收发器的瞬时故障恢复不成功时序

上图之所以称为不成功,是由于在光模块重新初始化的过程中又检测到了故障。

SFP收发器的LOS信号指示:

针对链路状态可能处于非正常操作范围的SFP收发器,其LOS信号可以给系统起到指示作用。典型的指示信息包括:未安装线缆、线缆损坏、或远端收发器存在未使能、故障,未上电的情况。

图8-8 SFP收发器的LOS信号指示

针对t_loss_on与t_loss_off指标,我们实验室不具备测试条件,因为无法确定当前loss出现的起始时间与截止时间,详见上图的Occurrence of loss,其高电平时间我们不可知。

9、测试方法

SFP接口信号测试表格:

测试项

测试指标

测试点

测试结果

备注

VccR/VccT

3.3V±5%;

最大消耗电流300mA;

热插拔引起的涌入电

流不能超过30mA

             靠近Module端

控制及状态信号电平

VH=(2.0~3.465)V;

VL=(0~0.8)V

差分输出信号峰峰值

370~2000mV 

单端输出信号对地电压

185~1000mV 

差分输入信号峰峰值

500~2400mV 

为了获得最好的EMI效果,推荐输入差分信号幅度为(500~1200mV)

单端输入信号对地电压

250~1200mV

为了获得最好的EMI效果,推荐输入单端信号幅度为(250~600mV)

t_off(TX Disable

Assert Time)

<10us

如果实际应用中使用这些控制与状态信号,需测试这些项。

t_on(TX Disable

 Negate Time)

<1ms

t_init(Time to initialize,

including reset

of TX_Fault)

<300ms;此指标本身不可测试,但需测试上电时TX_Fault信号是否在t_init时间内被置为无效

T_reset(TX_Disable

to reset)

>10us

T_ratesel(Rate-Select

Change Time)

<10us

F_serial_clock(Serial ID Clock Rate)

<100kHz

10、应用环境

主要针对千兆速率数据通讯如光纤通道和千兆以太网应用(gigabit rate datacom applications such as Fibre Channel and Gigabit Ethernet);在端口密度要求较高的情况下,其体积小,速率高的优势显得尤为突出。

标签:模块,TX,交换,SFP,差分,收发器,接口,信号
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