一種tap設備的製作方法
2023-08-01 15:03:11
專利名稱：一種tap設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於網絡技術領域，特別的，屬於ー種TAP設備。
背景技術：
在大規模高性能捜索與高性能數據挖掘等應用中，單臺工作站/伺服器通常無法滿足計算要求，這需要將外部網絡發來的數據分配給成百上千臺工作站分別進行計算，組成如圖I所示的系統。TAPlOl接收外部網絡發來的數據，將一路數據複製為8路輸出分發給下ー層的8臺TAP102。第二層的8臺TAP102再將8路數據複製為64路並分發給第三層的64臺TAP103，第三層的64臺TAP103最 後將數據分發給256工作站/伺服器集。如果需要支持更多數量的工作站/伺服器，則需使用具有更多輸出端ロ的TAP或者採用更多層TAP級聯。在前述高性能捜索與高性能數據挖掘等應用中為了獲得更高的通信帶寬與性能，採用高速的IOG光接入網OAN (Optical Access Network)已成為主流，因此需要大量使用支持IOG光模塊的TAP。現代商業化的光網絡TAP主要採用兩種技術ー種是使用傳統的光纖放大器OFA(OpticalFiber Amplifier)加分光器輸出式TAP ;另ー種是電複製方式，即將光信號轉換成電信號之後，再經過數據分配器分配後即輸出給光模塊。使用光放大器(OFA)和分光器的8路輸出TAP如圖2所示，主要由光接收連接與耦合部件201、波長選擇耦合器(WSC) 202、雷射泵浦源203、光隔離器204、摻鉺光纖放大器EDOFA (Erbium-doped Optical Fiber Amplif ier) 205、分光器 206、光輸出連接與稱合部件207和電源與監控部分208組成。這種類型的TAP存在著以下問題I、商業化的光纖放大器205僅有摻鉺光纖放大器ー種，它只能對1550nm波長附近的光信號進行放大，對於短距傳輸常用的低成本SFP光模塊所使用的1310nm和850nm波長信號無放大能力。工作於1550nm波長的光模塊比工作於1310nm和850nm波長的光模塊更貴,並且體積較大無法做到SFP尺寸，這將大幅增加系統成本並降低系統容量。2、光纖放大器在放大過程中會引入額外的色散，包括群速度色散(GroupVelocityDispersion, GVD)等,這會使光信號的脈衝寬度增加,表現的結果是降低信號質量，嚴重時可能會產生誤碼。3、光纖放大器會引入額外的延遲時間。光在單模光纖SMF(Single-modeopticalfiber)中的傳播速度約為真空光速的2/3,即在單模光纖中姆傳播一米需要5納秒(ns)的時間；光在多模光纖MMF (Multi-mode optical fiber)中的傳播速度更慢。在高性能數據挖掘等對延遲極端敏感的應用中，這種使用光放大器(OFA)的TAP會極大的降低系統性能。使用電複製或電再生方式的TAP如圖3所示，主要由以下部分組成可插拔的ー個或多個收發光模塊301接收光信號並將其轉換為電信號輸出，通常是高速串行數據，此高速串行數據通過差分對SI耦合至302，302為ー級或多級差分的數據扇出緩衝器(FanoutBuffer)或多路復用器(Multiplexer)，負責將一路高速串行數據輸入轉換為多路高速串行數據輸出，並使用差分對S2耦合至收發光模塊301、使用差分對S3耦合至發送光模塊303。收發光模塊301和發送光模塊303負責將電的高速串行數據轉換為高速的光信號輸出。電源和監控部分304為整機提供電源，並可監視整機工作狀況。電複製或電再生方式的TAP可以通過更換光模塊同時支持不同波長的光信號，杜絕了使用光放大器和分光器的TAP所存在的僅支持1550nm波段的問題，並且可以使用SFP或者SFP+光模塊實現高密度安裝。但是通常的電複製或電再生方式的TAP存在著以下問題I、相對於在光纖中傳輸的光信號，電信號形式的高速串行數據在複製和傳輸的過程中更容易受到幹擾，這會給高速串行數據帶來額外的時間抖動(jitter)等，降低串行數 據的時間準確度。因為時間抖動本質上是信號的時間噪聲，按照噪聲疊加理論，時間抖動也可以進行疊加。在電複製或電再生方式的TAP中，電信號形式的高速串行數據在其傳輸路徑上的抖動將逐級疊加，直到轉換為光信號為止。觀察眼圖(eye pattern)是常用的評估高速串行數據信號質量的方法之一。用示波器或者眼圖儀採樣高速串行數據，當示波器或者眼圖儀的掃描時間與高速串行數據的波特率同步時，高速串行數據在示波器或者眼圖儀的顯示器上看起來會像人的眼睛，即眼圖。圖5所示為一路沒有抖動的高速串行數據的眼圖示意圖，圖形中間的六角形被稱之為「模板」，只有當組成眼圖的線條(由高速串行數據的採樣點組成)即「眼線」全部落在模板外部時才不會產生誤碼。圖6所示為實測的一路附加有大幅抖動的高速串行數據的眼圖，眼圖的眼線非常模糊，有大量的採樣點位於模板內部，這樣的高速串行數據將具有很高的誤碼率。一旦高速差分信號在高頻端的抖動幅度達到±0. 2UI (Unit Interval)，則接收端將無法正確識別信號碼元，從而產生誤碼；並且抖動越大，誤碼率越高。市場上商業化的電複製或電再生方式TAP通常都無法消除抖動。當系統僅包含一級TAP時，使用這種無法消除抖動的電複製或電再生式TAP的問題通常不大；但是在圖I所示需要級聯TAP以便大量複製高速數據信號的應用中，這種不帶抖動消除功能的電複製或電再生方式的TAP將無法勝任。2、相對於光纖每公裡不到IdB的衰減，電信號在複製和傳輸的過程中更容易受介質損耗和幹擾信號的影響。圖7為電信號的傳輸模型。從發送器701輸出的信號經過傳輸線702到達接收器703,被傳輸信號在傳輸線702上會感應噪聲電壓704。701輸出的信號用x(t)表不，702的傳輸函數為h(t)，噪聲電壓704用n(t)表示，則到達接收器703的信號y(t)=x(t)*h(t)+n(t)。其中h(t)由傳輸線的長度與形狀、傳輸線所處板材的介質損耗特性等共同決定，n(t)與傳輸線所處工作環境有夫。圖8所示為在O. 0762mm(合英制30密爾)厚度的多種板材上實測到的微帶線的衰減特性，該特性顯示傳輸線的距離越長則衰減越大。圖8中值得注意的一點是介質損耗會隨著信號頻率的升高而增大，即傳輸線的傳輸函數h(t)與頻率相關。過長的傳輸距離會帶來極大的衰減，尤其在信號的高頻段。這會使703接收到的信號y(t)中的x(t)*h(t)分量大幅減小，而704噪聲電壓n(t)所佔比重將加大，導致信號y(t)的信噪比降低，嚴重時會帶來誤碼。從眼圖上觀察，這種與頻率相關的損耗將導致高速信號的上升和下降沿變緩慢，並且不同碼型(比如0011與000111)因為其等效頻率不同，將會有不同的衰減值，即不同碼型之間發生變化時的上升和下降也會不同，這被稱之為碼間幹擾ISIdnter SymbolInterference)。圖9為一路IOGE信號經過45cm長的FR4傳輸線衰減之後的眼圖，由於信號隨頻率變化的衰減值不同以及碼間幹擾，所以該眼圖的眼線很雜亂，基本無法辨認。3、收發端ロ布局不合理，導致部分複製路徑衰減過大、延遲過長。圖10所示為目前市場上常見的一種電再生方式TAP,其輸入端ロ 1001和1002位於機箱的右邊，四通道輸出端ロ 1003、1004、1005、1006位於機箱的左邊。在這種拓撲結構裡，輸入端ロ 1001或1002的數據經過數據複製器1007之後到達1003部分的輸出端ロ的路徑幾乎要穿越超過機箱一半寬度的距離，按照每個SFP光模塊14. 25mm的寬度計算，1003部分最左邊的輸出端ロ距離最近的輸入端ロ 1001至少為16*14. 25mm = 228mm,電信號在PCB上傳播延228mm大約需要 丄ns。
發明內容
為了解決上述的各種問題，本發明提出了一種電複製TAP，包括M路收發器、M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器、M路均衡與預加重驅動器、NI路發送器、NI路均衡與預加重驅動器、N2路發送器、N2路均衡與預加重驅動器、M (N1+N2+M)路數據切換器、監視與控制單元、電源以及多條傳輸線，其特徵為所述M路收發器位於機箱前面板的中部，NI路發送器和N2路發送器分別位於的兩邊，並且NI和N2的數量大致相等。本發明所述的電複製TAP，M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器的特點是包含可變增益放大器VGA、FFE或者DFE類型的均衡器、時鐘數據恢復器和預加重差分驅動器，其特徵為，所述M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器的安裝位置的特點是緊靠M路接收器，可以確保二者之間的傳輸線的距離最短本發明所述的電複製TAP，其中所述M : (N1+N2+M)路數據切換器負責數據的轉發與路由控制，其輸出通道數為N1+N2+M，輸入通道數為M。從M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器恢復出來的數位訊號通過傳輸線送入M:(N1+N2+M)路數據切換器，再分別通過傳輸線複製給M路均衡與預加重驅動器送往M路收發器中的M路發送器；通過傳輸線複製給NI路均衡與預加重驅動器送往NI路發送器；通過傳輸線複製給N2路均衡與預加重驅動器送往N2路發送器。本發明所述的電複製TAP，其中監視與控制單元帶有ー個乙太網接ロ，井內建有網絡伺服器(Web Server)，該網絡伺服器包含有顯示設置TAP工作狀態的網頁。用戶可以使用瀏覽器訪問這些網頁以便監視TAP的工作狀態，還可通過網頁修改TAP的工作模式，設置M (N1+N2+M)路數據切換器的複製拓撲，或關閉未使用的輸出端ロ以降低能耗。
圖I顯示的是現有的TAP設備以及組網方法圖2顯示的是現有技術中使用光放大器和分光器的多路輸出TAP結構圖3顯示的是現有技術中電複製或電再生方式的TAP結構圖4顯示的是高速數據的抖動示意5顯示的是IOGbps數據的眼圖和模板圖6顯示的是示波器測試的眼圖結果圖7顯示的傳輸線的信道模型 圖8顯示的是PCB板材的衰減數據圖9顯示的是IOGbps信號經過長距離傳輸接收端收到的數據波形圖10顯示的是現有技術中TAP的結構設計圖11顯示的是本發明中TAP的硬體框圖設計圖12顯示的是接收端電路原理13顯示的是多路均衡與預加重驅動器的結構。
具體實施例方式以下參考圖11對本發明的實施方式進行具體描述。本發明所述的電複製TAP包括M路收發器1101、M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器1102、M路均衡與預加重驅動器1103、N1路發送器1104、N1路均衡與預加重驅動器1105、N2路發送器1106、N2路均衡與預加重驅動器1107、M (N1+N2+M)路數據分配器1108、監視與控制單元1109、電源1110以及傳輸線S1101、S1102、S1103、S1104、S1105、S1106、S1107、S1108組成。其中1111為機箱前面板。為了降低整體延遲，本發明所述電複製TAP的收發通道布局具有以下特徵M路收發器1101位於機箱前面板1111的中部，NI路發送器和N2路發送器分別位於1101的兩邊，並且NI和N2的數量大致相等。這種布局，可以避免傳輸線幾乎需要跨域整個機箱的情況；在M = 2的情況下，可以保證所有輸出通道與輸入通道之間的直線距離小於機箱前面板1111寬度的一半。M路收發器1101的特點是可以為光模塊或者電的收發端ロ，包含有M路接收器IlOla,可以接收光或者電的輸入信號；M路發送器IlOlb,可以發出光或者電的輸出信號。M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器1102的特點是包含可變增益放大器 VGA(Variable Gain Amplifier) 1201> CTLE (ContinuousTime Linear Equalization)>FFE(Feed Forward Equalization)或者DFE(Decision Feedback Equalization)類型的均衡器1202、時鐘數據恢復器1203和預加重差分驅動器1204，如圖12所示。1102的安裝位置的特點是緊靠M路接收器1101a，這可以確保二者之間的傳輸線SllOl的距離最短。根據圖8所述的傳輸線模型和圖7所示的介質損耗特性，最短的傳輸線擁有最優的傳輸函數，並且最短的傳輸線使得其感應噪聲電壓的可能性大大降低，從而使達到1102的信號最接近IlOla輸出的原始信號。經過1202均衡後的信號送入時鐘數據恢復器1203提取出位時鐘，並使用該時鐘對進行重定時，從中恢復出正確的ニ進位數位訊號送入帶預加重(pre-emphasis)的差分驅動器1204。1204的預加重功能可以根據PCB板材在高頻段的衰減預先提升輸出信號的高頻分量從而補償傳輸線上與頻率相關的損耗。通過使用帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器1102，可以將達到M:(Ni+N2+M)路數據分配器1108之前的高速串行數據的抖動降到最低，從而防止抖動和碼間幹擾的累積，這能極大的提高通信的可靠性，滿足級聯的需求。帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器1102還可以補償信號進入接收器IlOla之前的衰減，並消除其抖動。該功能包含但不限於單模或多模光纖和光模塊組成的信道以及銅纜。M:(N1+N2+M)路數據切換器1108負責數據的轉發與路由控制，其輸出通道數為N1+N2+M，輸入通道數為M。從M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器1102恢復出來的數位訊號通過傳輸線SI 103送入M (Ν +Ν2+Μ)路數據切換器1108，再分別I、通過傳輸線S1104複製給M路均衡與預加重驅動器1103送往M路收發器1101中的M路發送器IlOlb ；2、通過傳輸線S1105複製給NI路均衡與預加重驅動器1105送往NI路發送器1104 ;3、通過傳輸線S1107複製給N2路均衡與預加重驅動器1107送往N2路發送器1106。多路均衡與預加重驅動器1103、1105和1107的結構如圖13所示，包含CTLE (ContinuousTime Linear Equalization)> FFE (Feed Forward Equalization)或者DFE (Decision FeedbackEqualization)類型的均衡器1301、時鐘數據恢復器1302和預加重差分驅動器1303。均衡器1301可以分別補償傳輸線S1104、S1105和S1107的衰減；時鐘數據恢復器1302可以對高速差分數據重定吋，消除抖動；預加重差分驅動器1303可以補償S1102、S1106和S1108的衰減，配合1103、1105和1107的安裝位置分別靠近其對應的發送器1101b、1104和1106的特性，可以使傳輸線S1102、S1106和S1108的距離最短，從而最大限度的降低這些路勁上的損耗，使達到發送器1101b、1104和1106的信號質量最佳，降低誤碼。M (N1+N2+M)路數據切換器1108可以根據監視與控制單元1109的配置實現多種複製拓撲I、將M路接收器IlOla接收到的某一路信號同時複製給M路均衡與預加重驅動器1103、NI路均衡與預加重驅動器1105和N2路均衡與預加重驅動器1107，之後再輸出；
2、將M路接收器IlOla接收到的某幾路信號分別複製給M路均衡與預加重驅動器1103和/或NI路均衡與預加重驅動器1105和/或N2路均衡與預加重驅動器1107，之後再輸出；
3、在前述兩種複製拓撲中，可以關閉部分未使用的輸出通道，以降低整機功耗。監視與控制單元1109帶有ー個乙太網接ロ，並內建有網絡伺服器(Web Server),該網絡伺服器包含有顯示設置TAP工作狀態的網頁。用戶可以使用瀏覽器訪問這些網頁以便監視TAP的工作狀態，還可通過網頁修改TAP的工作模式，設置M (N1+N2+M)路數據切換器1108的複製拓撲，或關閉未使用的輸出端ロ以降低能耗。以上結合附圖對本發明優選實施方式進行了詳細描述，但是本發明不限於上述實 施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明精神的前提下做出各種變化。
權利要求
1.一種電複製TAP，包括M路收發器、M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器、M路均衡與預加重驅動器、NI路發送器、NI路均衡與預加重驅動器、N2路發送器、N2路均衡與預加重驅動器、M (N1+N2+M)路數據切換器、監視與控制單元、電源以及多條傳輸線，其特徵為 所述M路收發器位於機箱前面板的中部，NI路發送器和N2路發送器分別位於的兩邊，並且NI和N2的數量大致相等。
2.如權利要求I所述的電複製TAP，M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器的特點是包含可變增益放大器VGA、FFE或者DFE類型的均衡器、時鐘數據恢復器和預加重差分驅動器，其特徵為， 所述M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器的安裝位置的特點是緊靠M路接收器，可以確保二者之間的傳輸線的距離最短
3.如權利要求I所述的電複製TAP，其中所述M:(N1+N2+M)路數據切換器負責數據的轉發與路由控制，其輸出通道數為N1+N2+M，輸入通道數為M。從M路帶放大功能的均衡器與時鐘數據恢復器恢復出來的數位訊號通過傳輸線送入M :(N1+N2+M)路數據切換器，再分別 通過傳輸線複製給M路均衡與預加重驅動器送往M路收發器中的M路發送器； 通過傳輸線複製給NI路均衡與預加重驅動器送往NI路發送器； 通過傳輸線複製給N2路均衡與預加重驅動器送往N2路發送器。
4.如權利要求I所述的電複製TAP，其中監視與控制單元帶有一個乙太網接口，並內建有網絡伺服器(Web Server)，該網絡伺服器包含有顯示設置TAP工作狀態的網頁。用戶可以使用瀏覽器訪問這些網頁以便監視TAP的工作狀態，還可通過網頁修改TAP的工作模式，設置M (N1+N2+M)路數據切換器的複製拓撲，或關閉未使用的輸出埠以降低能耗。
全文摘要
本發明提出一種TAP設備，通過電複製的方法，將高速數據分發到多個監控埠，同時保持信號質量不變。通過輸入端均衡電路和輸出端預加重電路以及時鐘恢復電路，從傳輸路徑上的衰減中恢復出原始信號，並保證傳輸延遲最低。
文檔編號H04L29/08GK102684945SQ201210142520
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者李彧, 沈文博, 苗澎, 許迎春, 陳祝清 申請人:南京英飛諾網絡科技有限公司