CN102307142A - 背板系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背板系统，该背板系统包括：电背板本体、多个单板及有源并行光缆，其中，每个单板上设置有一个或多个用于适配有源并行光缆的高速电连接器；电背板本体上包括有一个或多个用于高速电连接器透出的高速信号连接开口区域；相邻两个单板上的高速电连接器之间通过有源并行光缆连接。通过该背板系统，可以增加传统背板的交换带宽。

Description

背板系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种背板系统。

背景技术

随着智能手机终端的普及以及云计算等新兴技术的不断涌现，互联网业务对带宽的需求越来越大，而处于互联网拓扑核心节点的通信设备的当前端口接入带宽与背板交换带宽却逐渐成为互联网应用的瓶颈，因此，通信设备(例如，高端路由器)急需对背板带宽进行更新、换代升级来适配新的互联网业务拓展需求。

目前，提高通信设备背板带宽的主流技术有两类：第一类是在传统电背板上(图1示出了传统电背板的原理示意图)增加背板高速链路的数量或提高高速链路的速率；第二类是更改背板的材质，例如，以光波导背板(图2示出了传统光背板的原理示意图)代替电背板，利用光信号的高带宽以及低传输损耗来达到提高背板带宽的目的。

1、第一类技术，理论上电背板的交换带宽正比于背板高速链路的数量与单根高速链路传输速率的乘积。

在实际应用中，如果采用第一类技术，需要在单位面积PCB(Printed Circuit Board，印刷线路板)上布下更高密度的高速走线，这将带来PCB成本增加、可靠性降低等问题，高速信号之间的串扰引起的信号完整性问题和电磁兼容问题也更加突出，需要用到有源信号补偿技术。

例如，以背板高速信号频率3.125Gbps为分界点，3.125Gbps以下的背板可以使用普通材质的PCB，这种情况下，可以不使用有源信号补偿技术或者只在信号发送端使用预加重技术；3.125Gbps速率以上的背板有可能要用到具有更低损耗的材质的PCB，这种情况下，有源信号补偿技术需要同时在信号发送端和接收端使用。随着互联网业务的发展，背板高速频率逐渐朝着6.25Gbps、12.5Gbps甚至25Gbps方向发展，目前的有源信号补偿技术一般只能做到支持6.25Gbps，而对于12.5Gbps的背板高速信号速率而言，则需要在PCB的板材以及制造工艺上做盲埋孔和背钻等特殊处理，以达到减小信号损耗的目的，然而，这些处理工艺会带来背板成本的大幅度攀升，且随之而来的单板翘曲以及成品加工率等问题也更为突出。同时，有源信号补偿技术的使用会带来系统功耗的大幅攀升，以1条单向高速信号补偿带来250mw额外功耗为例，1000条单向高速链路规模的背板将会增加功耗250W，不符合国家节能减排的要求，而且如果采用分立的预加重与均衡芯片，将减少单板以及背板的可用布局区域。对于超过12.5Gbps的高速信号已经逐渐接近传统电信号PCB板材的极限，以与之配合的有源信号补偿能力为20dB为例，如果高速信号完整链路背板处(包括连接器)的损耗超过20dB那么将存在信号完整性较低问题。

由此可见，在传统电背板上增加背板高速链路的数量或提高高速链路的速率方法主要存在以下的缺陷：

a.提高高速链路数量，会带来以下几个方面的问题：(1)，在相同的尺寸背板上增加高速链路数量会带来高速链路背板层数的增加，这会加大背板的加工难度，导致制作成本的增加以及潜在的电磁兼容问题；(2)，提高高速链路数量会带来功耗的增加，这会对系统的散热能力以及芯片的封装技术产生很大的考验。

b.提高背板高速链路的传输速率，会带来以下问题：存在一些本质性的桎梏(例如，损耗、串扰、反射以及寄生效应等)阻止高速链路达到更高的速率，只能借助外界芯片的有源信号补偿技术来改善信号完整性问题，而这同样会引起系统功耗的增加，而且，即使使用有源信号补偿技术对信号的补偿，但该补偿的作用仍然是有限的，同样会限制高速链路能达到的最高上限。

2、第二类技术，用光波导背板材料代替电背板，利用光信号的高传输带宽和低损耗来实现背板光信号的互联。

在实际应用中，使用较多的光背板互联技术主要有三种：第一种是聚合物光波导互联技术，一般采用类似于现有PCB加工技术，加工出多层聚合物波导，但是存在光波长和波导尺寸相比拟导致难以实现波导弯曲的问题；第二种是光纤柔性背板技术，这种技术是将光纤电路布线封装在柔性板材中；第三种是自由空间光互连，可以采用基于MEMS(Micro ElectroMechanical systems，微电子机械系统)的透镜阵列，可以对输入输出端口对应关系进行任意编程。但是，光背板的各种技术都存在一些共同的问题，例如，光连接器对准精度要求高，光接口易受污染影响，尤其是目前光背板的生产成本是电信号背板的生产成本的数倍以上，且生产质量管控以及后续的使用过程中的维护都比较困难。

由此可见，虽然光PCB技术已经开展研究多年，但是相关的一些技术仍然不成熟，主要表现在：光波导的批量生产的质量控制问题、光连接器的对齐问题，以及机械可靠性的问题，而现有技术并没有对上述几个问题给予很好的解决。

针对目前这两种主流的提高背板带宽的方法各自存在的一些弊端，相继有人提出了一些改进方案。例如，一种采用光波导通道，它能够降低光背板互联系统物理实现的复杂度，而且通过采用将线路板中的前后插板分立地、相互垂直地设置在背板两侧的方式，省去背板中的光波导通道，改为将前后插板中的光波导通道直接通过连接器对接实现光信号的传输从而缩短了光波导链路，降低了光信号的损耗。这种方法通过设置光波导通道，无须在背板上埋入光波导，但是在光波导通道上形成对插的前后插板上仍然需要埋入光波导，依旧存在光连接器的对齐、机械可靠性以及性能易受污染影响等问题。

针对光波导背板中光连接器接口易受污染的问题，现有技术提出了一种改进方案，该方案中主要涉及一种光电混合背板，该光电混合背板包括电背板部分和光波导背板部分。在该方案中，与背板系统适配的是一种光电线卡，该线卡既通过电信号连接器与混合背板的电背板部分相连接，又通过光缆与混合背板的光背板部分相连接；同时，该方案还涉及一种光背板的光接口的导向装置，该导向装置可以为光接口的耦合与清洗提供方便；但是，该方案提到的相互垂直装配的一种混合背板，既包含电背板，也包含光背板，因此仍然存在光波导的批量生产质量较难控制与实现成本较高的问题。

综上所述，目前的主流通信设备背板交换带宽提高技术无法同时满足既解决性能，又解决可批量生产质量较难控制以及实现成本较高的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种背板系统，以至少解决上述问题之一。

根据本发明，提供了一种背板系统，包括：电背板本体、多个单板及有源并行光缆，其中，每个单板上设置有一个或多个用于适配有源并行光缆的高速电连接器；电背板本体上包括有一个或多个用于高速电连接器透出的高速信号连接开口区域；相邻两个单板上的高速电连接器之间通过有源并行光缆连接。

优选地，电背板本体上还包括有低速信号连接区域；低速信号连接区域设置有低速电连接器；每个单板通过低速电连接器与电背板本体连接。

优选地，低速电连接器包括低速电连接器第一组件和低速电连接器第二组件；低速电连接器第一组件位于每个单板上，低速电连接器第二组件位于电背板本体上。

优选地，电背板本体上还包括有电源连接区域；电源连接区域设置有电源连接器；每个单板通过电源连接器与电背板本体连接。

优选地，电源连接器包括电源连接器第一组件和电源连接器第二组件；电源连接器第一组件位于每个单板上，电源连接器第二组件位于电背板本体上。

优选地，有源并行光缆的两端各设置有一个光电转换器，其中，光电转换器的光接口直接和有源并行光缆耦合连接。

优选地，单板的类型包括：线卡、交换卡以及控制管理单板。

通过本发明，采用以有源并行光缆连接传统电背板上的单板的背板系统，解决了现有的电信号背板增加高速链路的数量容易受限、光信号背板的生产质量难以管控且光接口对准难度大的问题，进而达到了既提高了背板带宽又降低了生产成本的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的传统电背板的结构示意图；

图2是根据相关技术的传统光背板的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的背板系统的结构示意图；

图4是根据本发明优选实施例的背板系统的电背板本体上的各个区域(高速信号连接开口区域、低速信号连接区域及电源连接区域)的位置示意图；

图5是根据本发明优选实施例的一块线卡与四块交换卡之间以有源并行光缆装配的背板系统的前视图；

图6是根据本发明优选实施例的一块线卡与四块交换卡之间以有源并行光缆装配的背板系统的后视图；

图7是根据本发明优选实施例的一块交换卡与十六块线卡之间以有源并行光缆装配的背板系统的前视图；

图8是根据本发明优选实施例的一块交换卡与十六块线卡之间以有源并行光缆装配的背板系统的后视图；

图9是根据本发明优选实施例的四块交换卡与十六块线卡之间以有源并行光缆装配的背板系统的前视图；

图10是根据本发明优选实施例的四块交换卡与十六块线卡之间以有源并行光缆装配的背板系统的后视图；

图11是根据本发明优选实施例的高速信号路径示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请同时参考图3、图4，图3是根据本发明实施例的背板系统的结构示意图，如图3所示，该背板系统主要包括：电背板本体1、多个单板2及有源并行光缆3，其中，每个单板2上设置有一个或多个用于适配有源并行光缆3的高速电连接器12，电背板本体1上包括有一个或多个用于高速电连接器12透出的高速信号连接开口区域11，相邻两个单板2上的高速电连接器12之间通过有源并行光缆3连接。通过使用有源并行光缆3连接相邻两个单板的高速信号连接区域，可以实现单板的带宽增加。

在本发明实施例的一个优选实施方式中，有源并行光缆3两端可以分别插入单板2的高速电连接器12，以完成单板2间的高速信号互联，类似地，可以用在2M个单板2之间以M条有源并行光缆3连接以传输高速信号，每个单板2之间至少有1条有源并行光缆3相连，由于单板2的类型包括线卡和交换卡，所以，在实际应用中，线卡和交换卡可以混合连接，例如，M个线卡可以通过N条有源并行光缆3分别与N个交换卡相连接，从而构成交换卡和线卡之间的全连接，可以达到高速信号的交叉分发传输。在本发明实施例的一个优选实施方式中，每条有源并行光缆3可以包含多条平行排列、长度相同、且被包覆在一起的单根有源光缆，而且，为了光信号和电信号能够相互转换，在每个有源并行光缆3的两端还分别设置有一个光电转化器(当然也可以是内置有光电转换模块的装置)，由于光电转换器很小且安装在有源并行光缆3的内腔，因此，在图3中并未示出。

在本发明实施例中，电背板本体1上还可以包括有低速信号连接区域13，低速信号连接区域13设置有低速电连接器15，每个单板2通过低速电连接器15与电背板本体1连接，在实际应用中，低速电连接器15可以采用组合器件，例如，低速电连接器15可以包括低速电连接器第一组件152和低速电连接器第二组件154，其中，低速电连接器第一组件152位于每个单板2上，低速电连接器第二组件154位于电背板本体1上。例如，单板2可以通过设置在单板2上的低速电连接母头与设置在电背板本体1上的低速电连接器公头连接，以完成低速控制信号的互联。

在本发明实施例中，电背板本体1上还可以包括有电源连接区域14，电源连接区域14可以设置有电源连接器16，每个单板2可以通过电源连接器16与电背板本体1连接。在实际应用中，低速电连接器16可以采用组合器件，例如，电源连接器16包括电源连接器第一组件162和电源连接器第二组件164，其中，电源连接器第一组件162位于每个单板2上，电源连接器第二组件164位于电背板本体1上。例如，单板2可以通过设置在但板上的电源连接器母头与设置在电背板本体1上的电源连接器公头相连接，以完成单板2从电背板本体1上获取电源。

需要说明的是，对于上述单板类型的选择，在实际应用中，并不限于上述提到的线卡、交换卡，还可以包括各种控制管理单板。

通过上述实施例提供的背板系统，可以在兼顾传统电背板的低成本和高可靠性的同时，以有源并行光缆的连接方式实现背板的高速链路的带宽增加。

本发明实施例基于并行光缆互联技术可以同时解决当前技术无法同时兼顾性能与经济性的问题。下面结合具体实施例，对上述优选实施例中的背板系统的装配步骤进行详细的说明：

以高端路由器的交换卡使用SF(Switch Fabric，交换网)芯片、线卡使用SA(Switch Access，交换接口)芯片，交换卡和线卡上使用的有源光缆电信号连接器为Molex SD-170465-0001，有源光缆型号为Finisar FCBGD12CD1C20，背板低速连接器(即上述的低速电连接器)为TYCOTinman 96芯连接器为例。

结合图5和图6描述一块线卡和四块交换卡建立高速链路连接的装配步骤，如图5、图6所示，主要步骤如下：

S501，完成线卡5a插入背板59的操作，包括线卡低速电连接器母头与背板低速电连接器公头的连接适配52，线卡电源连接器母头与背板电源连接器公头连接器的连接53，安置在线卡上的全部有源光缆电信号连接器54透出背板上挖空的区域51，方便后面的有源光缆68插入操作；

S502，完成1块交换卡55插入背板59的操作，包括交换卡低速电连接器母头与背板低速电连接器公头的连接适配57；交换卡电源连接器母头与背板电源连接器公头连接器的连接58，安置在交换卡上的全部有源光缆电信号连接器56透出背板上挖空的区域51，方便后面的有源光缆68插入操作；

S503，重复3次交换卡55的插入操作，完成全部4块交换卡55与背板59的连接；

S504，完成1块线卡5a和全部4块线卡55间的有源光缆68的连接，依次使用4根有源光缆(FCBGD12CD1C20)完成线卡上4个SD-170465-0001的有源光缆电接口与全部4块交换卡的连接，每块交换卡和线卡之间均有1根有源光缆进行连接，每根有源光缆包含12个高速信号通道，依此类推一块线卡与全部交换卡的高速通道连接数为48个。

在一个路由器背板中，对一块线卡而言，要与所有的交换卡形成全连接，同样，对一块交换卡而言，也要与所有的线卡形成全连接。下面结合图7和图8描述一块交换卡与十六块线卡建立高速链路连接的装配步骤，如图7、图8所示，主要步骤如下：

S701，完成交换卡76插入背板79的操作，包括交换卡低速电连接器母头与背板低速电连接器公头的连接适配77，交换卡电源连接器母头与背板电源连接器公头连接器的连接78，安置在交换卡上的全部有源光缆电信号连接器7a透出背板上挖空的区域75，方便后面的有源光缆84插入操作；

S702，完成1块线卡7b插入背板的操作，包括线卡低速电连接器母头与背板低速电连接器公头的连接适配73，线卡电源连接器母头与背板电源连接器公头连接器的连接74，安置在线卡上的全部有源光缆电信号连接器72透出背板上挖空的区域71，方便后面的有源光缆84插入操作；

S703，重复15次线卡7b的插入操作，完成全部16块线卡7b与背板79的连接；

S704，完成1块交换卡76和全部16块线卡7b间的有源光缆84的连接，依次使用16根有源光缆(FCBGD12CD1C20)完成交换卡上16个SD-170465-0001的有源光缆电接口与全部16块线卡的连接，每块交换卡和线卡之间均有1根有源光缆进行连接。

依次类推，参照图9与图10，完成基于有源并行光缆光互连的背板系统所有16块线卡和4块交换卡的高速链路连接的步骤如下：

S901，完成1块交换卡95插入背板9a的操作，包括交换卡低速电连接器母头与背板低速电连接器公头的连接适配97，交换卡电源连接器母头与背板电源连接器公头连接器的连接98，安置在交换卡95上的全部有源光缆电信号连接器96透出背板9a上挖空的区域99，方便后面的有源光缆107插入操作；

S902，重复3次交换卡95的插入操作，完成全部4块交换卡95与背板9a的连接；

S903，完成1块线卡9b插入背板9a的操作，包括线卡低速电连接器母头与背板低速电连接器公头的连接适配93，线卡电源连接器母头与背板电源连接器公头连接器的连接94，安置在线卡9b上的全部有源光缆电信号连接器92透出背板上挖空的区域91，方便后面的有源光缆107插入操作；

S904，重复15次线卡9b的插入操作，完成全部16块线卡9b与背板9a的连接；

S905，完成1块交换卡95和全部16块线卡9b间的有源光缆的连接，因此依次使用16根有源光缆(FCBGD12CD1C20)完成交换卡上16个SD-170465-0001的有源光缆电接口与全部16块线卡的连接，每块交换卡和线卡之间均有1根有源光缆进行连接；

S906，重复3次交换卡95和全部16块线卡9b间的有源光缆107连接的插入操作，完成全部4块交换卡与16块线卡的连接。

在搭建好基于有源并行光缆互联的背板系统后，为了说明该背板系统以及装配方法能既满足经济性又满足高性能要求，除了常规的背板与插在背板上的单板的低速电信号连接和电源连接外，可以以槽位1的线卡发往槽位2的线卡的一个点到点的单播业务为例，描述背板的相关高速信号的一个完整传输路径与步骤。请参照图11，如图11所示，背板的相关高速信号的一个完整传输路径与步骤如下：

S111，槽位1相关的线路接口的相关业务经线卡上的网络处理器等处理后传递到交换接入芯片SA，SA根据单播目的地将业务通过选中的可以通往槽位2的高速链路向交换卡传递，在这个过程中，高速信号在线卡内部均是按电信号媒介传输的；

S112，选中的通往槽位2的高速电信号在线卡上的SD-170465-0001的有源光缆电接口上与插入其中的有源光缆电光转换单元完成耦合，随后经该电光转换单元转换成的光信号继续沿着有源光缆的光通道向交换卡的有源光缆的另一侧端口传递，该交换卡包含槽位1交换接入芯片选中的通往连接到槽位2的有效路径；

S113，当光信号到达交换卡的有源光缆的另一侧端口后，经过该端口的光电转换单元转换成电信号并耦合到交换卡上的交换网芯片SF，SF根据转发规则选中通往单播目的地槽位2线卡的高速路径，再进行传递；

S114，该高速路径到达本交换卡的出口(有源光缆电接口)后，与插入其中的有源光缆电光转换单元完成耦合，随后经该电光转换单元转换成的光信号继续沿着有源光缆的光通道向槽位2线卡的有源光缆的另一侧端口传递；

S115，当光信号到达槽位2线卡的有源光缆的另一侧端口后，经过该端口的光电转换单元转换成的电信号通过该线卡上的有源光缆电连接器耦合到线卡上的交换接入芯片SA，进而再通过网络处理器处理之后传递给槽位2相关的线路接口，完成整个槽位1到槽位2的单播业务转发流程。

需要说明的是，当单播流量较大的时候，可以选择多条路径进行负荷分担的传输，同理，组播与广播等业务也有类似的处理方法。但对于高速信号的物理传输，整个高速信号的传输路径分为单板上的电信号部分以及有源光缆的光信号部分，单板上可以控制电信号的路径很短，衰减较低，长距离的连接由有源光缆的光信号部分实现。由于有源光缆光接口不对外开放，所以不存在传统光接口难以对齐的以及易受污染的问题。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：将常用于面板侧设备间互联使用的有源并行光缆光互连技术引入到高速背板的信号互联中来提升背板的交换容量，通过将背板信号区分成低速信号部分以及高速信号部分，低速信号部分采用传统电背板方案兼顾了电背板的可生产性与低制造成本和高可靠性，高速信号部分采用单板上设置光电转换模块适配的电信号插座，背板上机械结构开口透出该插座，方便操作。从而达到了既解决了光波导背板的成本昂贵、加工困难、不利于大规模工业应用的问题，而且也避免了高速电信号长距离传输带来的信号完整性和电磁兼容性问题，同时兼顾了经济性和高性能的效果。

在上述列举的实施例中，均采用的是有源光缆作为并行高速信号传输的媒介，但并不局限于此，在实际应用中，也可以采用光接口对外开放的并行光模块与并行光缆的组合来实现，但需要另外考虑光模块与光缆接口的连接的机械强度可靠性，并注意在实际的光缆插拔过程中尽量避免光接口受到污染。

同样的，受当下技术发展的水平限制，有源电缆与无源电缆均无法适用于本发明的背板高速信号连接媒介。但随着技术的发展，如果后续有源电缆的折弯半径问题得到解决，有源电缆也可以用于替换有源光缆适用于本发明。进一步地，如果损耗问题得到解决无源电缆还可以用来更换有源电缆，得到更优化的系统实现成本。

本发明所述的背板系统可以适用于除上述实施例已经提到的高端路由器之外的其他可能用到背板系统的通信设备，例如，高端交换机、超级并行计算机、以及与云计算相关的存储设备等，上述设备均涉及到背板系统的应用。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种背板系统，其特征在于，包括：电背板本体、多个单板及有源并行光缆，其中，

每个所述单板上设置有一个或多个用于适配所述有源并行光缆的高速电连接器；

所述电背板本体上包括有一个或多个用于高速电连接器透出的高速信号连接开口区域；

相邻两个所述单板上的高速电连接器之间通过所述有源并行光缆连接。

2.根据权利要求1所述的背板系统，其特征在于，包括：

所述电背板本体上还包括有低速信号连接区域；

所述低速信号连接区域设置有所述低速电连接器；

每个所述单板通过所述低速电连接器与所述电背板本体连接。

3.根据权利要求2所述的背板系统，其特征在于，包括：

所述低速电连接器包括低速电连接器第一组件和低速电连接器第二组件；

所述低速电连接器第一组件位于每个所述单板上，所述低速电连接器第二组件位于所述电背板本体上。

4.根据权利要求1所述的背板系统，其特征在于，包括：

所述电背板本体上还包括有电源连接区域；

所述电源连接区域设置有电源连接器；

每个所述单板通过所述电源连接器与所述电背板本体连接。

5.根据权利要求4所述的背板系统，其特征在于，包括：

所述电源连接器包括电源连接器第一组件和电源连接器第二组件；

所述电源连接器第一组件位于每个所述单板上，所述电源连接器第二组件位于所述电背板本体上。

6.根据权利要求1所述的背板系统，其特征在于，包括：所述有源并行光缆的两端各设置有一个光电转换器，其中，所述光电转换器的光接口直接和所述有源并行光缆耦合连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的背板系统，其特征在于，所述单板的类型包括：线卡、交换卡以及控制管理单板。

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