CN116017219A - 基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，包括机箱箱体、前插板卡、高速背板、后插板卡及光转接连接器，高速背板设置在前插板卡和后插板卡之间，前插板卡及后插板卡与高速背板之间均通过高速电连接器实现信号互连，前插板卡上设置有多个FPGA高速芯片，后插板卡上设置有多个高速光模块，光模块与设置在后插板卡后端面的光连接器连接，该光连接器通过光纤线缆组件与设置在机箱面板上的光转接连接器互连。本发明将多个FPGA芯片与多个光模块分别设置在前、后插板卡，不仅分散了前插板卡的整体热耗，而且增加了光电转换的链路数量，解决了元器件空间布局不足及前、后插板卡之间高速信号通信的信号完整性问题。

Description

基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统

技术领域

本发明涉及光电转换技术领域，具体是一种基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，设备与设备间高数据量的交互和远距离的传输越来越被需要，于是，基于VITA66标准的光电转换互连系统正被广泛应用于车载或地面固定站的通信设备中。该光电转换互连系统是一种集模块化、综合化和小型化于一体，且可实现即插即拔的光电转换通讯设备架构。具体系统架构拓扑图如图1所示，模型图如图2所示。该架构主要通过以下几点实现数据的光电转换与互连：

(1)、功能板卡上的FPGA高速芯片实现高速电信号的发射与接收；

(2)、功能板卡上的光电转换模块将FPGA高速芯片发送的高速电信号转化成光信号传输给外部设备，然后将接收到外部设备的光信号转化成高速电信号再传输给FPGA高速芯片，从而实现数据的交互；

(3)、功能板卡通过光模块尾部光纤装在板卡的光连接器插头中，然后再与装在背板上光连接器插座中的光缆互连，进而实现光链路的互连。

该架构主要存在以下缺点：

(1)、现有的功能板卡空间不足以满足多路光模块的布局需求

现有的标准6U VPX板卡，外形尺寸为233.35mm*160mm，再加上为了考虑芯片的热耗，设计了散热的冷板结构，冷板的安装也占用了一部分器件的布局空间，这就导致当有多路光信号需要输出的时候，板卡上已经没有足够的空间来进行高速芯片以及光模块的布局。

(2)、板卡电路设计复杂度高以及维修性差

由于当前设备功能越来越复杂，板卡上的集成芯片也越来越多，再加上还需要布局光电转换模块，因此板卡上器件的布局以及PCB的走线将会错综复杂，这无疑对电路的信号完整性设计以及芯片出故障后的维修带来了极大困难。

(3)、板卡功耗大，散热困难

板卡上的集成芯片以及光模块全部集中在尺寸为233.35mm*160mm的范围内，板卡功耗大，对系统散热增加了困难。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，增加了后插板卡，加大了整个器件布局的面积，有利于整机系统散热的设计；将光电转换模块和其他集成芯片分开，降低了前插板卡的设计难度，提高了功能板卡的可维修性，同时增加了光电转换的链路数量，并解决了前后插板卡之间10Gbps高速信号通信的信号完整性问题。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，包括机箱箱体、前插板卡、高速背板、后插板卡、光纤线缆组件以及光转接连接器，所述的光转接连接器设置在机箱面板上用于作为对外光接口，前插板卡、高速背板、后插板卡、光纤线缆组件均设置在机箱内，高速背板设置在前插板卡和后插板卡之间，前插板卡与高速背板一侧面通过第一电连接器实现信号互连，后插板卡与高速背板另一侧面通过第二电连接器实现信号互连，前插板卡上设置有多个FPGA高速芯片，多个FPGA高速芯片与第一电连接器信号互连，后插板卡上设置有多个光模块，光模块一端与第二电连接器实现高速电信号互连，另一端与设置在后插板卡后端面的光连接器连接，该光连接器通过光纤线缆组件与机箱面板上的光转接连接器互连；为了满足高速信号传输需求，所述的前插板卡、后插板卡以及高速背板的板材选用M6的R5775系列板材。

本发明通过以上方案可以使外部光信号通过光模块转换为10Gbps电信号，再传输至前插板卡的FPGA高速芯片。或者，将FPGA高速芯片的多路10Gbps电信号转换为光信号对外输出。以上方案将多个高速电信号FPGA芯片与多个10Gbps光模块分别设置在前插板卡和后插板卡，分散了前插板卡的整体热耗，另一方面增加了光电转换的链路数量，降低了前插板卡的设计难度，提高了功能板卡的可维修性，解决了只有前插板卡造成的布局元器件空间不足的问题。

作为进一步优选，所述的第一电连接器为前插(P/J)用的VPX20系列电连接器，第二电连接器器为后插(RP/RJ)用的VPX20系列电连接器。

作为进一步优选，第一电连接器插头端设置在前插板卡上，第一电连接器插座端设置在高速背板靠近前插板卡的一侧面；第二电连接器插头端设置在后插板卡上，第二电连接器插座端设置在高速背板靠近后插板卡的一侧面；多个FPGA高速芯片与第一电连接器插头信号互连，多个10Gbps光模块与第二电连接器插头信号互连。

作为进一步优选，所述光纤线缆的两端为内置MT插头的光连接器，其一端与后插板卡后端面的光连接器光耦合，另一端与机箱面板上的光转接连接器光耦合。

作为进一步优选，所述光连接器采用JYSK系列光连接器，光转接连接器采用GYM系列光连接器。

作为进一步优选，所述前插板卡和后插板卡中设计的高速差分信号线采用带状线模型，走线阻抗按照100±10Ω控制；前插板卡和后插板卡在高速差分信号线叠层设计时，优先将10Gbps的高速差分信号线走在距离印制板顶层1.1mm位置的信号层。且前插板卡和后插板卡中电连接器高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计，且高速差分信号过孔要进行背钻设计，并在高速差分信号过孔处增加反焊盘，反焊盘的长为3.5mm，宽为1.1mm。

作为进一步优选，后插板卡上的光模块引脚扇出过孔采用盲孔设计，线路上串接的耦合电容处的走线过孔进行背钻处理，以减少过孔带来的短桩效应，减少链路损耗。

作为进一步优选，所述高速背板的最佳厚度控制在3.8mm±0.38mm。高速背板连接器高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计，背板高速差分信号对应的过孔处增加反焊盘，反焊盘的长为4.8mm，宽为1.3mm。

本发明通过以上设计保证了高速电信号的信号质量，避免了光电转换链路中出现误码，从而保证了数据交互质量。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有广泛的利用价值，其至少具有下列优点：

本发明增加了后插板卡，加大了整个器件布局的面积，有利于整机系统散热的设计；将芯片和光电转换模块分开，分别设置在前插板卡和后插板卡上，不仅降低了前插板卡的设计难度，提高了功能板卡的可维修性和散热性，而且极大地增加了光电转换的链路数量，有效地解决了只有前插板卡造成的布局元器件空间不足的问题。

通过对前插板卡、后插板卡及高速背板的板材、连接器及高速差分信号线走线进行设计，解决了前、后插板卡之间10Gbps高速信号通信的信号完整性问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是现有符合VITA66标准的光电转换系统拓扑图；

图2是现有符合VITA66标准的光电转换系统模型图；

图3是本发明基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换系统拓扑图；

图4是本发明基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换系统模型图；

图5是前插板卡及后插板卡高速信号走线位置及过孔背钻的示意图；

图6是前插板卡及后插板卡高速连接器引脚差分对反焊盘尺寸图；

图7是高速背板上高速连接器引脚差分对反焊盘尺寸图。

【元件及符号说明】：

1-机箱箱体；

2-功能板卡；

3-VPX20电连接器；

4-背板；

5-机箱对外光接口；

6-光纤线缆组件；

7-RPB5系列光连接器；

8-前插板卡；

9-高速背板；

10-后插板卡；

11-光连接器；

12-光转接连接器；

13-第一电连接器；

14-第二电连接器；

15-印制板顶层焊盘；

16-高速信号线；

17-印制板底层；

18-高速信号孔背钻。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例以及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中的描述和所示的实施例可以通过各种不同的配置来实现。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的范围，而是仅仅表示本发明选定的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统主要包括机箱箱体1、前插板卡8、高速背板9、后插板卡10、光纤线缆组件6以及光转接连接器12。前插板卡和后插板卡具有VPX标准6U板卡的尺寸，机箱箱体高度能够满足VPX标准6U板卡的插拔，且具有良好散热系统。所述光转接连接器设置在机箱面板上用于作为对外光接口。前插板卡、高速背板、后插板卡、光纤线缆组件均设置在机箱内，高速背板设置在前插板卡和后插板卡之间，前插板卡与高速背板一侧面通过多个第一电连接器13实现信号互连，后插板卡与高速背板另一侧面通过多个第二电连接器14实现信号互连。前插板卡上还设置有多个芯片等部件，芯片包括但不限于电源转换芯片、控制芯片、多个FPGA高速芯片等(电源转换芯片、控制芯片为现有技术，在图3和图4上不显示)。电源转换芯片与控制芯片、多个FPGA高速芯片连接，控制芯片还与多个FPGA高速芯片连接，多个FPGA高速芯片与多个第一电连接器信号互连。后插板卡上设置有多个10Gbps光模块(即光电转换模块)，光模块一端与第二电连接器实现高速电信号互连，另一端与设置在后插板卡后端面的多个光连接器11连接，多个光连接器通过光纤线缆组件与机箱面板上的多个光转接连接器互连。

在具体实施例中，第一电连接器的数量与第二电连接器的数量相等，FPGA高速芯片与光模块的数量需要根据具体光电转换链路数量的多少来自行选定；光模块与后插板卡后端面的光连接器是一一对应关系，后插板卡后端面的光连接器与机箱面板上光转接连接器可以是一一对应关系，也可以是多对一的关系；具体的互连方案根据实际应用情况进行具体设计。

通过以上方案，机箱外部多路光信号通过各自连接的光转接连接器和光纤线缆组件传输至后插板卡端面对应的光连接器，通过光连接器传输至对应的光模块，光模块将光信号转换为10Gbps电信号，该电信号经过第二电连接器、高速背板和第一电连接器传输至前插板卡的FPGA高速芯片。或者，前插板卡上的FPGA高速芯片的多路10Gbps电信号经过第一电连接器、高速背板、第二电连接器传输至后插板卡的光模块，经过光模块将电信号转换为光信号，光信号经过后插板卡后端面的光连接器通过光纤线缆组件传输至光转接连接器实现信号对外输出，从而达到数据交互的目的。本发明将多个高速电信号FPGA芯片与多个10Gbps光模块分别设置在前插板卡和后插板卡，极好地解决了只有前插板卡造成的布局元器件空间不足的问题，且方便板卡的走线和维修。

在一种实施例中，所述的第一电连接器为前插(P/J)用的VPX20系列电连接器，第二电连接器器为后插(RP/RJ)用的VPX20系列电连接器。

在上述实施例的基础上，P/J连接器的插头端设置在前插板卡上，P/J连接器的插座端设置在高速背板靠近前插板卡的一侧面。RP/RJ连接器的插头端设置在后插板卡上，RP/RJ连接器的插座端设置在高速背板靠近后插板卡的一侧面。多个FPGA高速芯片与P/J连接器的插头端信号互连，多个10Gbps光模块与RP/RJ连接器的插头端信号互连。

在一种实施例中，后插板卡后端面的光连接器采用JYSK系列光连接器，机箱面板上的光转接连接器采用GYM系列光连接器作为对外光接口。光纤线缆的两端为内置MT插头的光连接器，其一端与JYSK系列光连接器光耦合，另一端与GYM系列光连接器光耦合。

所述的高速背板主要包含高速板材制作的印制板和高速VPX20连接器插座，主要负责给各个前插板卡、后插板卡供电以及提供前插板卡与前插板卡之间、前插板卡与后插板卡之间的10Gbps电信号传输通道。

由于10Gbps光模块对高速电信号的信号质量要求比较高，如果在设计前插板卡、高速背板和后插板卡高速信号走线的过程中，没有充分考虑信号的完整性设计，那么在光电转换链路中就会出现误码，从而影响数据的交互。为了保证整个光电转换链路中没有误码，需要在设计过程中关注前插板卡、高速背板及后插板卡的设计要点，具体如下：

(1)前插板卡设计

针对10Gbps高速信号，前插板卡要选用高速板材，通常选用M6的R5775系列板材。前插板卡插头选用高速VPX20连接器，高速VPX20连接器的传输速率高达20Gbps。

在前插板卡中设计高速差分信号线时，需要保证高速差分信号线采用带状线模型以及尽量参考两地平面且参考完整，走线阻抗按照100±10Ω控制。

前插板卡在高速差分信号线叠层设计时，优先将10Gbps的高速差分信号线走在距离印制板顶层1.1mm位置的信号层(该位置为连接器鱼眼结构引脚压进通孔内接触孔壁，距离印制板顶层的最远位置)，便于减小VPX连接器引脚带来的短桩，从而达到减少插入损耗的目的，具体如图5所示。前插板卡的高速差分信号线最好不要走在板卡底层，看似没有短桩，但信号经过通孔的路径增长，增加了过孔处的寄生电容，高速信号上升沿变缓，影响高速信号质量。

前插板卡的VPX20连接器插头的高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计，并且高速差分信号过孔要进行如图5所示的背钻设计，并在差分信号过孔处增加反焊盘，便于提升过孔处阻抗，反焊盘尺寸越大，过孔处阻抗提高越多，但为了兼顾走线参考完整，反焊盘建议尺寸如图6所示，反焊盘的长为3.5mm，宽为1.1mm。

(2)高速背板设计

为了满足10Gbps高速信号传输，高速背板板材优先选用高速板材，在一种实施例中，高速背板板材选用M6的R5775系列板材。

由于前插板卡的高速信号是通过高速背板上的VPX20插座连接器以及过孔透传到后插板卡，没有任何印制线，因此高速背板上过孔的信号完整性设计也至关重要。高速背板设计时主要注意以下几点：

a)为了减少通孔的寄生电容效应，需要尽量减少高速背板的厚度，在充分考虑了高速背板正反面压接的VPX20插座连接器引脚长度以及高速背板厚度公差的情况下，高速背板的最佳厚度控制在3.8mm±0.38mm。

b)高速背板VPX20连接器插座的高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计。背板高速差分信号对应的过孔处要增加反焊盘，便于提升过孔处阻抗，反焊盘尺寸越大，过孔处阻抗提高越多，但为了兼顾电源层过流能力，反焊盘建议尺寸如图7所示，反焊盘的长为4.8mm，宽为1.3mm。

(3)后插板卡设计

后插板卡的走线设计以及反焊盘尺寸设计可完全参照以上前插板卡的设计要点。即后插板卡选用高速板材，优选M6的R5775系列板材。后插板卡插头选用传输速率高达20Gbps的高速VPX20连接器插头。

后插板卡中设计高速信号线时，需保证高速差分信号线采用带状线模型以及尽量参考两地平面且参考完整，走线阻抗按照100±10Ω控制。

后插板卡在高速差分信号线叠层设计时，优先将10Gbps的高速差分信号线走在距离印制板顶层1.1mm位置的信号层，便于减小VPX连接器引脚带来的短桩，从而达到减少插入损耗的目的。后插板卡的高速差分线最好不要走在板卡底层，以免影响高速信号质量。

后插板卡连接器高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计，高速信号孔进行如图5所示的背钻设计，并在差分过孔处增加反焊盘，反焊盘建议尺寸：长为3.5mm，宽为1.1mm。

后插板卡上的光模块引脚扇出过孔采用盲孔设计，线路上串接的耦合电容处的走线过孔进行背钻处理，以减少过孔带来的短桩效应，进而减少链路损耗。

本发明增加了后插板卡，等同于加大了整个器件布局的面积，因而分散了前插板卡的整体热耗，一方面有利于整机系统散热的设计，另一方面可以将FPGA高速芯片与10Gbps光电转换模块分别设置在前插板卡和后插板卡上，增加了光电转换的链路数量，降低了前插板卡的设计难度，提高了功能板卡的可维修性，同时解决了前后插板卡之间10Gbps高速信号通信的信号完整性问题。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于包括机箱箱体(1)、前插板卡(8)、高速背板(9)、后插板卡(10)、光纤线缆组件(6)以及光转接连接器(12)，所述的光转接连接器设置在机箱面板上用于作为对外光接口，前插板卡、高速背板、后插板卡、光纤线缆组件均设置在机箱内，高速背板设置在前插板卡和后插板卡之间，前插板卡与高速背板一侧面通过第一电连接器实现信号互连，后插板卡与高速背板另一侧面通过第二电连接器实现信号互连，前插板卡上设置有多个FPGA高速芯片，多个FPGA高速芯片与第一电连接器信号互连，后插板卡上设置有多个光模块，光模块一端与第二电连接器高速电信号互连，另一端与设置在后插板卡后端面的光连接器(11)连接，该光连接器通过光纤线缆组件与机箱面板上的光转接连接器(12)互连；为了满足高速信号传输需求，所述的前插板卡、后插板卡以及高速背板的板材选用M6的R5775系列板材。

2.如权利要求1所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于所述的第一电连接器为前插用的VPX20系列电连接器，第二电连接器器为后插用的VPX20系列电连接器。

3.如权利要求1或2所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于第一电连接器插头端设置在前插板卡上，第一电连接器插座端设置在高速背板靠近前插板卡的一侧面；第二电连接器插头端设置在后插板卡上，第二电连接器插座端设置在高速背板靠近后插板卡的一侧面；多个FPGA高速芯片与第一电连接器插头信号互连，多个10Gbps光模块与第二电连接器插头信号互连。

4.如权利要求1所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于光纤线缆的两端为内置MT插头的光连接器，其一端与后插板卡后端面的光连接器光耦合，另一端与机箱面板上的光转接连接器光耦合。

5.如权利要求1或4所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于光连接器采用JYSK系列光连接器，光转接连接器采用GYM系列光连接器。

6.如权利要求1所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于前插板卡和后插板卡中设计的高速差分信号线采用带状线模型，走线阻抗按照100±10Ω控制；前插板卡和后插板卡在高速差分信号线叠层设计时，将10Gbps的高速差分信号线走在距离印制板顶层1.1mm位置的信号层。

7.如权利要求1或6所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于前插板卡和后插板卡中电连接器高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计，且高速差分信号过孔要进行背钻设计，并在高速差分信号过孔处增加反焊盘，反焊盘的长为3.5mm，宽为1.1mm。

8.如权利要求1或6所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于后插板卡上的光模块引脚扇出过孔采用盲孔设计，线路上串接的耦合电容处的走线过孔进行背钻处理，以减少过孔带来的短桩效应，减少链路损耗。

9.如权利要求1所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于高速背板的最佳厚度控制在3.8mm±0.38mm。

10.如权利要求1或9所述的基于VPX前后IO架构的10Gbps光电转换互连系统，其特征在于高速背板连接器高速差分信号过孔及焊盘尺寸按照VPX20连接器推荐尺寸设计，背板高速差分信号对应的过孔处增加反焊盘，反焊盘的长为4.8mm，宽为1.3mm。

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