SoftXONU-2.5G光纤收发器

2024.11.10 更新日志：添加了猫棒测试截图

一、写在前面

-1.复刻、迭代、修改本设计所带来的安全风险、法律风险将由您自行承担。
-1.复刻、迭代、修改本设计所带来的安全风险、法律风险将由您自行承担。
-1.复刻、迭代、修改本设计所带来的安全风险、法律风险将由您自行承担。
您不得将本设计用于商业用途！
您不得将本设计用于商业用途！
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0.市面上2.5G SFP收发器价格过于离谱，部分收发器的售价甚至高于4x2.5G+2x10G的交换机。市面上SFP收发器体积过于庞大，不适合弱电箱过小的家庭用户使用。

1.本设计使用RTL8221B芯片实现了一个2.5G的光纤收发器，SFP速率固定为2.5G(具体原因详见后文)，网口速率支持10M/100M/1000M/2.5G。

2.本设计采用四层板设计，板子尺寸为20mm x 65.2mm x 1.6mm，配套外壳尺寸为28mm x 69.2mm x 21.4mm。大部分物料可以使用16-15的券，即使不用券，整体物料成本也可控制在25元以内。

二、本人需求

1.整体需求：本设计的初心只是为了使用光纤作为家中AP的上联线，这样我就可以将AP摆放到家里的中心位置，同时使用光纤将AP上联至机柜中互联网接入区的核心交换机上。本人使用的是AX5400PRO作为AP，该AP带有一个2.5G电口，为了最大化无线带宽，一款支持2.5G、供电方便(最好是USB)、体积小巧、不使用劣质元件的光纤收发器就显得尤为重要了。

2.供电需求：
- 输入接口小巧(本设计使用6P的TYPEC接口，容易焊接，同时价格低廉)。
- 转换效率高(0.95V、3.3V两路电源均使用DCDC，不使用LDO)、发热低(使用同步Buck)。
- 芯片输出能力满足芯片、SFP模块需求。
- 综上，本设计选用了我最喜欢的一颗DCDC芯片TPS563201，该芯片价格低廉(0.24/颗)，开关频率高,故障率低。
3.网口相关需求：
- 至少有两个指示灯、线序满足芯片设计(本设计采用的RTL8221B支持MDI SWAP功能，此项无需考虑)。
- 网口价格不能太高、网络变压器必须足够小巧。
- 综上，本设计选用了扁平网变(G2425S)＋网口(HC-WK88-H16-DB)的设计(买的时候记得用商城的满16-15券，四舍五入等于不要钱)。

4.布局需求:
- 本设计追求体积最小化，SFP、网口需要和DCDC、主芯片、网变、一大堆配置电阻、滤波电容挤在一起，因此需要优先考虑布局方式。本设计最终采用正面仅放置RJ45、SFP，其余元件均放置在背面的布局方式。
正面图：

背面图：

这种布局方式可以将PCB的体积最小化。但是由于TYPEC母座和SFP笼子一上一下，即使采用1.6m的板厚，TYPEC线缆的外皮也会和SFP模块相互干涉。因此在使用本设计时，需要将TYPEC接口的外皮使用小刀刮去一部分，或使用10mm加长头的TYPEC线缆(TB有售)。

三、设计过程

1. 电源部分设计：

• 使用TYPEC母座作为电源输入接口，CC线分别配置5.1K的下拉电阻，用于支持C-C的线材。
  借助TI的webench，搭建DCDC电路并LAYOUT，得到如下设计。

• 注意，MLCC电容具有偏压特性。本设计DCDC滤波电容部分的焊盘设计为0603大小，但实际可焊接0805电容，如果您有更高的输入电压需求，可以自行焊接0805电容。

2. RTL8221主芯片设计：

• 晶振与起振电容紧贴主芯片放置
• 滤波电容、配置电阻尽可能靠近主芯片放置(小尺寸、单面布局的情况下，不可能做到每个引脚附近都有滤波电容)
• 耦合电容靠近主芯片放置(位置受限，HSO、HSI耦合电容均靠近主芯片放置)

3. 网变与网口设计：

RTL8221的LED与PHYAD共用引脚，为了设计的灵活性，将LED与PHYAD配置为灵活模式。您可以根据自己的需求焊接对应的电阻。具体焊接关系如下：

一般情况，按照红色字体焊接即可(即：标NC的全部不焊)，最终焊接效果应该是这样的：

4.SFP笼子的引脚修改：本设计删除了绝大多数的SFP笼子引脚(仅保留1、8、9、10、16、17，实测稳定性没问题)，焊接SFP笼子前注意修剪引脚。

四、焊接

1. 本设计采用了大量0402电阻电容，建议使用锡膏钢网+加热台焊接。
2. RTL8221B的焊盘已做拉长处理，如果加热台焊接完有连锡，使用尖头烙铁+助焊剂拖平整即可。
   焊接完效果如下：
   

五、测试

1.测试DCDC部分电压、纹波是否满足要求，经过实测，两路电压输出均正常，纹波也满足预期，芯片开关频率与手册描述相差不大。
3.3V电压与纹波测试截图：

0.95V电压与纹波测试截图：

2.RJ45部分测试：
- 接入2.5G设备，检查链路协商状态，此时网口右侧绿色LED亮起：


- 接入1G设备，检查链路协商状态，此时网口左侧黄色LED亮起：


- 接入100M设备，检查链路协商状态，此时网口底部LED亮起：

3.SFP部分测试
- 测试使用某H品牌2.5G 1310nm 2km光模块。
- 测试对端设备为RTL8372N交换机。
- 实测SFP工作正常(本设计没有预留SFP的状态指示灯，您可以自行修改本设计)。

为什么我插入1G的光模块，收发器并没有正常工作?因为RTL8221B默认的SGMII接口类型是HiSGMII接口，速率为2.5G，您可以外挂一片单片机，使用MDIO接口将SGMII接口类型修改为普通的SGMII。

六、外壳打印

您可以直接打印本设计附件中的外壳，也可以自行设计外壳。
建议使用耐高温的材料打印。

七、压测

1.Ping测试

2.DPerf打流测试

• 实验环境：

物理机配置

Key	Value
主机	M920X
OS	PVE 7.1
CPU	G5420
MEM	2xDDR4-4G@3200MHz
DISK	MICRON 2200 1TB
NIC	SP310

VM配置

Key	Value
OS	Debian 11
CPU	2vCPU
MEM	3G
DISK	50G
NIC	SP310(1Port)
Hugepage	2M*1024
DPDK Version	23.11.2(LTS)
DPerf Version	1.8.0-dev

物理机是一台M920X,配一张SP310网卡，网卡的两个口分别直通到两个VM(开启PCIe ACS override即可分别直通)。

由于CPU不支持1G Hugepage，因此为每台VM分配1024个2M的Hugepage。

网卡使用uio_pci_generic驱动挂载到DPDK协议栈下。

分别将测试机命名为VM1与VM2，系统连接方式如图所示。

VM1_10G <--10G--> SW1 <--2.5G RJ45--> SoftXONU <--2.5G SFP--> SW2 <--10G--> VM2_10G

对SoftXONU进行单向打流，得出如下测试结果(只关注两侧RX即可，TX没有实际意义)：

• RJ45 to SFP , 速度约为2.459Gbps(1500大包)

• SFP to RJ45 , 速度约为2.459Gbps(1500大包)

• 我们不妨认为SoftXONU可以跑满单向带宽。

对SoftXONU进行双向打流，得出如下测试结果(Client端CPU占满是正常的，无法跑满双向2.5G并非Client端的瓶颈)

• SFP to RJ45，速度约为1.921Gbps(64K小包)

• RJ45 to SFP，速度约为1.991Gbps(64K小包)

• 由结论可得出：SoftXONU无法跑满双向带宽，原因可能是SoftXONU采用的网口、网变均为千兆，无法满足跑满双向2.5G的高带宽要求(2.5GBASE-T采用PAM16码，码元速率为 200Mega Baud，相比与1000GBASE-T的PAM5码 125Mega Baud，2.5GBASE-T对于网变、网口的要求更高)。

• 市面上难以找到2.5G的小巧网变，如果您有更加合适的2.5G网变推荐，请留言或私信！

• 猫棒测试截图如下：

八、设计展示