10M光纖收發(fā)器的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

【摘　要】　介紹了光電介質轉換芯片ML4664的原理，詳細說明了以ML4664為主要芯片構成10M光纖收發(fā)器的設計方法，并給出了設計的具體原理圖。
??? 關鍵詞：ML4664，光纖收發(fā)器，通信

1　引　言
　　隨著信息用戶群的不斷增長以及用戶對信息服務質量越來越高的要求，光纖傳輸從各種網(wǎng)絡傳輸技術中脫穎而出，光纖網(wǎng)絡建設逐步擴大，光纖網(wǎng)絡產(chǎn)品應用也日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統(tǒng)中的銅纜方案。但是完整地考慮一個光纖到桌面的解決方案，不僅要有光纖信息出口和光纖配線箱，還需要價格昂貴的光纖網(wǎng)卡和光出口集線器，這使整個系統(tǒng)的成本大大提高。而一種經(jīng)濟有效的實現(xiàn)光纖到桌面的方法是使用光纖收發(fā)器（即光電介質轉換器）。光纖收發(fā)器是一種透明傳輸?shù)墓怆娊橘|轉換設備，不僅能大大簡化局域網(wǎng)的升級，而且可以保護原有銅纜LAN設備的投資，因此成為當前市場迫切需要的設備之一。
2　系統(tǒng)結構
　　本文介紹的光纖收發(fā)器系統(tǒng)結構如圖1所示，它由光電介質轉換芯片ML4664、光收發(fā)一體化模塊、電接口模塊、RJ45和電源這幾部分組成。其中，光電介質轉換芯片ML4664為光纖收發(fā)器系統(tǒng)的主芯片，它完成10Base－T的雙絞線介質到10Base－FL光纖介質的轉換；電接口模塊除了將RJ45送來的電信號耦合至ML4664外，還包括一個低通濾波器，完成低通濾波功能；光收發(fā)一體化模塊是與光纖介質的接口模塊；由于ML4664需要數(shù)字電源和模擬電源，所以，在電源部分我們專門分出了數(shù)字電源和模擬電源兩部分。

3　ML4664功能簡介
　　ML4664是Micro Linear公司推向市場的一款高性能光電介質轉換芯片，可用于實現(xiàn)10Base－T的雙絞線介質到10Base－FL光纖介質的轉換，符合IEEE802．3的10Base－T和10Base－FL的規(guī)范標準，采用5V電源供電，且不需要外接晶體或晶振，是一款理想的光電介質轉換芯片。隨著光通信的飛速發(fā)展，ML4664必將有更廣泛的應用。
3．1　主要特征
??? ML4664的主要特征有：
??? ·支持全雙工方式；
　　·支持100Ω的非屏蔽雙絞線和150Ω屏蔽雙絞線；
　　·電流輸出可高達100mA，并且具有較低的RFI噪聲和很小的抖動；
????? ·具有自動極性糾正功能；
??? ·輸入靈敏度可達2mVP－P；
??? ·具有自動連接檢測功能；
????? ·帶有高穩(wěn)定性的數(shù)字均衡器，支持55dB的動態(tài)輸入范圍。
3．2　引腳功能簡介
??? ML4664為28腳的PLCC封裝，如圖2所示。

??? （1）TPINPTPINN雙絞線數(shù)據(jù)差分輸入端；
　　（2）TPOUTN TPOUTP雙絞線數(shù)據(jù)差分輸出端；
　　（3）TPLED雙絞線數(shù)據(jù)連接狀態(tài)指示腳，連接正常時，輸出為低電平；
　　（4）POLDIS雙絞線數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)指示腳，通過高低電平的跳變，來指示有數(shù)據(jù)輸入；
??? （5）OPOUT光信號的輸出腳；
??? （6）OPINN OPINP光信號的差分輸出端；
　　（7）OPLED光信號連接狀態(tài)指示腳，連接正常時，輸出為低電平；
　?。?）LMON光信號輸入狀態(tài)指示腳，通過高低電平的跳變，來指示數(shù)據(jù)輸入；
??? （9）AVCCVCC模擬電源和數(shù)字電源；
??? （10）AGND GND模擬地和數(shù)字地；
　?。?1）RRSET通過一個61．9K的電阻上拉至電源，作為芯片的外部偏置；
　　（12）RTSETOP設置輸出電流的大小，一般可用115Ω的電阻拉至電源；
　?。?3）RTSETTP雙絞線的阻抗匹配設置端，如果用100Ω的非屏蔽雙絞線，可在此引腳和電源之間接一個220Ω的電阻；而如果用150Ω的屏蔽雙絞線，則外接300Ω的電阻；
　?。?4）TxCAP0 TxCAP1設置前均衡的脈沖寬度，可接一個680pF的電容。
3．3　工作原理
??? ML4664芯片的內部電路主要由兩部分組成：OP傳送和接收部分；TP傳送和接收部分。
　　OP的傳送和接收電路主要完成兩個功能：檢測是否有數(shù)據(jù)從TP輸入和將數(shù)據(jù)送入光收發(fā)一體化模塊。OP的傳送和接收電路具有很強的光纖信號檢測能力，它能識別出2mVP－P，且動態(tài)范圍為55dB的光信號。OP的傳送和接收電路是以電流的形式來驅動光收發(fā)一體化模塊的，在數(shù)據(jù)送入光收發(fā)一體化模塊前，要通過靜噪電路濾掉多余噪聲。配置引腳RTSETOP的外接電阻就可改變輸出驅動電流IOUT的大小，相應公式如下：

ML4664的最大輸出電流可達100mA，此時RTSETOP的外接電阻值為60Ω。當OP傳送和接收電路檢測到引腳TPINP和TPINN上無信號輸入，OP傳送電路將進入‘空閑’狀態(tài)，輸出1MHz的空閑信號。
　　在數(shù)據(jù)送入雙絞線介質之前，也要通過靜噪電路濾掉多余噪聲。TP信號的輸出要先經(jīng)過一個2：1的變壓器，進行低通濾波后，最后通過RJ45與雙絞線相連。TP信號的輸出形式是電壓模式，輸出電壓由流入TPOUTP、TPOUTN引腳的電流值和輸出介質的阻抗決定。ML4664／ML4669支持100Ω的非屏蔽雙絞線和150Ω屏蔽雙絞線，下面的公式?jīng)Q定雙絞線的阻抗：
式中RL為雙絞線的阻抗值。TP傳送和接收部分還集成了一個前均衡電路，用來補償通過雙絞線傳輸后信號幅度和相位的失真。雙絞線對10MHz信號的衰減比對5MHz信號的衰減要大，前均衡電路可以使來自遠端的10MHz和5MHz信號的幅度基本一致。當TP傳送和接收電路檢測到引腳OPINP和OPINN上無信號輸入，TP傳送電路將進入‘空閑’狀態(tài)，此時會產(chǎn)生一個只有450mV的輸出電壓，這一輸出電壓持續(xù)250ns后，跳變一次，再回到450mV上。
4　光纖收發(fā)器的系統(tǒng)設計
　　在我們研制的10M光纖收發(fā)器系統(tǒng)中，以ML4664芯片為光電介質轉換的主芯片，電接口模塊采用芯片SF1301，其硬件原理圖如圖3所示。
　　其中，SF1301負責將電信號耦合到ML4664，并進行低通濾波處理。RTXM15－14為光收發(fā)一體化模塊，它將從ML4664輸出的電流信號轉化成光信號。整個電路的工作流程大致如下：光信號通過光送入RTXM15－14，由RTXM15－14將光信號轉換成差分的電流信號，電流信號采用交流耦合，送入ML4664，在ML4664中進行一系列處理后，再經(jīng)SF1301進行低通濾波，最后接入RJ45，完成光信號到電信號的轉換過程。

　　RTXM15－14和主芯片ML4664之間差分信號的傳送，采用交流耦合，即通過電容C27、C28連接，這樣就可以隔離兩邊的直流電平，使得RTXM15－14和主芯片ML4664可采用不同的直流電平偏置方案。需要注意的是，在ML4664光信號的輸出端，只有一個引腳OPOUTP，而光收發(fā)一體化模塊的輸出腳卻要求一對差分信號TD和／TD，這時可將光收發(fā)一體化模塊的TD腳接上固定直流電平，而另一個／TD腳通過電容耦合接上ML4664的OPOUTP腳。
4．1　初始化配置
　　本系統(tǒng)的主芯片ML4664的集成度很高，因此它的外圍引腳的配置比較麻煩，我們在經(jīng)過多次改進實驗后，找到了一系列較佳初始化配置方案，現(xiàn)在整理敘述如下：RTSETTP引腳外接220Ω的電阻，使光纖收發(fā)器支持100Ω阻抗的非屏蔽雙絞線；在RRSET腳外接61．9kΩ的電阻，以滿足芯片內部偏置的需要；我們在RTSETOP腳和電源之間接一個115Ω的電阻，使得芯片輸出給光收發(fā)一體化模塊的電流大約為52mA；TxCAP0和TxCAP1之間的電容主要是設置前均衡的脈沖寬度，大小最好為680pF；CTIMER腳的外接電容是設置檢測鏈接狀態(tài)的間隔時間值，可使用大小為0．047μF的電容。
4．2　電源方案和PCB布線方案
　　光電介質轉換芯片ML4664要求將模擬電源和數(shù)字電源、模擬地和數(shù)字地分開，而且光收發(fā)一體化模塊的接收部分的電源和發(fā)送部分的電源也分開。我們的處理方案如下：5V電源先通過兩個10μH的電感（L1、L2），得到數(shù)字電源VCC和數(shù)字地GND，再經(jīng)過1．2μH的兩個電感（L6、L7），分出模擬電源AVCC和模擬地AGND；數(shù)字電源VCC經(jīng)電感L4得到光收發(fā)一體化模塊的發(fā)送電源TxVCC，模擬電源AVCC經(jīng)電感L3得到光收發(fā)一體化模塊的接收電源RxVCC。
　　為減少電磁干擾，在PCB板的布線時也進行了一些特別處理。我們采用四層板布線方案，頂層和底層除了走信號線外，還要進行包地，中間兩層為電源層和地層。光收發(fā)一體化模塊和SF1301到ML4664的連線是差模信號線對，這些差模信號線對要盡可能彼此靠近且平行，而遠離其他信號線，而且，差模信號線的走線長度要盡量短以減小其自感。此外，接收信號線與發(fā)送信號線要分在兩層走，如果接收信號線走頂層，發(fā)送信號線就要求走底層。
4．3　光收發(fā)一體化模塊的選擇
　　光纖模態(tài)分為單模和多模兩種，光收發(fā)一體模塊按所接光纖的模態(tài)，可相應地分為單模光收發(fā)一體模塊和多模光收發(fā)一體模塊。單模光纖衰減率低、傳輸距離遠、容量大，但價格昂貴，常用于長途電信；而多模光纖在短距離傳輸中的性能價格比要優(yōu)于單模光纖，故多用于傳輸距離較近的網(wǎng)路。單模光收發(fā)一體模塊以激光器為光源，多模模塊則多采用發(fā)光二極管。此外，光收發(fā)一體化模塊還有長波長和短波長之分；接口類型有ST、FC／PC、D4、SC等。選用哪種型號的光收發(fā)一體化模塊，要由具體的應用環(huán)境決定。我們所設計的光纖收發(fā)器已經(jīng)充分考慮到兼容性問題，光收發(fā)一體化模塊RTXM15－14可以任意替換成其它類型的光收發(fā)一體化模塊，而不需要改動電路，因此能夠隨時根據(jù)客戶的要求，選用所需的光收發(fā)一體模塊。
5　結束語
　　ML4664是一款高性能光電介質轉換芯片，以它作主芯片而研制出的光纖收發(fā)器的性能優(yōu)良，使用SmartBits2000網(wǎng)絡測試儀進行性能和功能的測試，該光纖收發(fā)器的幀轉發(fā)時延小于1μs，大數(shù)據(jù)包（1500字節(jié)）的丟包率為0％，其他各項性能指標也均達到國內外先進水平?，F(xiàn)在這款光纖收發(fā)器已經(jīng)量產(chǎn)并銷售，廣電、吉通、鐵通等電信單位使用后，反應良好。

1　彭吉虎，吳伯瑜．光纖技術及應用．北京：北京理工大學出版社，1998
2　黃章勇．光纖通信用光電子器件和組件．北京：北京郵電大學出版社，2001