基于以太網(wǎng)的光無線通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

    摘要：介紹了一種基于以太網(wǎng)的光無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能的以太網(wǎng)收發(fā)芯片IP113為核心，配以必要的外圍器件，結合所研制的調(diào)制驅(qū)動電路和接收解調(diào)電路，實現(xiàn)了以太網(wǎng)借助光波進行遠距離通信的系統(tǒng)設計。

    關鍵詞：以太網(wǎng) IP113 PECL

以光波為信息載體進行光通信的歷史由來已久，大氣激光通信是以大氣作為傳輸介質(zhì)的通信，是激光出現(xiàn)后最先研制的一種通信方式。由于它具有傳輸距離遠、頻帶寬、發(fā)射天線小、保密性好及抗電磁干擾等優(yōu)點，越來越受到關注，應用也日漸廣泛起來。

以太網(wǎng)是應用最廣的聯(lián)網(wǎng)技術，它以可靠性高、媒體信息量大、易于擴展和更新等優(yōu)點，在企業(yè)、學校等領域得到廣泛的應用。根據(jù)ＩＥＥＥ８０２．３ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ標準規(guī)范，以太網(wǎng)每段同軸電纜長度不得超過５００ｍ，通過中繼器互聯(lián)后，網(wǎng)絡最大距離也不得超過２．８ｋｍ。在這種情況下，利用激光無線通信技術，超越以太網(wǎng)的地域限制，滿足數(shù)據(jù)通信的需要，具有很強的應用價值。

１ 基于以太網(wǎng)的激光無線通信系統(tǒng)

將以太網(wǎng)和激光無線通信結合起來，充分發(fā)揮二者的優(yōu)越性，可以大大提高系統(tǒng)的應用范圍和可靠性。圖１是基于以太網(wǎng)激光無線通信系統(tǒng)一端的原理框圖，另一端的結構和本端呈對稱狀態(tài)。從計算機網(wǎng)卡出來的雙極性ＭＬＴ－３數(shù)據(jù)信號，由ＲＪ４５接口，經(jīng)過耦合變壓器后，變成單極性電平信號，送至以太網(wǎng)收發(fā)器，產(chǎn)生的高速ＰＥＣＬ信號通過調(diào)制驅(qū)動電路對激光器直接強度調(diào)制，驅(qū)動激光器發(fā)光，載有信息的激光通過光學天線發(fā)射出去。接收端光學天線將激光信號接收匯聚在光敏管上，通過接收解調(diào)電路后，恢復出ＰＥＣＬ高速數(shù)據(jù)信號，再經(jīng)過耦合變壓器送至計算機，從而完成整個通信過程。由圖１可知，系統(tǒng)主要由三部分組成：以太網(wǎng)收發(fā)器、調(diào)制驅(qū)動電路和接收解調(diào)電路。下面分別就這三部分的電路設計進行詳細說明。

２ 以太網(wǎng)收發(fā)電路

以太網(wǎng)收發(fā)電路由ＲＪ４５接口、耦合變壓器、以太網(wǎng)收發(fā)器，以及收發(fā)器與調(diào)制驅(qū)動電路、接收解調(diào)電路之間的接口組成。其中以太網(wǎng)收發(fā)器是核心單元，直接決定了系統(tǒng)的工作性能。

２．１ 以太網(wǎng)收發(fā)器ＩＰ１１３

本系統(tǒng)采用ＩＣ ＰＬＵＳ公司出品的以太網(wǎng)至光纖收發(fā)器ＩＰ１１３芯片。ＩＰ１１３是二端口（包括ＴＰ端口和ＦＸ端口）１０／１００Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)集成交換器，由一個二端口交換控制器和兩個以太網(wǎng)快速收發(fā)器組成。每個收發(fā)器都遵守ＩＥＥＥ８０２．３、ＩＥＥＥ８０２．３μ、ＩＥＥＥ８０２．３ｘ規(guī)則。為幀緩沖保留了ＳＳＲＡＭ，可以存儲１Ｋ字節(jié)的ＭＡＣ地址，全數(shù)字自適應調(diào)整和時序恢復，基線漂移校正，工作在１０／１００ｂａｓｅＴＸ 和１００ｂａｓｅＦＸ的全雙工／半雙工方式。使用２．５Ｖ單電源，２５ＭＨｚ單時鐘源，０．２５μｍ工藝，１２８腳ＰＱＦＰ封裝。

    圖２是ＩＰ１１３內(nèi)部原理框圖。ＩＰ１１３工作在存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式， Ｐｏｒｔ１(ＴＰ端口)的速率是自適應調(diào)整的結果，因而不需要外加存儲器以緩沖數(shù)據(jù)包。每個端口都有自己的接收緩沖管理、發(fā)射緩沖管理、發(fā)射排隊管理、發(fā)射ＭＡＣ和接收ＭＡＣ。各個端口共享一個散列單元、一個存儲器接口單元、一個空緩沖管理器和一個地址表。散列單元負責找出和識別地址。發(fā)射緩沖管理和接收緩沖管理通過存儲器接口負責存儲數(shù)據(jù)或者讀出數(shù)據(jù)。發(fā)射ＭＡＣ和接收ＭＡＣ負責完成以太網(wǎng)的各種協(xié)議控制。接收ＭＡＣ從收發(fā)器收到數(shù)據(jù)后，被放進接收ＦＩＦＯ，同時為數(shù)據(jù)傳輸請求接收緩沖管理。當接收緩沖管理接收到請求后，就從空的緩沖管理區(qū)獲得一個空的存儲塊，并通過存儲器接口單元將數(shù)據(jù)包寫入。同時接收數(shù)據(jù)包也進入散列單元。散列單元從數(shù)據(jù)包里找出地址以建立地址表。ＩＰ１１３依據(jù)地址表決定是否轉(zhuǎn)發(fā)或者丟棄數(shù)據(jù)包。兩個端口共享一個空的緩沖管理，復位后，空緩沖管理提供兩個地址的空存儲區(qū)。當接收到一個數(shù)據(jù)包時，就找出一個新的空存儲區(qū)；當轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)包時，相應的存儲區(qū)就釋放。

２．２ 以太網(wǎng)收發(fā)電路設計

以太網(wǎng)收發(fā)電路如圖３所示。主要由以太網(wǎng)收發(fā)芯片ＩＰ１１３、專用配置芯片ＥＥＰＲＯＭ ９３Ｃ４６、ＬＥＤ顯示矩陣，以及ＩＰ１１３的Ｐｏｒｔ１與ＴＰ模塊、Ｐｏｒｔ２與ＦＸ模塊之間的接口組成。

圖4 IP模塊電路圖

    ＩＰ１１３支持很多功能，通過設置適當?shù)?a target="_blank">參數(shù)滿足不同的需要，既可以由特定的管腳設定，也可以用ＥＥＰＲＯＭ配置。為提高系統(tǒng)的整體性能，這里采用專用串行ＥＥＰＲＯＭ ９３Ｃ４６芯片。系統(tǒng)復位時，管腳ＬＥＤ＿ＳＥＬ[１:０]分別作為９３Ｃ４６的時鐘ＥＥＳＫ和片選ＥＥＣＳ，ＢＰ＿ＫＩＮＤ[１:０]分別作為９３Ｃ４６地址ＥＥＤＩ和數(shù)據(jù)輸出ＥＥＤＯ，將９３Ｃ４６內(nèi)部的參數(shù)讀入ＩＰ１１３內(nèi)部的寄存器。復位結束后，這些管腳均變成輸入信號，以使ＩＰ１１３脫離９３Ｃ４６而獨立工作。

復位時，ＩＰ１１３首先讀?。梗常茫矗兜模埃埃戎械膬?nèi)容，只有００Ｈ[１５:０]＝５５ＡＡＨ時，才會繼續(xù)從ＥＥＰＲＯＭ中讀取參數(shù)，否則以缺省值或特定的管腳電平值設置工作寄存器。０１Ｈ中的值設置ＬＥＤ輸出控制寄存器，控制兩個ＬＥＤ矩陣的亮、滅和閃爍，以分別顯示兩個端口的連接、活動、全／半雙工和速率（１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ）。０２Ｈ中的值設置交換控制寄存器１，選擇系統(tǒng)的流控制方式和沖突保護。０３Ｈ中的值設置交換控制寄存器２，控制系統(tǒng)的丟包、地址失效、優(yōu)先級和算法補償。０４Ｈ中的值設置收發(fā)器控制寄存器，其中０４Ｈ[１３:１１]的５種取值：０００、１００、１０１、１１０和１１１，分別對應收發(fā)器的５種工作狀態(tài)：ＮＷＡＹ、１０Ｍｂｐｓ(半雙工)、１０Ｍｂｐｓ(全、半雙工)、１００Ｍｂｐｓ(半雙工)和１００Ｍｂｐｓ(全、半雙工)。０５Ｈ～０ＡＨ中的值分別設置收發(fā)器確認寄存器、測試寄存器和驗證方式寄存器。

    Ｐｏｒｔ１的ＴＸＯＰ和ＴＸＯＭ是ＴＰ發(fā)射數(shù)據(jù)對，ＲＸＩＰ和ＲＸＩＭ是ＴＰ接收數(shù)據(jù)對。圖４的ＴＰ模塊電路中，ＲＪ４５接口將ＭＬＴ－３碼流以太網(wǎng)信號經(jīng)過耦合脈沖變壓器ＰＥ６８５１５變?yōu)閱螛O性信號。

Ｐｏｒｔ２的ＦＸＲＤＰ和ＦＸＲＤＭ是ＦＸ的接收數(shù)據(jù)對，ＦＸＴＤＰ和ＦＸＴＤＭ是ＦＸ的發(fā)射數(shù)據(jù)對。ＦＸＳＤ是光電檢測信號，當接收到的光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后電平低于１．２Ｖ時，ＦＸＳＤ輸出連續(xù)的ＰＥＣＬ電平。圖５是ＦＸ模塊的電路圖，電路中采用標準的ＦＤＤＩ數(shù)據(jù)接口。由于調(diào)制驅(qū)動和接收解調(diào)電路采用５Ｖ電源，而系統(tǒng)其它部分均使用２．５Ｖ電源，ＦＤＤＩ中的信號均是ＰＥＣＬ電平，因此必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)換(如圖５所示)，才能把這兩部分聯(lián)系起來。

３ 調(diào)制驅(qū)動電路設計

圖６是調(diào)制驅(qū)動電路圖，主要由ＭＡＸＩＭ公司的１５５ＭＨｚ的ＭＡＸ３２６３芯片和內(nèi)部帶有監(jiān)視二極管的激光器ＬＤ構成。ＭＡＸ３２６３內(nèi)部的主偏置電源提供溫度補償偏置和參考電壓輸出Ｖｒｅｆ１和Ｖｒｅｆ２，通過電阻Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７和Ｒ２８對內(nèi)部的高速調(diào)制驅(qū)動電路、激光器和監(jiān)視二極管進行編程。ＭＡＸ３２６３的輸出電流都被內(nèi)部的鏡像電流源控制，這些鏡像電流源都有２Ｖｂｅ的結溫漂移，參考電壓設置在２Ｖｂｅ時，結溫漂移可以被抵消。選擇電阻Ｒ２８以調(diào)節(jié)激光器靜態(tài)偏置電流Ｉｂｏ，使Ｉｂｏ略小于激光器的閾值電流，以使激光器的輸出具有良好的消光比。ＬＤ內(nèi)部的監(jiān)視二極管將光強變化轉(zhuǎn)換為電流Ｉｐｉｎ，經(jīng)內(nèi)部變換產(chǎn)生反饋電流Ｉｂｓ，通過公式Ｉｂｏ＝４０(Ｉｂ＋Ｉｂｓ)，將激光器的光強變化轉(zhuǎn)換成偏置電流的一部分，反饋作用于激光器，保證輸出穩(wěn)定的光功率。輸入的差分ＰＥＣＬ信號ＲＤ、ＲＤ由內(nèi)部的高速輸入緩沖和共射極差分輸出組成的調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制電流的大小由Ｒ２６確定的電流Ｉｍ決定。選擇Ｒ２６的大小，使激光器有適當?shù)恼{(diào)制電流，輸出足夠的光功率,并具有良好的消光比。同時應使ＯＵＴ＋、ＯＵＴ－端的電壓在２．２Ｖ以上，以防激光器飽和。

圖6 調(diào)制驅(qū)動電路

４ 接收解調(diào)電路設計

圖７是接收解調(diào)電路圖，由ＭＡＸ３９６３和ＭＡＸ３９６４配以必要的外圍器件組成。１５５ＭＨｚ的低噪聲芯片ＭＡＸ３９６３組成前置放大器，其內(nèi)部包含一個跨阻前置放大器和一個帶射極跟隨輸出的倒相放大器，并集成了２２ｋΩ的跨阻，可將ＰＩＮ接收的微弱光電流轉(zhuǎn)換成差分輸出電壓。２６６ＭＨｚ的ＭＡＸ３９６４組成后級放大調(diào)理電路。其內(nèi)部有４個限幅放大器組成的串行功率檢測器，每個限幅放大器都有一個全波對數(shù)檢測器，用以檢測輸入信號功率的大小。４個檢測結果在Ｆｉｌｔｅｒ端加在一起，通過電容Ｃ２５進行濾波。電阻Ｒ３０、Ｒ３１、內(nèi)部的１．２Ｖ參考電源和無光比較器共同構成閾值設置和噪聲抑制功能。?。遥常埃剑保埃埃?Omega;，Ｒ３１可用１００ｋΩ的電位器調(diào)節(jié)，則ＶＴＲ在１．２～２．４Ｖ間變化。當輸入信號幅值大于ＶＴＲ時，輸出穩(wěn)定的ＰＥＣＬ電平信號；當輸入信號幅值小于ＶＴＲ時，數(shù)據(jù)輸出端ＯＵＴ＋輸出高電平，ＯＵＴ－輸出低電平，所有的限幅放大器拒絕接收輸入信號，并且后級放大器輸出無光告警ＰＥＣＬ信號ＬＯＳ＋。

    由于圖６和圖７中的主芯片均在１５５ＭＨｚ以上，因此由這兩個電路組成收發(fā)電路，進行精心的參數(shù)選擇和ＰＣＢ設計，可應用于高速的光通信場合。

５ 系統(tǒng)測試

在所設計的各個部分的基礎上，將它們連接起來，在沒有光學天線的條件下，成功地進行了室內(nèi)的以太網(wǎng)激光無線通信的實驗?，F(xiàn)正完善系統(tǒng)，并準備將其應用于光網(wǎng)絡。