（通信与信息系统专业论文）基于ip113s的网管型以太网光纤收发器的设计.pdf

武汉邮电科学研究院硕士学位论文 摘要 f i i ii ii ii i ii ii i iii ii i l y 19 9 6 7 8 4 随着信息化建设的飞速发展，作为光电介质转换的关键设备，光纤收发器越 来越受到企业的重视，这样就对光纤收发器的传送能力提出了更高的要求，具体 表现为，光纤收发器应该更加智能化，要支持链路状态故障转移、流量控制、端 口自协商等功能。在网管功能方面，要求采用具有带内网管和o a m 维护帧功能， 这样就使管理者能够很容易的监测和管理远端光纤收发器，而且降低了网络维护 的成本。此外网管还要具有带宽控制功能，可以通过它来限制接入链路的流量， 这样就把流控做到了用户端。在这种背景下，提出了基于i p l l 3 s 的网管型光纤 收发器设计这一研究课题，主要研究内容如下： 1 通过对i e e e s 0 2 以太网标准和和网管型光纤收发器技术要求的研究，完 成了光电介质转换芯片、光收发模块和电接口的选型； 2 在仔细研究光电介质转换核心芯片功能和以太网光纤收发器工作原理、 应用特点后，分别设计了光电介质转换芯片外围电路、光接口电路和电接口电路， 并完成了原理图的设计。 3 考虑到以太网光纤收发器电路属于高频电路( 一般高于1 m h z ) ，电磁干扰 是影响其性能的最重要的因素，对高频电子电路中电磁兼容性分析，找到了高速 p c b 布板中抑制e m i ( 电磁干扰) 的方法，并完成了光纤收发器p c b ( 印刷电 路电路板) 的设计 4 对光电介质转换芯片的串行管理接口( c p u i o 和c p u c ) 读写时序图和 相关芯片引脚进行了研究，实现了级联网管板对光纤收发器板的管理和相关的通 信接口设计。 5 设计了r s - - 4 8 5 总线接口电路、4 8 5 总线主从半双工通信协议和帧结构， 实现了主控网管板对从控网管板的级联。 关键词：光电介质转换；电磁干扰电磁兼容；串行管理接口：r s 4 8 5 总线 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t a sak e yd e v i c ef o ro p t i c a l & e l e c t r o n i cm e d i ac o n v e r t e r ，e t h e r n e tf i b e r t r a n s c e i v e rp l a y sam o r ea n dm o f ei m p o r t a n tr o l ei nt h en e t w o r kw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t yn e t w o r kc o n s t r u c t i o n a n dt h en e t w o r kp u t f o r w a r dm o r er e q u i r e m e n t so nt h ef i b e rt r a n s c e i v e r st r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t y ， i n c l u d i n gh i g h e ri n t e l l i g e n c e ，s u c ha ss u p p o r t i n gl i n ks t a t u sf a u l tt r a n s f e r 、f l o w c o n t r o l 、w o r k i n gm o d ea u t o - n e g o t i a t i o n f u n c t i o na n ds oo n a b o mn e t w o r k m a n a g e m e n tf u n c t i o n ， i ti sr e q u i r e dt h a ti n b a n dn e t w o r km a n a g e m e n ta n do a m m a i n t a i nf r a m ef u n c t i o nc a l lb eo f f e r e d ，s on e t w o r km a n a g e rc a l le a s i l ym o n i t o ra n d m a n a g et h er e m o t et e r m i n a lf i b e rt r a n s c e i v e r ，a n dr e d u c et h ec o s to ft h en e t w o r k m a i n t e n a n c e m e a n w h i l et h en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e ms h o u l dh a v eb a n d w i d t h c o n t r o lf u n c t i o ns ot h a tt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mf l o w o ft h ep o r tc a nb el i m t e d ， a n d b a n d w i d t hc o n t r o lf u n c t i o nc a nb er e a l i z e di nt h ec u s t o m e re n d o nt h i s b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rf o c u so nt h ed e s i g no fe t h e m e tt h eo p t i c a l & e l e c t r o n i c m e d i ac o n v e r t e rb a s e do nt h ei p113 sw i t hn e t w o r km a n a g e m e n tf u n c t i o n n em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s i n go nt h ec l e a r l yu n d e r s t a n d i n go fi e e e 8 0 2e t h e m e ts t a n d a r da n dt h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ee t h e m e tf i b e rt r a n s c e i v e rw i t l ln e t w o r km a n a g e m e n t f u n c t i o n ，w eh a v ec h o s e nt h es u i t a b l et y p e so ft h eo p t i c a l & e l e c t r o n i cm e d i a c o n v e r t e rc h i p ，o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e 2 a f t e rs t u d y i n gt h ef u n c t i o no ft h eo p t i c a l & e l e c t r o n i cm e d i ac o n v e r t e rc o r e c h i pa n dw o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nf e a t u r e so f t h ee t h e r n e tf i b e rt r a n s c e i v e r ， t h ep e r i p h e r a lc i r c u i to ft h eo p t i c a l & e l e c t r o n i cm e s ac o n v e r t e rc h i p ，f i b e ri n t e r f a c e c i r c u i ta n de l e c t r o n i ci n t e r f a c ec i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h ec i r c u i ts c h e m a t i c d i a g r a md e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e d 3 a st h a tt h ec i r c u i to fe t h e m e tf i b e rt r a n s c e i v e ri sat y p eo fh i g hf r e q u e n c y c i r c u i t ，e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c ti t s p e r f o r m a n c e a r e ra n a l y z i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo ft h eh i 曲f r e q u e n c y e l e c t r o n i cc i r c u i t ，w a y so fr e s t r a i n i n ge l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ei nh i g hs p e e d 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 p r i n t e dc i r c u i tb o a r dh a v eb e e nf o u n d ，a sw e l la st h ed e s i g no ft h ep r i n t e dc i r c u i t b o a r do ft h ee t h e m e tf i b e rt r a n s c e i v e rh a sb e e na c c o m p l i s h e d 4 t h es e r i a lm a n a g e m e n ti n t e r f a c e sr e a d w r i t et i m i n gd i a g r a ma n dp i no ft h e o p f i c a l & e l e c t r o n i cm e d i ac o n v e r t e rc h i ph a v eb e e ns t u d i e d t h em a n a g e m e n to f f i b e rt r a n s c e i v e rb o a r dt h r o u g ht h ec a s c a d e dn e t w o r km a n a g e m e n tb o a r dm a n a g eh a s b e e nr e a l i z e d ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h e mh a sb e e nd e s i g n e d 5 l a s t l y , r s 一4 8 5b u si n t e r f a c ec i r c u i t ，4 8 5b u sh a l f - d u p l e xc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n df r a m es t r u c t u r eh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h ec a s c a d i n go ft h ep r i m a r y n e t w o r km a n a g e m e n tb o a r da n ds e c o n d a r yn e t w o r km a n a g e m e n tb o a r dh a sb e e n r e a l i z e d 、 ，i lad e s i g no fc o m r n u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n k e y w o r d ：o e m c ( o p t i c a l & e l e c t r o n i cm e d i ac o n v e r t e r ) ；e m i ( e l e c t r o m a g n e t i s m i n t e r f e r e n c e ) ；e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) ；s m i ( s e r i a lm a n a g e m e n t i n t e r f a c e ) ；r s - 4 8 5b u s 武汉邮电科学研究院硕士论文 第1 章引言 光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的 以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器，产品一般应用 在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通 常定位于宽带城域网的接入层应用。同时，光纤收发器在帮助把光纤“最后一公 里”线路连接到城域网和更外层的网络上也发挥了巨大的作用【1 1 。 1 1 光纤收发器与网络建设 随着社会信息化建设的突飞猛进，人们对于数据、语音、图像等多媒体通信 的需求日益旺盛，以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。但是传 统的5 类线电缆只能将以太网电信号传输1 0 0 米，在传输距离和覆盖范围方面已 不能适应实际网络环境的需要。与此同时，光纤通信以其信息容量大、保密性好、 重量轻、体积小、无中继、传输距离长等优点在广域网等大型网络中得到了广泛 的应用。光纤收发器正是利用了光纤这一高速传播介质很好的解决了以太网在传 输方面的问题。在一些规模较大的企业，网络建设时直接使用光纤为传输介质建 立骨干网，而内部局域网的传输介质一般为铜线，如何实现局域网同光纤主干网 相连呢? 这就需要在不同端口、不同线形、不同光纤间进行转换并保证链接质量。 光纤凭借自身的一些固有特性( 如不受噪声干扰、保密性好以及高传输带宽等) 成 为各种应用领域的理想传输介质。近年来，随着布线标准的改变，光电器件、光 缆、连接器技术的发展以及应用带宽的逐步升级，光纤网络产品应用日益普及， 很多用户开始考虑用“光纤到桌面来替代水平布线系统中的铜缆方案。一种应 用在以太网的经济有效的光纤到桌面的方法是：使用光纤收发器( 即光电介质转 换器) 2 1 。 光纤收发器的出现，将双绞线电信号和光信号进行相互转换，确保了数据包 在两个网络间顺畅传输。同时它将网络的传输距离极限从铜线的1 0 0 米扩展到 1 0 0 多公里( 单模光纤) 。光纤收发器不仅大大简化局域网的升级，而且可以保 护原有铜缆l a n 设备的投资，当前市场需要很大。 武汉邮电科学研究院硕士论文 光纤收发器在数据传输上打破了以太网电缆的百米局限性，依靠高性能的交 换芯片和大容量的缓存，在真正实现无阻塞传输交换性能的同时，还提供了平衡 流量、隔离冲突和检测差错等功能，保证数据传输时的高安全性和稳定性。因此 在很长一段时间内光纤收发器产品仍将是实际网络组建中不可缺少的一部分。 当前，企业在进行信息化基础建设时，通常更多地关注路由器、交换机乃至 网卡等用于节点数据交换的网络设备，却往往忽略介质转换这种非网络核心但必 不可少的设备。特别是在一些要求信息化程度高、数据流量较大的政府机构和企 业，网络建设时需要直接上连到以光纤为传输介质的骨干网，而企业内部局域网 的传输介质一般为铜线，确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为 必需品【3 1 。 1 2 光纤收发器的应用 以太网光纤收发器的作用是实现以太局域网内大范围的全双工信号传输，有 多模和单模两种工作方式，其中多模收发器的传输距离一般在2 公里到5 公里 之间，而单模收发器覆盖的范围可以从2 0 公里至1 2 0 公里。 下面给出以太网光纤收发器的一些典型应用。 图1 1 为以太网光纤收发器作为宽带城域网络的以太网接入层使用。所谓的 光纤收发器接入其实是从离用户最近的电信公司局端接入层交换机到用户这一 段的“最后一公里”是光纤专线。这种方式采用裸光纤接入，可根据用户需求决 定收发速率，业务开展便捷【4 j 。 接入屡交换橇 光纤收发貉 毙纤收发器 冀j 户交换概 图1 1 光纤收发器作为宽带城域网络接入层使用 图1 2 为光纤收发器用于大范围的局域网互联，例如用于普通企业局域网、 校园局域网等的局域网应用中。传统的5 类线电缆只能将以太网电信号传输1 0 0 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 米，而通过一对光纤收发器就可以将网络的传输距离极限从铜线的1 0 0 米扩展到 1 0 0 多公里( 单模光纤) 。这样就可以通过一对光纤收发器很容易实现更大范围 内局域网的互联【5 1 。 旆域i l 葶变换矾光纤收发器 光纤收发器局城嘲交换视 图1 2 光纤收发器用于大范围的局域网互联 图1 3 为光纤收发器用于链形骨干网，利用链形骨干网的联接可以节省大量 的骨干光纤数量，适合于在城市边缘及所属郊县地区构造高宽带低价位的骨干网 络，该模式同时可应用于高速公路、输油、输电线路等环境。 电 电 中心变羧桃边缘交换机边缘交换视 图1 3 光纤收发器用于链形骨干网 f 1 n 图1 4 为光纤收发器用于环形骨干网，利用生存树特性构成城域范围内的骨 干网络。对i e e e 8 0 2 1 q t 6 i 及i s l p 网络特性的支持，可以保证大多数主流产品的 骨干特性，又可以为金融、政府、教育等各行业提供高带宽的的虚拟专网。 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 巾心炎换桃中心交换桃 巾心交换视 图1 4 光纤收发器用于环形骨干网 中心变换桃 图1 5 为光纤收发器用于传输中继，当实际传输距离超过收发器的标称传输 距离，特别是实际传输距离超过1 2 0 k m 的时候，在现场条件允许的情况下，采 用2 台收发器背对背进行中继或采用光光转换器进行中继，是一种很经济有效 的解决方案。 光纤收发器光纤收发器 图1 5 光纤收发器用于传输中继 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 图1 6 为光纤收发器用于单多模光纤转换，当网络间出现需要单多模光纤连 接时，可以用1 台多模收发器和1 台单模收发器背对背连接，解决了单多模光纤 转换的问题 7 1 。 多模光纤收发器举模兜纤收发器 图1 6 光纤收发器用于单多模光纤转换 1 3 光纤收发器的发展趋势 目前，国外和国内生产光纤收发器的厂商很多，产品线也极为丰富。为了保 证与其他厂家的网卡、中继器、集线器和交换机等网络设备的完全兼容，光纤收 发器产品必须严格符合1 0 b a s e t 、1 0 0 b a s e t x 、1 0 0 b a s e f x 、i e e e 8 0 2 3 和 i e e e 8 0 2 3 u s 等以太网标准，除此之外，在e m c ( 电磁兼容) 防电磁辐射方面应符 合f c c 的相关规定【9 】。 当前，由于国内各大运营商正在大力建设小区网、校园网和企业网，因此光 纤收发器产品的用量也在不断提高，以更好地满足接入网的建设需要。光纤收发 器的收发主体功能决定了收发器要具有越来越高的传送能力来适应日益发展的 网络扩容的需求，所以，更高的端口速率和更远的传送距离是光纤收发器的一个 基本的发展趋判l o 】；除此之外，下面几个发展趋势是我们不可忽视的： 首先，智能化，也就是智能化的在线检测功能。当光纤收发器的光路断掉后， 大多数产品另一端的电口仍然会保持开启状态，因此上层设备如路由器、交换机 等依然还是会继续向该电口发包，导致数据不可达。人们希望设备提供商能在光 纤收发器上实现自动切换，当光路断掉后，电口自动向上报警，并阻止上层设备 继续向该端口发送数据，启用冗余链路以保证业务不中断。停电后光纤收发器能 够自动复位，以保证来电后能够正常工作。另外，端口1 0 1 0 0 速率自适应、直 5 武汉邮电科学研究院硕士论文 通线交叉线自适应、全半双工自适应、自协商、流量控制、甚至具备交换功能 等，都是智能化的体现。 其次，稳定性，光纤收发器本身应能更好地适应实际的网络环境。在实际工 程中，光纤收发器的使用场所多为楼道内或室外，供电情况十分复杂，这就需要 各个厂商的设备最好能支持超宽的电源电压，以适应不稳定的供电状况。同时由 于国内很多地区会出现超高温和超低温的天气情况，雷击和电磁干扰的影响也是 实际存在的，所有这些对收发器这种室外设备的影响都非常大，这就要求设备提 供商在关键元器件的采用、电路布板和焊接以及结构设计上都必须精心严格。例 如，采用寄存器数据传输模式，可安全避免数据丢包。 再者，低成本。成本问题向来是运营商和用户关注的问题，特别是在局域网 和城域网的建设中，成本控制是很重要的；这是光纤收发器获得如此大的生命力 的根本原因，也是其发展的一个趋势。 此外，在网管控制方面，虽然目前研制有网管功能的以太网光纤收发器所需 的人力、物力远远超过无网管的同类产品，但相比不可网管型产品，可网管型收 发器维护方便，组网灵活，性能稳定，是更符合电信要求、可管理的运营级产品。 从长远看，是可以有效降低运维成本和提高经济效益的。对于运营商来说，网管 将向交换路由设备的网管靠拢，同时保证网管信息的标准化和兼容性，以便将收 发器网管融入到统一的网管中，接收第三方管理软件的管理n 。 1 4 论文的主要研究内容 为了弥补国内高智能化、高稳定性、低价位网管型光纤收发器的空白，我们 研制了网管机架式光纤收发器系统，为企业将内部局域网同光纤主干网相连提供 了一种灵活和节省成本的解决方案，是符合电信级要求、可管理的运营级产品。 在整个项目开发过程中，我主要参与光纤收发器板的设计和网管系统部分通信接 口设计。 网管型以太网光纤收发器是一个完整的光纤通信系统，涉及到的相关知识很 多。本论文根据本人在项目中的具体职责完成，研究内容包括以下几个方面： 1 分析了以太网光纤收发器的基本结构、工作原理和应用特点，选定了 i p l l 3 s ( 内部具有串行管理接口) 作为网管型光纤收发器板的光电介质转换芯片 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 和1 9 封装的、1 5 5 m b p s 、5 v 供电的r x t m 系列的光收发一体模块，从而完 成了光纤收发板上核心元器件的选型。 2 在光纤收发器板上核心元器件选型的基础上，根据设计目标的需要以及 核心芯片各引脚功能的选择及相应的外围电路要求，设计出完整的电路原理图。 3 考虑到以太网光纤收发器电路属于高频电路( 一般高于1 m h z ) ，电磁干扰 是影响其性能的最重要的因素，对高频电路兼容性进行了研究，提出了高速p c b 布板中抑制电磁干扰( e m i ) 的方法，并用于具体实际光纤收发器p c b 设计中，通 过综合使用屏蔽、滤波、接地这三种方法有效的抑制了以太网光纤收发器的各种 电磁干扰。 4 对以太网光纤收发器主要技术性能指标进行了测试，并对测试结果进行 了分析，可以看出开发出的以太网光纤收发器的光接口指标、电接口指标和性能 指标测试的结果均达到预期标准和要求。 5 对以太网光纤收发器的专用网管系统的设计进行了介绍，并详细设计了 网管系统各部分通信接口，包括串行管理接e i ( s m i ) 的设计和r s 4 8 5 主从通信接 口协议的设计。 1 5 本章小结 本章首先介绍了目前国内外光纤收发器在通信网络建设中的作用，它的一些 典型应用包括宽带城域网络接入层、大范围局域网互联、链形骨干网、环形骨干 网、传输中继和单多模光纤转换的应用。然后介绍了光纤收发器发展的现状及未 来趋势，高智能化、高稳定和低成本是光纤收发器未来发展的趋势。最后阐述了 本论文的主要研究内容。 7 武汉邮电科学研究院硕士论文 第2 章网管型以太网光纤收发器的总体设计 一 本章将对网管型以太网光纤收发器设计思路、收发电路板主要元器件的选型 和原理图设计进行了详细介绍。在分析了以太网光纤收发器的基本结构和工作原 理的基础上我们明确了设计任务和思路。主要元器件的选型包括了光电介质转换 芯片和光收发一体模块的选型。原理图的设计是根据设计网管型光纤收发器的市 场需要、产品功能以及核心芯片各引脚功能的选择及相应的外围电路要求，选用 其它合适的元器件，设计出完整的网管型光纤收发器电路原理图。 2 1 设计的基本思路 不管那类光纤收发器，一般它都包括三个基本功能模块：光电介质转换电路、 光信号接口( 光收发一体模块) 和电信号接d ( r j 4 5 ) ，如图2 1 所示。如果配备网 管功能则还包括网管信息处理单元。整个电路的工作过程为：光纤收发器从r j 4 5 电口引入i e e e 8 0 2 3 ( 以太网) 的数据，经过耦合滤波电路对信号进行滤波，然后 信号送到光电介质电路中，光电介质电路翻译重定格式数据，完成一个电平转换， 被传送到光收发电路的发送电路中，光收发电路再把数据发送到光缆中，同时光 信号数据经过光纤传到光收发电路的接收电路中，进行与上面相反的工作，然后 通过r 1 4 5 接口传出数据，这样完成了以太网收发器两端的数据传输f 1 2 】。 双绞线圆锚圜固筒圜光纤 图2 1 光纤收发器基本结构 网管型以太网光纤收发器在分析市场需要、确定产品功能特点的基础上，明 确设计任务和思路。网管型光纤收发器的设计主要包括五个方面：总体规划、重 要元器件的选型、电子线路图的设计、印刷电路板图的设计和网管系统设计。元 器件的选择是针对收发器的功能特点选择合适的光电介质转换核心芯片、光收发 一体模块、晶振以及其他元器件；原理图的设计主要是根据产品特点及光电介质 8 武汉邮电科学研究院硕士论文 转换核心芯片及其他有源器件设计电路图；印刷电路板图的设计主要是：根据原 理图设计，充分考虑高频电路的特点，采取各种必要的防电磁干扰措施，进行布 板、布线。网管系统主要是设计出专用集中管理式网管系统，可通过机房的控制 中心，对本远端光纤收发器进行监控。 2 2 元器件的选型 在以太网光纤收发器设计中，元器件的选型举足轻重，关系到光纤收发器研 发、调试及生产的整个过程，决定了产品的研制成功与否、性能、寿命和成本等。 可以说，选择元器件以提高产品性能、保证产品质量为基本出发点。选型工作包 括光电介质转换芯片的选型、光收发一体模块的选型和其它元器件的选型。 2 2 1 光电介质转换芯片的选型 光电介质转换芯片( o e m c ) 是整个收发器的核心，它完成了1 0 0 m b p s 的光纤 与双绞线之间的介质转换功能。选择介质转换芯片是以太网光纤收发器设计的第 一步，是设计中最重要的一个环节，它的选择将直接影响其他部件的选择和整个 系统的功能和成本。 o e m c 的选型主要从以下几个方面考虑： 1 传输速率 目前，市场上收发器主要有两种传输速率：1 0 m b p s 和1 0 1 0 0 m b p s 自适应。 前者只支持1 0 0 m b p s 传输速率，优点是引脚数量少，布线、管理功能以及状态 指示灯等较简单，成本低，但其应用不如后者灵活，只能用于两端设备传输速率 均为1 0 0 m b p s 环境中，因此常用于骨干网。而后者在前者的基础上，还可以用 于存在有大量1 0 b a s e t x 系统的环境中：既能利用1 0 0 b a s e t x 系统，又使 1 0 b a s e t 系统平滑地过渡到快速以太网环境中，最大限度地保护了用户投资。 o e m c 实现1 0 1 0 0 m b p s 的方式一般有两种：一是通过硬件跳线( 拨码开关设置) ， 二是通过网管系统访问芯片的串行管理接口( s m i ) 改变芯片内部的寄存器设置。 2 双工半双工性能 通常，骨干网为全双工，而用户端接入网多采用半双工。相应地，收发器分 为全双工、半双工及全双工半双工自适应自动转换三种。全双工收发器常用于 9 武汉邮电科学研究院硕士论文 骨干网，半双工多用于用户接入网，而第三种既能灵活地用在骨干网中，又可以 用在用户接入网中。o e m c 实现全双工半双工自适应自动转换的方式一般有三 种：一是通过硬件跳线( 拨码开关设置) ，二是通过网管系统访问芯片的串行管 理接口( s m i ) 改变芯片内部的寄存器设置，三是o e m c 自身可以自动识别介 质信号的速率，并实现自适应自动转换。因此，选择后一种o e m c 比较理想， 既可以简化设计过程，又能适应市场需要，而且便于用户升缨”1 。 3 网管功能 网络管理既是保证网络可靠性的手段，也是提高网络效益的方式之一，网络 管理的运行、管理、维护等功能可以大大增加网路的可用时间，提高网络的利用 率、网络性能、服务质量、安全性和经济效益。 收发器网管功能的实现有两种方式：一种是通过外部网管处理器访问o e m c 上的串行管理接口s m i 双向数据输入输出接e i ( c p u i o ) 和管理数据同步时钟输 入接口( c p u c ) ，获取管理信息，管理信息与网络上的普通数据共用数据通道， 如图2 2 中管理信息处理模式1 所示。第二种方式如图2 3 的管理信息处理模式 2 所示，是外部网管处理器通过m l l ( 介质无关接口m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 接口获取管理信息，而且管理信息与网络上的普通数据不共用数据通道【】4 】。 r j 4 5 光收发一 体模块 r j 4 5 光收发一 体模块 图2 2 管理信息处理模式1图2 3 管理信息处理模式2 1 0 武汉邮电科学研究院硕士论文 4 兼容性 光电介质转换o e m c 应支持i e e e 8 0 2 局域网和思科i s l 系列等常用网络通 信标准，以保证收发器有良好的兼容性。 我们出于功能以及成本的考虑，选用了i cp l u s 公司生产的i p l l 3 s 以太网媒 体转换芯片作为网管型光纤收发器上的o e m c 。i p l1 3 s 的工作电压( 1 0 3 3 v ， c o r e 2 5 v ) 和电流低，功耗小，工作的稳定性和可靠性好；内置专为收发器设 计的两口交换机内核，支持直通转发，存储转发等4 种工作方式。 i p l l 3 s 的主要特点如下： ( 1 ) i p l l 3 s 支持1 0 1 0 0 m b i t s 速率和全双工、半双工自适应功能 ( 2 ) i p l1 3 s 严格符合i e e e 8 0 2 3 以太网标准和i e e e 8 0 2 3 u 快速以太网标 准，使用它设计出的以太网光纤收发器有很好的兼容性； ( 3 ) i p l l 3 s 支持链路状态故障转移的特性实现了当链路上某一光口或电口 断掉后，本地光纤收发器能自动向远端的光纤收发器和上层网络设备发送链路状 态信息，这样阻止了上层网络设备继续向该端口发送数据，近远端设备的管理人 员也会通过相应的指示灯状态获得链路状态信息； ( 4 ) i p l1 3 s 支持全双工的i e e e 8 0 2 3 x 流量控制及半双工的流量控制方式 来防止链路一端的发送节点的发送帧速率过高，使链路另一端的接收节点来不及 处理，造成帧的丢失； ( 5 ) i p l l 3 s 有一对串行管理接口接口( s m i ) ，其中c p u i o 为双向数据输 入输出接口，c p u c 为管理数据同步时钟输入接口，通过访问s m i 接口，可以 管理m i i 寄存器组，监控和重新设置远端光纤收发器的工作状态； ( 6 ) i p l1 3 s 提供t s 1 0 0 0 标准的o a m 维护帧，可以实现对远端光纤收发 器的远程管理，而且管理信息与网络上的普通数据共用数据通道，在同一条光纤 链路中，既传送p 数据包，也传送管理数据包。实现了带内网管，即通过同一 条光纤链路，局端的网管系统就可以对用户端( 远端) 的收发器进行状态监测和 控制； ( 7 ) i p l l 3 s 支持速率控制功能，即带宽控制功能，最小粒速为3 2 k ；运营 商可以通过网管系统远程设定、修改光纤收发器的传输带宽，经过设置的带宽可 以以3 2 k b p s 为步长在0 1 0 0 m b p s 之间变化，而且端口的收发可以单独控制。 武汉邮电科学研究院硕士论文 运营商可以通过收发器的带宽控制功能来限制接入链路的流量后，等于是把流控 一直做到了用户端【1 5 】。 2 2 2 光收发一体模块的选型 光纤传输模式分为单模和多模两种，光收发一体模块按所接光纤的模式，可 分为单模光收发一体模块和多模光收发一体模块。单模光纤与多模光纤相比衰减 率低、传输距离远、容量大，但价格贵，常用于长途骨干网传输；而多模光纤在 短距离传输中的价格性能比优于单模光纤，故多用于传输距离较近的网络【1 6 】。 光收发一体模块的选型主要从以下几个方面考虑： 1 工作波长 目前常用的光收发一体模块的工作波长主要有三种：8 5 0 n m 波段、1 3 1 0 r i m 波段以及1 5 5 0 n m 波段。单模一般为1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 n m 波段，多模一般为8 5 0 n m 或1 3 1 0 n m 波段。 2 传输速率 应保证光收发一体模块的传输速率不低于收发器的传输速率。 3 接口类型 常见的光纤连接器有s c 、f c 等，s c 型的光纤连接器因为操作简单而且无 须旋转所以渐渐占有光纤收发器的市场。 4 管脚配置 目前常用的光收发一体模块管脚封装有1x9 ，s f f 、s f p 、g b i c 、x e n p a k 、 x f p 等，在光纤收发器的设计中一般选用1 9 标准管脚配置的光收发模块。 本文选用武汉电信器件公司( w t d ) 的1 9 封装的、1 5 5 m b p s 、5 v 供电的 r x t m 系列的光收发一体模块，特别适用于1 5 5 m b p s 以下各种速率的数据通信 中。光纤模式可选单模或双模，工作波长可选1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 n m 波段，接口类 型可选s c 或f c ，可以根据实际需要进行选择，以构成不同类型的光纤收发器。 2 2 3 其它元器件的选型 光电介质转换芯片以及光收发一体模块，是光纤收发器最重要、价格最高的 元器件，二者外围电路影响甚至决定了整个电路板图，一般需要在设计电路板图 1 2 武汉邮电科学研究院硕士论文 之前选择。而其它元器件( 如：r j 4 5 、磁模块、磁珠、电容、电感、晶振等) ，则 需根据原理图和p c b 设计过程中的实际需要选定。 2 3 电子线路图的设计 电子线路图又称原理图，是表示电路工作原理的，是电子技术图的核心部分。 它使用各种图形符号和辅助文字按照一定的规则，表达元器件之间的连接及电路 各部分的功能。它不表达电路中各元器件的形状或尺寸，也不反映这些元器件的 安装、固定情况。设计原理图最重要的是根据设计目标的需要以及核心芯片各引 脚功能的选择及相应的外围电路要求，选用其它合适的元器件，设计完整合理的 电路原理图。本文采用的软件是e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 电子辅助设 计专用软件p r o t e l 9 9 s e t l 7 】。 光纤收发器电路原理图的设计主要包括以下几个方面： 1 i p l l 3 s 与晶振的电路连接 在i p l l 3 s 芯片内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚o s c i ( 1 2 7 脚) ，输出端为x 2 ( 1 2 8 脚) ，在芯片的外部通过这两个引脚跨接石英晶体 振荡器( 2 5 m h z ) 和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。 如图2 4 所示，电路中的两个微调电容均为1 5 p f 。 1 5p f = f 1 5 妒 图2 4i p l l 3 s 的时钟电路 2 i p l l 3 s 的复位电路 复位时，若与配置有关的引脚无外电路确定其配置，则i p l l 3 s 会将内部的 各寄存器的配置恢复到默认状态。r e s e t b 引脚( 1 0 1 脚) 是复位信号的输入端， 1 3 武汉邮电科学研究院硕士论文 复位信号是低电平有效，本文采用的上电自动复位方式，是通过外部复位电路的 电容充电来实现的，只要外部电源v c c 给电容充电的时间超过1 0 微秒，就能完 成自动上电，即接通电源就完成了i p l l 3 s 的复位初始化。复位电路如图2 5 所 示。 图2 5i p l l 3 s 的复位电路 3 i p l l 3 s 与光收发一体模块的电路连接 本文所用1x9 封装的、1 5 5 m b p s 、5 v 供电的光收发一体模块引脚说明如表 2 1 所示 表2 11x 9 光收发模块引脚说明 管脚管脚名称电平说明 lr x v e e接收器信号地 2r d +p e c l 接收器数据输出正向端 3 r d p e c l 接收器数据输出反向端 4s dp e c l 接收部分无光正常告警正常为高电平无光为低电平 5r x v c c 接收器正电源脚，为+ 5 v 6t x v c c 发射器正电源脚，为+ 5 v 7t 弘p e c l发射器数据输入反向端 1 4 武汉邮电科学研究院硕士论文 续表2 11 9 光收发模块引脚说明 8珊 p e c l 发射器数据输入正向端 9t x v e e 发射器信号地 如表2 1 所示，光收发一体模块的信号引脚为p e c l 电平，故光纤收发器的 光纤接e l 应采用p e c l ( 正射极耦合逻辑) 数据传输方式，p e c l 最初是由 e c l ( e m i t t e rc o u p l e dl o g i c 称为射极耦合逻辑) 电路演变而来，是一种工作在+ 5 v 电源下的高速差分数字接口标准。p e c l 的输入电路结构如图2 6 所示。在p e c l 标准中要求输入电平的共模电压在v c c 1 3 v 电平上f 1 8 】。 p e c l 的输出电路如图2 7 所示。p e c l 输出电路中的射极跟随器工作在放 大区，这样可以满足高速的开关速度；要求驱动5 0q 负载到v e t 2 v 电源上，两 个输出端各有1 4 m a 的直流电流；并且输出电阻很小( 4 5q ) ，这样当驱动传输 线时会形成阻抗不匹配，导致传输信号的失真【1 9 1 。 盈o i l + ) 专p 守 一v 图2 6p e c l 输入结构图2 7p e c l 输出结构 杯准的输出负载是瑗5 0 2 笙v c c 一2 v 阴黾半上，一股该电 j 2 5 是小存在明，凼 此通常的做法是利用电阻分压网络做等效电路，如图2 6 和图2 7 所示，该等效 电路应满足如下公式3 1 和3 2 ： k - 2 _ 比纛 限， 丽r 1 * r 2 = 5 。 c 3 2 ) 武汉邮电科学研究院硕士论文 在5 伏供电时，得到：r 1 为8 2q ，r 2 为1 3 0q 。这种等效电路同时提供5 0 q 的等效阻抗以匹配传输线，电路如图2 8 所示。 图2 8p e c l 等效接线 本文设计出的光收发一体模块的外围电路如图2 9 所示，光收发一体模块把 从光i z l 进来的光信号转换为标准p e c l 差分电信号，与内部光电介质转换芯片 i p l l 3 s 的相应引脚直接匹配。 ! = 图2 9 光收发一体模块的外围电路 1 6 武汉邮电科学研究院硕士论文 4 i p l l 3 s 驱动状态指示灯l e d 的电路 i p l1 3 提供很多引脚用于光纤收发器状态指示l e d ，本文选用了其中6 个状 态指示l e d ，如图2 1 0 所示。6 个状态指示l e d 分别是：l e d _ p 1 l i n k ( 2 1 脚) ， 用于表示电口是否有数据连接；l e d _ p i s p d ( 2 2 脚) ，用于表示电口速率模式； l e d _ p i d u l ( 2 3 脚) ，用来显示电口双工状态；l e d _ p 2 l i n k ( 2 5 脚) ，用于表示光口 是否有数据连接；l e d p 1 s p d ( 2 2 脚) ，用于表示光口速率模式；l e d p 2 d u l ( 2 9 脚) ，用来显示光口双工状态；通过所设置的这些状态指示灯，我们可以很容易 的判断光纤收发器的工作状态。 3l v 玎强x 1 9 ) d 2 l 卜j 2 e 譬0 e 珏j 2 0 2 1 3 卜j毒r 毒鼍2 2 0l e d pd u l j 撇r 2 1 v 一 l e d ji 蹿d 诎【l 】 2 2 3卜j 6 r 4 3 2 2 01 1 1 l l l 2 3 m d 1 2 4 l 卜 2r 3 】2 2 0 y 2 5 3 i x 4r 3 42 2 0 y ，t 2 5 d v e ：c2 6 5 卜 6 y 2 7 l l d 2 8 图2 1 0i p l l 3 s 的状态指示灯驱动电路 强r x - 鼹爰弘 l e dp i l 翌日l e 【e dp l 菸 d 呼 l e d l 珏。， l e dp 劲曩蛋绉 l e dp 2 l i n k 蕊) 2 5 v 堪 l e dp 2 3 d 愿 5 i p l l 3 外部拨码开关电路设计 我们在i p i1 3 芯片外