基于以太網的光無線通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　摘　要：介紹了一種基于以太網的光無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能的以太網收發(fā)芯片IP113為核心，配以必要的外圍器件，結合所研制的調制驅動電路和接收解調電路，實現(xiàn)了以太網借助光波進行遠距離通信的系統(tǒng)設計。 
　　關鍵詞：以太網 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。 
　　以太網是應用最廣的聯(lián)網技術，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IEEE802.3 Ethernet標準規(guī)范，以太網每段同軸電纜長度不得超過500m，通過中繼器互聯(lián)后，網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，超越以太網的地域限制，滿足數據通信的需要，具有很強的應用價值。 
1 基于以太網的激光無線通信系統(tǒng) 
　　將以太網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)。從計算機網卡出來的雙極性MLT-3數據信號，由RJ45接口，經過耦合變壓器后，變成單極性電平信號，送至以太網收發(fā)器，產生的高速PECL信號通過調制驅動電路對激光器直接強度調制，驅動激光器發(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，通過接收解調電路后，恢復出PECL高速數據信號，再經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：以太網收發(fā)器、調制驅動電路和接收解調電路。下面分別就這三部分的電路設計進行詳細說明。



2 以太網收發(fā)電路 
　　以太網收發(fā)電路由RJ45接口、耦合變壓器、以太網收發(fā)器，以及收發(fā)器與調制驅動電路、接收解調電路之間的接口組成。其中以太網收發(fā)器是核心單元，直接決定了系統(tǒng)的工作性能。 
2.1 以太網收發(fā)器IP113 
　　本系統(tǒng)采用IC PLUS公司出品的以太網至光纖收發(fā)器IP113芯片。IP113是二端口(包括TP端口和FX端口)10/100Mbps以太網集成交換器，由一個二端口交換控制器和兩個以太網快速收發(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，全數字自適應調整和時序恢復，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內部原理框圖。IP113工作在存儲轉發(fā)模式， Port1(TP端口)的速率是自適應調整的結果，因而不需要外加存儲器以緩沖數據包。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據或者讀出數據。發(fā)射MAC和接收MAC負責完成以太網的各種協(xié)議控制。接收MAC從收發(fā)器收到數據后，被放進接收FIFO，同時為數據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據包寫入。同時接收數據包也進入散列單元。散列單元從數據包里找出地址以建立地址表。IP113依據地址表決定是否轉發(fā)或者丟棄數據包。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)。當接收到一個數據包時，就找出一個新的空存儲區(qū)；當轉發(fā)一個數據包時，相應的存儲區(qū)就釋放。 



2.2 以太網收發(fā)電路設計 
　　以太網收發(fā)電路如圖3所示。主要由以太網收發(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。 



　　IP113支持很多功能，通過設置適當的參數滿足不同的需要，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EEP ROM 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和數據輸出EEDO，將93C46內部的參數讀入IP113內部的寄存器。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首先讀取93C46的00H中的內容，只有00H[15:0]=55AAH時，才會繼續(xù)從EEPROM中讀取參數，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)射數據對，RXIP和RXIM是TP接收數據對。圖4的TP模塊電路中，RJ45接口將MLT-3碼流以太網信號經過耦合脈沖變壓器PE68515變?yōu)閱螛O性信號。 



　　Port2的FXRDP和FXRDM是FX的接收數據對，F(xiàn)XTDP和FXTDM是FX的發(fā)射數據對。FXSD是光電檢測信號，當接收到的光信號經光電轉換后電平低于1.2V時，F(xiàn)XSD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數據接口。由于調制驅動和接收解調電路采用5V電源，而系統(tǒng)其它部分均使用2.5V電源，F(xiàn)DDI中的信號均是PECL電平，因此必須經電平轉換(如圖5所示)，才能把這兩部分聯(lián)系起來。 



3 調制驅動電路設計 
　　圖6是調制驅動電路圖，主要由MAXIM公司的155MHz的MAX3263芯片和內部帶有監(jiān)視二極管的激光器LD構成。MAX3263內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對內部的高速調制驅動電路、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內部的監(jiān)視二極管將光強變化轉換為電流Ipin，經內部變換產生反饋電流Ibs，通過公式Ibo=40(Ib+Ibs)，將激光器的光強變化轉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、由內部的高速輸入緩沖和共射極差分輸出組成的調制器調制，調制電流的大小由R26確定的電流Im決定。選擇R26的大小，使激光器有適當的調制電流，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。 



4 接收解調電路設計 
　　圖7是接收解調電路圖，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換成差分輸出電壓。266MHz的MAX3964組成后級放大調理電路。其內部有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。取R30=100kΩ，R31可用100kΩ的電位器調節(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，數據輸出端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，成功地進行了室內的以太網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絡。 
參考文獻
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2 Gilbert Held 著，戴志濤譯. 數據通信.北京：人民郵電出版社，2000
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4 魏雪松. PECL標準光收發(fā)器接口及應用. 電子產品世界，2000;(4)