基于以太網(wǎng)的光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院(430079) 黃海波 艾 勇 劉 磊 孫 未
 
　　摘　要：介紹了一種基于以太網(wǎng)的光無(wú)線(xiàn)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(jié)合所研制的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路和接收解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)借助光波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　關(guān)鍵詞：以太網(wǎng) IP113 PECL

　　以光波為信息載體進(jìn)行光通信的歷史由來(lái)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(yuǎn)、頻帶寬、發(fā)射天線(xiàn)小、保密性好及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注，應(yīng)用也日漸廣泛起來(lái)。
　　以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它以可靠性高、媒體信息量大、易于擴(kuò)展和更新等優(yōu)點(diǎn)，在企業(yè)、學(xué)校等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)IEEE802.3 Ethernet標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以太網(wǎng)每段同軸電纜長(zhǎng)度不得超過(guò)500m，通過(guò)中繼器互聯(lián)后，網(wǎng)絡(luò)最大距離也不得超過(guò)2.8km。在這種情況下，利用激光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，超越以太網(wǎng)的地域限制，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通信的需要，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
1 基于以太網(wǎng)的激光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)
　　將以太網(wǎng)和激光無(wú)線(xiàn)通信結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮二者的優(yōu)越性，可以大大提高系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和可靠性。圖1是基于以太網(wǎng)激光無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)一端的原理框圖，另一端的結(jié)構(gòu)和本端呈對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。從計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡出來(lái)的雙極性MLT-3數(shù)據(jù)信號(hào)，由RJ45接口，經(jīng)過(guò)耦合變壓器后，變成單極性電平信號(hào)，送至以太網(wǎng)收發(fā)器，產(chǎn)生的高速PECL信號(hào)通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路對(duì)激光器直接強(qiáng)度調(diào)制，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，載有信息的激光通過(guò)光學(xué)天線(xiàn)發(fā)射出去。接收端光學(xué)天線(xiàn)將激光信號(hào)接收匯聚在光敏管上，通過(guò)接收解調(diào)電路后，恢復(fù)出PECL高速數(shù)據(jù)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)耦合變壓器送至計(jì)算機(jī)，從而完成整個(gè)通信過(guò)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(dòng)電路和接收解調(diào)電路。下面分別就這三部分的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(dòng)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(gè)二端口交換控制器和兩個(gè)以太網(wǎng)快速收發(fā)器組成。每個(gè)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(chǔ)1K字節(jié)的MAC地址，全數(shù)字自適應(yīng)調(diào)整和時(shí)序恢復(fù)，基線(xiàn)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(shí)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式， Port1(TP端口)的速率是自適應(yīng)調(diào)整的結(jié)果，因而不需要外加存儲(chǔ)器以緩沖數(shù)據(jù)包。每個(gè)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(duì)管理、發(fā)射MAC和接收MAC。各個(gè)端口共享一個(gè)散列單元、一個(gè)存儲(chǔ)器接口單元、一個(gè)空緩沖管理器和一個(gè)地址表。散列單元負(fù)責(zé)找出和識(shí)別地址。發(fā)射緩沖管理和接收緩沖管理通過(guò)存儲(chǔ)器接口負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者讀出數(shù)據(jù)。發(fā)射MAC和接收MAC負(fù)責(zé)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(jìn)接收FIFO，同時(shí)為數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求接收緩沖管理。當(dāng)接收緩沖管理接收到請(qǐng)求后，就從空的緩沖管理區(qū)獲得一個(gè)空的存儲(chǔ)塊，并通過(guò)存儲(chǔ)器接口單元將數(shù)據(jù)包寫(xiě)入。同時(shí)接收數(shù)據(jù)包也進(jìn)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(gè)端口共享一個(gè)空的緩沖管理，復(fù)位后，空緩沖管理提供兩個(gè)地址的空存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就找出一個(gè)新的空存儲(chǔ)區(qū)；當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)就釋放。

2.2 以太網(wǎng)收發(fā)電路設(shè)計(jì)
　　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(zhuān)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(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)滿(mǎn)足不同的需要，既可以由特定的管腳設(shè)定，也可以用EEPROM配置。為提高系統(tǒng)的整體性能，這里采用專(zhuān)用串行EEP ROM 93C46芯片。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，管腳LED_SEL[1:0]分別作為93C46的時(shí)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(fù)位結(jié)束后，這些管腳均變成輸入信號(hào)，以使IP113脫離93C46而獨(dú)立工作。
　　復(fù)位時(shí)，IP113首先讀取93C46的00H中的內(nèi)容，只有00H[15:0]=55AAH時(shí)，才會(huì)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(shè)置工作寄存器。01H中的值設(shè)置LED輸出控制寄存器，控制兩個(gè)LED矩陣的亮、滅和閃爍，以分別顯示兩個(gè)端口的連接、活動(dòng)、全/半雙工和速率(10Mbps/100Mbps)。02H中的值設(shè)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(hù)。03H中的值設(shè)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(jí)和算法補(bǔ)償。04H中的值設(shè)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(duì)應(yīng)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(shè)置收發(fā)器確認(rèn)寄存器、測(cè)試寄存器和驗(yàn)證方式寄存器。
　　Port1的TXOP和TXOM是TP發(fā)射數(shù)據(jù)對(duì)，RXIP和RXIM是TP接收數(shù)據(jù)對(duì)。圖4的TP模塊電路中，RJ45接口將MLT-3碼流以太網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合脈沖變壓器PE68515變?yōu)閱螛O性信號(hào)。

　　Port2的FXRDP和FXRDM是FX的接收數(shù)據(jù)對(duì)，F(xiàn)XTDP和FXTDM是FX的發(fā)射數(shù)據(jù)對(duì)。FXSD是光電檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)接收到的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后電平低于1.2V時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)的FDDI數(shù)據(jù)接口。由于調(diào)制驅(qū)動(dòng)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，F(xiàn)DDI中的信號(hào)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(lái)。

3 調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　　圖6是調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(gòu)成。MAX3263內(nèi)部的主偏置電源提供溫度補(bǔ)償偏置和參考電壓輸出Vref1和Vref2，通過(guò)電阻R25、R26、R27和R28對(duì)內(nèi)部的高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、激光器和監(jiān)視二極管進(jìn)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(jié)溫漂移，參考電壓設(shè)置在2Vbe時(shí)，結(jié)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(qiáng)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(guò)公式Ibo=40(Ib+Ibs)，將激光器的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成偏置電流的一部分，反饋?zhàn)饔糜诩す馄?，保證輸出穩(wěn)定的光功率。輸入的差分PECL信號(hào)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(dāng)?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(shí)應(yīng)使OUT+、OUT-端的電壓在2.2V以上，以防激光器飽和。

4 接收解調(diào)電路設(shè)計(jì)
　　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(gè)跨阻前置放大器和一個(gè)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(jí)放大調(diào)理電路。其內(nèi)部有4個(gè)限幅放大器組成的串行功率檢測(cè)器，每個(gè)限幅放大器都有一個(gè)全波對(duì)數(shù)檢測(cè)器，用以檢測(cè)輸入信號(hào)功率的大小。4個(gè)檢測(cè)結(jié)果在Filter端加在一起，通過(guò)電容C25進(jìn)行濾波。電阻R30、R31、內(nèi)部的1.2V參考電源和無(wú)光比較器共同構(gòu)成閾值設(shè)置和噪聲抑制功能。取R30=100kΩ，R31可用100kΩ的電位器調(diào)節(jié)，則VTR在1.2～2.4V間變化。當(dāng)輸入信號(hào)幅值大于VTR時(shí)，輸出穩(wěn)定的PECL電平信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)幅值小于VTR時(shí)，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(hào)，并且后級(jí)放大器輸出無(wú)光告警PECL信號(hào)LOS+。

　　由于圖6和圖7中的主芯片均在155MHz以上，因此由這兩個(gè)電路組成收發(fā)電路，進(jìn)行精心的參數(shù)選擇和PCB設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于高速的光通信場(chǎng)合。 5 系統(tǒng)測(cè)試
　　在所設(shè)計(jì)的各個(gè)部分的基礎(chǔ)上，將它們連接起來(lái)，在沒(méi)有光學(xué)天線(xiàn)的條件下，成功地進(jìn)行了室內(nèi)的以太網(wǎng)激光無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)正完善系統(tǒng)，并準(zhǔn)備將其應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)。
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