10M光纤收发器的系统设计与实现

【摘　要】　介绍了光电介质转换芯片ML4664的原理，详细说明了以ML4664为主要芯片构成10M光纤收发器的设计方法，并给出了设计的具体原理图。
    关键词：ML4664，光纤收发器，通信

1　引　言
　　随着信息用户群的不断增长以及用户对信息服务质量越来越高的要求，光纤传输从各种网络传输技术中脱颖而出，光纤网络建设逐步扩大，光纤网络产品应用也日益普及，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。但是完整地考虑一个光纤到桌面的解决方案，不仅要有光纤信息出口和光纤配线箱，还需要价格昂贵的光纤网卡和光出口集线器，这使整个系统的成本大大提高。而一种经济有效的实现光纤到桌面的方法是使用光纤收发器（即光电介质转换器）。光纤收发器是一种透明传输的光电介质转换设备，不仅能大大简化局域网的升级，而且可以保护原有铜缆LAN设备的投资，因此成为当前市场迫切需要的设备之一。
2　系统结构
　　本文介绍的光纤收发器系统结构如图1所示，它由光电介质转换芯片ML4664、光收发一体化模块、电接口模块、RJ45和电源这几部分组成。其中，光电介质转换芯片ML4664为光纤收发器系统的主芯片，它完成10Base－T的双绞线介质到10Base－FL光纤介质的转换；电接口模块除了将RJ45送来的电信号耦合至ML4664外，还包括一个低通滤波器，完成低通滤波功能；光收发一体化模块是与光纤介质的接口模块；由于ML4664需要数字电源和模拟电源，所以，在电源部分我们专门分出了数字电源和模拟电源两部分。

3　ML4664功能简介
　　ML4664是Micro Linear公司推向市场的一款高性能光电介质转换芯片，可用于实现10Base－T的双绞线介质到10Base－FL光纤介质的转换，符合IEEE802．3的10Base－T和10Base－FL的规范标准，采用5V电源供电，且不需要外接晶体或晶振，是一款理想的光电介质转换芯片。随着光通信的飞速发展，ML4664必将有更广泛的应用。
3．1　主要特征
    ML4664的主要特征有：
    ·支持全双工方式；
　　·支持100Ω的非屏蔽双绞线和150Ω屏蔽双绞线；
　　·电流输出可高达100mA，并且具有较低的RFI噪声和很小的抖动；
      ·具有自动极性纠正功能；
    ·输入灵敏度可达2mVP－P；
    ·具有自动连接检测功能；
      ·带有高稳定性的数字均衡器，支持55dB的动态输入范围。
3．2　引脚功能简介
    ML4664为28脚的PLCC封装，如图2所示。

    （1）TPINPTPINN双绞线数据差分输入端；
　　（2）TPOUTN TPOUTP双绞线数据差分输出端；
　　（3）TPLED双绞线数据连接状态指示脚，连接正常时，输出为低电平；
　　（4）POLDIS双绞线数据输入状态指示脚，通过高低电平的跳变，来指示有数据输入；
    （5）OPOUT光信号的输出脚；
    （6）OPINN OPINP光信号的差分输出端；
　　（7）OPLED光信号连接状态指示脚，连接正常时，输出为低电平；
　　（8）LMON光信号输入状态指示脚，通过高低电平的跳变，来指示数据输入；
    （9）AVCCVCC模拟电源和数字电源；
    （10）AGND GND模拟地和数字地；
　　（11）RRSET通过一个61．9K的电阻上拉至电源，作为芯片的外部偏置；
　　（12）RTSETOP设置输出电流的大小，一般可用115Ω的电阻拉至电源；
　　（13）RTSETTP双绞线的阻抗匹配设置端，如果用100Ω的非屏蔽双绞线，可在此引脚和电源之间接一个220Ω的电阻；而如果用150Ω的屏蔽双绞线，则外接300Ω的电阻；
　　（14）TxCAP0 TxCAP1设置前均衡的脉冲宽度，可接一个680pF的电容。
3．3　工作原理
    ML4664芯片的内部电路主要由两部分组成：OP传送和接收部分；TP传送和接收部分。
　　OP的传送和接收电路主要完成两个功能：检测是否有数据从TP输入和将数据送入光收发一体化模块。OP的传送和接收电路具有很强的光纤信号检测能力，它能识别出2mVP－P，且动态范围为55dB的光信号。OP的传送和接收电路是以电流的形式来驱动光收发一体化模块的，在数据送入光收发一体化模块前，要通过静噪电路滤掉多余噪声。配置引脚RTSETOP的外接电阻就可改变输出驱动电流IOUT的大小，相应公式如下：

ML4664的最大输出电流可达100mA，此时RTSETOP的外接电阻值为60Ω。当OP传送和接收电路检测到引脚TPINP和TPINN上无信号输入，OP传送电路将进入‘空闲’状态，输出1MHz的空闲信号。
　　在数据送入双绞线介质之前，也要通过静噪电路滤掉多余噪声。TP信号的输出要先经过一个2：1的变压器，进行低通滤波后，最后通过RJ45与双绞线相连。TP信号的输出形式是电压模式，输出电压由流入TPOUTP、TPOUTN引脚的电流值和输出介质的阻抗决定。ML4664／ML4669支持100Ω的非屏蔽双绞线和150Ω屏蔽双绞线，下面的公式决定双绞线的阻抗：

式中RL为双绞线的阻抗值。TP传送和接收部分还集成了一个前均衡电路，用来补偿通过双绞线传输后信号幅度和相位的失真。双绞线对10MHz信号的衰减比对5MHz信号的衰减要大，前均衡电路可以使来自远端的10MHz和5MHz信号的幅度基本一致。当TP传送和接收电路检测到引脚OPINP和OPINN上无信号输入，TP传送电路将进入‘空闲’状态，此时会产生一个只有450mV的输出电压，这一输出电压持续250ns后，跳变一次，再回到450mV上。
4　光纤收发器的系统设计
　　在我们研制的10M光纤收发器系统中，以ML4664芯片为光电介质转换的主芯片，电接口模块采用芯片SF1301，其硬件原理图如图3所示。
　　其中，SF1301负责将电信号耦合到ML4664，并进行低通滤波处理。RTXM15－14为光收发一体化模块，它将从ML4664输出的电流信号转化成光信号。整个电路的工作流程大致如下：光信号通过光送入RTXM15－14，由RTXM15－14将光信号转换成差分的电流信号，电流信号采用交流耦合，送入ML4664，在ML4664中进行一系列处理后，再经SF1301进行低通滤波，最后接入RJ45，完成光信号到电信号的转换过程。

　　RTXM15－14和主芯片ML4664之间差分信号的传送，采用交流耦合，即通过电容C27、C28连接，这样就可以隔离两边的直流电平，使得RTXM15－14和主芯片ML4664可采用不同的直流电平偏置方案。需要注意的是，在ML4664光信号的输出端，只有一个引脚OPOUTP，而光收发一体化模块的输出脚却要求一对差分信号TD和／TD，这时可将光收发一体化模块的TD脚接上固定直流电平，而另一个／TD脚通过电容耦合接上ML4664的OPOUTP脚。
4．1　初始化配置
　　本系统的主芯片ML4664的集成度很高，因此它的外围引脚的配置比较麻烦，我们在经过多次改进实验后，找到了一系列较佳初始化配置方案，现在整理叙述如下：RTSETTP引脚外接220Ω的电阻，使光纤收发器支持100Ω阻抗的非屏蔽双绞线；在RRSET脚外接61．9kΩ的电阻，以满足芯片内部偏置的需要；我们在RTSETOP脚和电源之间接一个115Ω的电阻，使得芯片输出给光收发一体化模块的电流大约为52mA；TxCAP0和TxCAP1之间的电容主要是设置前均衡的脉冲宽度，大小最好为680pF；CTIMER脚的外接电容是设置检测链接状态的间隔时间值，可使用大小为0．047μF的电容。
4．2　电源方案和PCB布线方案
　　光电介质转换芯片ML4664要求将模拟电源和数字电源、模拟地和数字地分开，而且光收发一体化模块的接收部分的电源和发送部分的电源也分开。我们的处理方案如下：5V电源先通过两个10μH的电感（L1、L2），得到数字电源VCC和数字地GND，再经过1．2μH的两个电感（L6、L7），分出模拟电源AVCC和模拟地AGND；数字电源VCC经电感L4得到光收发一体化模块的发送电源TxVCC，模拟电源AVCC经电感L3得到光收发一体化模块的接收电源RxVCC。
　　为减少电磁干扰，在PCB板的布线时也进行了一些特别处理。我们采用四层板布线方案，顶层和底层除了走信号线外，还要进行包地，中间两层为电源层和地层。光收发一体化模块和SF1301到ML4664的连线是差模信号线对，这些差模信号线对要尽可能彼此靠近且平行，而远离其他信号线，而且，差模信号线的走线长度要尽量短以减小其自感。此外，接收信号线与发送信号线要分在两层走，如果接收信号线走顶层，发送信号线就要求走底层。
4．3　光收发一体化模块的选择
　　光纤模态分为单模和多模两种，光收发一体模块按所接光纤的模态，可相应地分为单模光收发一体模块和多模光收发一体模块。单模光纤衰减率低、传输距离远、容量大，但价格昂贵，常用于长途电信；而多模光纤在短距离传输中的性能价格比要优于单模光纤，故多用于传输距离较近的网路。单模光收发一体模块以激光器为光源，多模模块则多采用发光二极管。此外，光收发一体化模块还有长波长和短波长之分；接口类型有ST、FC／PC、D4、SC等。选用哪种型号的光收发一体化模块，要由具体的应用环境决定。我们所设计的光纤收发器已经充分考虑到兼容性问题，光收发一体化模块RTXM15－14可以任意替换成其它类型的光收发一体化模块，而不需要改动电路，因此能够随时根据客户的要求，选用所需的光收发一体模块。
5　结束语
　　ML4664是一款高性能光电介质转换芯片，以它作主芯片而研制出的光纤收发器的性能优良，使用SmartBits2000网络测试仪进行性能和功能的测试，该光纤收发器的帧转发时延小于1μs，大数据包（1500字节）的丢包率为0％，其他各项性能指标也均达到国内外先进水平。现在这款光纤收发器已经量产并销售，广电、吉通、铁通等电信单位使用后，反应良好。

参考文献

1　彭吉虎，吴伯瑜．光纤技术及应用．北京：北京理工大学出版社，1998
2　黄章勇．光纤通信用光电子器件和组件．北京：北京邮电大学出版社，2001