基于以太網(wǎng)的光無線通信系統(tǒng)的設(shè)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(jié)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(shè)計。 關(guān)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(guān)注，應(yīng)用也日漸廣泛起來。 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、易于擴展和更新等優(yōu)點，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(luò)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(shù)，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(yīng)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(jié)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)天線發(fā)射出去。接收端光學(xué)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(fù)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(shè)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(yīng)調(diào)整和時序恢復(fù)，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(yīng)調(diào)整的結(jié)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(zé)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(zé)存儲數(shù)據(jù)或者讀出數(shù)據(jù)。發(fā)射MAC和接收MAC負責(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(fù)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(yīng)的存儲區(qū)就釋放。 2.2 以太網(wǎng)收發(fā)電路設(shè)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(shè)置適當?shù)膮?shù)滿足不同的需要，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，這里采用專用串行EEPROM 93C46芯片。系統(tǒng)復(fù)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(fù)位結(jié)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(fù)位時，IP113首先讀取93C46的00H中的內(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(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(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。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)先級和算法補償。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，F(xiàn)XTDP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，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(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，F(xiàn)DDI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(shè)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(gòu)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(jié)溫漂移，參考電壓設(shè)置在2Vbe時，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(yīng)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(shè)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(jié)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(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(shè)計，可應(yīng)用于高速的光通信場合。 5 系統(tǒng)測試 在所設(shè)計的各個部分的基礎(chǔ)上，將它們連接起來，在沒有光學(xué)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(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)。