基于千兆以太網(wǎng)的基帶光纖拉遠(yuǎn)設(shè)計(jì)

基帶光纖拉遠(yuǎn)是將數(shù)字微波接力系統(tǒng)的中頻部分從室內(nèi)單元移至室外單元。由于信號(hào)拉遠(yuǎn)的物理介質(zhì)采用的是光纖,而且傳輸?shù)氖腔鶐?shù)字信號(hào),因此傳輸距離一般可達(dá)幾km以上?；鶐Ч饫w拉遠(yuǎn)避免了系統(tǒng)的室內(nèi)單元和室外單元之間饋線連接的不便,同時(shí)減少了饋線損耗,降低了功率放大器的功率要求,最重要的是天線的位置調(diào)整不再受室內(nèi)單元的制約,可以依據(jù)周邊環(huán)境特點(diǎn),選擇合適的地點(diǎn)架設(shè),降低了設(shè)備開(kāi)通的難度。本文介紹了88E1111的功能和特點(diǎn),并給出了采用88E1111完成數(shù)字微波接力系統(tǒng)基帶光纖拉遠(yuǎn)的接13設(shè)計(jì)方案,解決了基帶光纖拉遠(yuǎn)接口設(shè)計(jì)復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

　　1 88E1111簡(jiǎn)介

　　1．1 88E1111的功能特點(diǎn)

　　88E1111是Marvell公司推出的單片集成高性能千兆以太網(wǎng)物理層芯片,具有如下功能：完整支持IEEE802．3協(xié)議簇;內(nèi)置1．25 G串行解串行器,滿足千兆光傳輸應(yīng)用;支持GMII、TBI、RGMII、RTBI等多種MAC層接口;支持10／100／1000BaseT自適應(yīng)檢測(cè);采用0．13 μm CMOS工藝,支持2．5 V、1．2 V低電壓供電,最大功耗O．75W,且支持自動(dòng)降功耗功能。

　　1．2 88E1111的接口

　　1)GMII接口 88E1111與MAC層之間的數(shù)據(jù)接口見(jiàn)表1。

　　2)Management接口 由MDC、MDIO 2個(gè)信號(hào)組成,MDC為時(shí)鐘信號(hào),最大速率8．3 MHz;MDIO為數(shù)據(jù)信號(hào),同步于MDC。數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)“0 1”表示操作的開(kāi)始;緊隨其后是操作碼,“10”表示讀操作,“01”表示寫操作;然后是物理地址、寄存器地址、寄存器數(shù)據(jù)。CPU通過(guò)訪問(wèn)相應(yīng)的物理地址、寄存器地址,對(duì)芯片進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。

　　3)LED／ConfiguraTIon接口 LED接口由LED_Link10、LED_Link100、LED_Link1000、LED_TX、LED_RX、LED-Duplex、VDDO、 VSS組成。Co-nfiguration接口由Config[6：0]組成。通過(guò)將Config[6：0]連接到LED接口的不同信號(hào),可以將芯片配置到相應(yīng)的工作模式。典型的1000Ba-seX、全雙工工作模式配置映射關(guān)系如表2所示。

　　4)高速串行信號(hào)接口 由3對(duì)差分信號(hào)組成,接口電平為CML,其中S_IN±為串行數(shù)據(jù)輸入、S_OUT±為串行數(shù)據(jù)輸出、SD±為光功率有效輸入。

　　1．3 88E1111的寄存器

　　88E1111共有32個(gè)控制寄存器,每個(gè)寄存器16 bit,地址偏移量為OOH～1FH。功能為復(fù)位芯片、設(shè)置速率、雙工模式等,其描述如表3所示。

　　2 方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)88E1111的功能特點(diǎn)和基帶光纖拉遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)要求,本文提出了用88E1111完成數(shù)字微波接力系統(tǒng)基帶光纖拉遠(yuǎn)的接口設(shè)計(jì)方案。接口設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示,主要由室內(nèi)單元、室外單元2部分組成。發(fā)方向,室內(nèi)單元業(yè)務(wù)碼流輸入FPGA復(fù)分解器,完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)打包,封裝成符合IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),通過(guò)GMII接口發(fā)送到88E1111,由88E1111完成數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換,通過(guò)高速串行信號(hào)接口將信號(hào)發(fā)送到1．25 G光收發(fā)器,完成電光轉(zhuǎn)換后向室外單元發(fā)送1．25 G光信號(hào)。室外單元1．25 G光收發(fā)器接收光信號(hào),完成光電轉(zhuǎn)換,通過(guò)高速串行信號(hào)接口將高速電信號(hào)輸入88E1111,由88Ellll完成數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換,通過(guò)GMII接口將并行數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA調(diào)制解調(diào)器,完成數(shù)據(jù)解幀、調(diào)制后,通過(guò)中頻射頻單元向空中發(fā)送無(wú)線射頻信號(hào)。收方向?yàn)榘l(fā)方向的逆向流程。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　圖2所示是1．25 G光收發(fā)器SSFF315l的電路原理圖,其收發(fā)引腳RD±、TD±分別連接到88E1111的高速串行信號(hào)接口S_IN±、S_0UT±信號(hào)。圖3所示是88E1111的電路原理圖,其主要引腳連接關(guān)系如下：GMII接口信號(hào)(詳見(jiàn)表1連接到FPGA;Management接口信號(hào)MDl0、MDC連接到微處理器;Config接口信號(hào)按表2映射關(guān)系連接到LED接口;XTALl引腳輸入125 MHz時(shí)鐘信號(hào),頻率穩(wěn)定度±50 ppm;RSET為芯片參考電壓輸入引腳,通過(guò)5 kΩ精密電阻連接到地;SEL_FREQ為時(shí)鐘輸入選擇引腳,接低電平時(shí),選擇125 MHz時(shí)鐘輸入。

　　88E1111完全按照IEEE802.3協(xié)議工作。TX_CLX為發(fā)送時(shí)鐘,TX_EN為發(fā)送使能信號(hào),TX_EN有效時(shí),在發(fā)送時(shí)鐘TX_CLK的上升沿傳送數(shù)據(jù),TXD[7：0]至88E1111,完成發(fā)送操作。RX_CLK為接收時(shí)鐘,RX_DV是接收數(shù)據(jù)使能信號(hào)。RX_DV有效時(shí),在接收時(shí)鐘 RX_CLK的上升沿從88E1111接收數(shù)據(jù)RXD[7：0],完成接收操作。

 　　4 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

　　4．1 電氣接口匹配

　　88E111l的高速串行信號(hào)接口為CML接口,光收發(fā)器的信號(hào)接口為LVPECL接口。因此接口之間要增加CML轉(zhuǎn)LVPECL電氣接口匹配電路。采用交流耦合接口匹配電路時(shí),發(fā)送端在IVPECL的2個(gè)輸出信號(hào)上各加一個(gè)到地的偏置電阻,即圖2中R9、R10,電阻值選取范圍142～200Ω。輸入端在LVPECL的2個(gè)輸入信號(hào)之間跨接一個(gè)電阻,即R5,阻值取100 Ω。

　　4．2 GMII接口設(shè)計(jì)

　　GMII接口數(shù)據(jù)速率達(dá)到125 Mb／s,速率較高,為了避免各個(gè)信號(hào)在PCB板上由于傳播時(shí)延不同而造成相位誤差,布線時(shí),TXD[7：0]、CTX_CLK、TX_EN為一組信號(hào),RXD[7：0]、RX_CLK、RX_DV為一組信號(hào),兩組信號(hào)必須嚴(yán)格等長(zhǎng)。

　　4．3 PCB布線設(shè)計(jì)

　　基帶光纖拉遠(yuǎn)接口板上有LVTTL、LVPECL、CML等多種信號(hào)。為避免相互干擾,PCB布線時(shí)應(yīng)注意,在差分線對(duì)內(nèi),2條線之間的距離應(yīng)盡可能短,以保持接收器的共模抑制能力,在PCB板上,2條差分線之間的距離應(yīng)盡可能保持一致,以避免差分阻抗的不連續(xù)性。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　基于88E1111的基帶光纖拉遠(yuǎn)接口設(shè)計(jì)方案,在千兆、全雙工運(yùn)行模式下,接口數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)800 Mb／s;在單模光纖傳輸時(shí),傳輸距離可達(dá)20 km,完全達(dá)到數(shù)字微波接力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本方案已在多個(gè)數(shù)字微波接力產(chǎn)品中得到應(yīng)用,具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的方案有以下2個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：1)傳輸數(shù)據(jù)采用符合IEEE802．3協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),接口標(biāo)準(zhǔn)、可靠;2)采用光纖作為傳輸介質(zhì),避免了系統(tǒng)的室內(nèi)外單元之間饋線連接的不便,大大降低了系統(tǒng)成本和設(shè)備開(kāi)通的難度。