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基于以太网的光无线通信系统的设计与实现
基于以太网的光无线通信系统的设计与实现 关键词：以太网 IP113 PECL 以光波为信息载体进行光通信的历史由来已久，大气激光通信是以大气作 为传输介质的通信，是激光出现后最先研制的一种通信方式。由于它具有传输距 离远、频带宽、发射天线小、保密性好及抗电磁干扰等优点，越来越受到关注， 应用也日渐广泛起来。以太网是应用最广的联网技术，它以可靠性高、媒体信息量大、易于扩展 和更新等优点，在企业、学校等领域得到广泛的应用。根据ＩＥＥＥ８０２．３ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ标准规范，以太网每段同轴电缆长度不得超过５００ｍ，通过 中继器互联后，网络最大距离也不得超过２．８ｋｍ。在这种情况下，利用激光 无线通信技术，超越以太网的地域限制，满足数据通信的需要，具有很强的应用 价值。
１ 基于以太网的激光无线通信系统 将以太网和激光无线通信结合起来，充分发挥二者的优越性，可以大大提 高系统的应用范围和可靠性。图１是基于以太网激光无线通信系统一端的原理框 图，另一端的结构和本端呈对称状态。从计算机网卡出来的双极性ＭＬＴ－３数 据信号，由ＲＪ４５接口，经过耦合变压器后，变成单极性电平信号，送至以太 网收发器，产生的高速ＰＥＣＬ信号通过调制驱动电路对激光器直接强度调制， 驱动激光器发光，载有信息的激光通过光学天线发射出去。接收端光学天线将激 光信号接收汇聚在光敏管上，通过接收解调电路后，恢复出ＰＥＣＬ高速数据信 号，再经过耦合变压器送至计算机，从而完成整个通信过程。由图１可知，系统 主要由三部分组成：以太网收发器、调制驱动电路和接收解调电路。下面分别就 这三部分的电路设计进行详细说明。
２ 以太网收发电路 以太网收发电路由ＲＪ４５接口、耦合变压器、以太网收发器，以及收发 器与调制驱动电路、接收解调电路之间的接口组成。其中以太网收发器是核心单 元，直接决定了系统的工作性能。
２．１ 以太网收发器ＩＰ１１３本系统采用ＩＣ ＰＬＵＳ公司出品的以太网至光纤收发器ＩＰ１１３芯 片。ＩＰ１１３是二端口（包括ＴＰ端口和ＦＸ端口）１０／１００Ｍｂｐｓ以 太网集成交换器，由一个二端口交换控制器和两个以太网快速收发器组成。每个 收发器都遵守ＩＥＥＥ８０２．３、ＩＥＥＥ８０２．３μ、ＩＥＥＥ８０２． ３ｘ规则。为帧缓冲保留了ＳＳＲＡＭ，可以存储１Ｋ字节的ＭＡＣ地址，全数 字自适应调整和时序恢复，基线漂移校正，工作在１０／１００ｂａｓｅＴＸ 和 １００ｂａｓｅＦＸ的全双工／半双工方式。使用２．５Ｖ单电源，２５ＭＨｚ 单时钟源，０．２５μｍ工艺，１２８脚ＰＱＦＰ封装。
图２是ＩＰ１１３内部原理框图。ＩＰ１１３工作在存储转发模式， Ｐｏ ｒｔ１(ＴＰ端口)的速率是自适应调整的结果，因而不需要外加存储器以缓冲数 据包。每个端口都有自己的接收缓冲管理、发射缓冲管理、发射排队管理、发射 ＭＡＣ和接收ＭＡＣ。各个端口共享一个散列单元、一个存储器接口单元、一个 空缓冲管理器和一个地址表。散列单元负责找出和识别地址。发射缓冲管理和接 收缓冲管理通过存储器接口负责存储数据或者读出数据。发射ＭＡＣ和接收ＭＡ Ｃ负责完成以太网的各种协议控制。接收ＭＡＣ从收发器收到数据后，被放进接 收ＦＩＦＯ，同时为数据传输请求接收缓冲管理。当接收缓冲管理接收到请求后， 就从空的缓冲管理区获得一个空的存储块，并通过存储器接口单元将数据包写入。
同时接收数据包也进入散列单元。散列单元从数据包里找出地址以建立地址表。
ＩＰ１１３依据地址表决定是否转发或者丢弃数据包。两个端口共享一个空的缓 冲管理，复位后，空缓冲管理提供两个地址的空存储区。当接收到一个数据包时， 就找出一个新的空存储区；
当转发一个数据包时，相应的存储区就释放。
２．２ 以太网收发电路设计 以太网收发电路如图３所示。主要由以太网收发芯片ＩＰ１１３、专用配 置芯片ＥＥＰＲＯＭ ９３Ｃ４６、ＬＥＤ显示矩阵，以及ＩＰ１１３的Ｐｏｒ ｔ１与ＴＰ模块、Ｐｏｒｔ２与ＦＸ模块之间的接口组成。
图4 IP模块电路图 ＩＰ１１３支持很多功能，通过设置适当的参数满足不同的需要，既可以由 特定的管脚设定，也可以用ＥＥＰＲＯＭ配置。为提高系统的整体性能，这里采 用专用串行ＥＥＰＲＯＭ ９３Ｃ４６芯片。系统复位时，管脚ＬＥＤ＿ＳＥＬ[１:０]分别作为９３Ｃ４６的时钟ＥＥＳＫ和片选ＥＥＣＳ，ＢＰ＿ＫＩＮＤ [１:０]分别作为９３Ｃ４６地址ＥＥＤＩ和数据输出ＥＥＤＯ，将９３Ｃ４６内 部的参数读入ＩＰ１１３内部的寄存器。复位结束后，这些管脚均变成输入信号， 以使ＩＰ１１３脱离９３Ｃ４６而独立工作。
复位时，ＩＰ１１３首先读取９３Ｃ４６的００Ｈ中的内容，只有００Ｈ [１５:０]＝５５ＡＡＨ时，才会继续从ＥＥＰＲＯＭ中读取参数，否则以缺省值 或特定的管脚电平值设置工作寄存器。０１Ｈ中的值设置ＬＥＤ输出控制寄存器， 控制两个ＬＥＤ矩阵的亮、灭和闪烁，以分别显示两个端口的连接、活动、全／ 半双工和速率（１０Ｍｂｐｓ／１００Ｍｂｐｓ）。０２Ｈ中的值设置交换控制 寄存器１，选择系统的流控制方式和冲突保护。０３Ｈ中的值设置交换控制寄存 器２，控制系统的丢包、地址失效、优先级和算法补偿。０４Ｈ中的值设置收发 器控制寄存器，其中０４Ｈ[１３:１１]的５种取值：０００、１００、１０１、 １１０和１１１，分别对应收发器的５种工作状态：ＮＷＡＹ、１０Ｍｂｐｓ(半 双工)、１０Ｍｂｐｓ(全、半双工)、１００Ｍｂｐｓ(半双工)和１００Ｍｂｐｓ (全、半双工)。０５Ｈ～０ＡＨ中的值分别设置收发器确认寄存器、测试寄存器 和验证方式寄存器。
Ｐｏｒｔ１的ＴＸＯＰ和ＴＸＯＭ是ＴＰ发射数据对，ＲＸＩＰ和ＲＸＩＭ 是ＴＰ接收数据对。图４的ＴＰ模块电路中，ＲＪ４５接口将ＭＬＴ－３码流以 太网信号经过耦合脉冲变压器ＰＥ６８５１５变为单极性信号。
Ｐｏｒｔ２的ＦＸＲＤＰ和ＦＸＲＤＭ是ＦＸ的接收数据对，ＦＸＴＤＰ 和ＦＸＴＤＭ是ＦＸ的发射数据对。ＦＸＳＤ是光电检测信号，当接收到的光信 号经光电转换后电平低于１．２Ｖ时，ＦＸＳＤ输出连续的ＰＥＣＬ电平。图５ 是ＦＸ模块的电路图，电路中采用标准的ＦＤＤＩ数据接口。由于调制驱动和接 收解调电路采用５Ｖ电源，而系统其它部分均使用２．５Ｖ电源，ＦＤＤＩ中的 信号均是ＰＥＣＬ电平，因此必须经电平转换(如图５所示)，才能把这两部分联 系起来。
３ 调制驱动电路设计 图６是调制驱动电路图，主要由ＭＡＸＩＭ公司的１５５ＭＨｚ的ＭＡＸ ３２６３芯片和内部带有监视二极管的激光器ＬＤ构成。ＭＡＸ３２６３内部的 主偏置电源提供温度补偿偏置和参考电压输出Ｖｒｅｆ１和Ｖｒｅｆ２，通过电阻Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７和Ｒ２８对内部的高速调制驱动电路、激光器和监视 二极管进行编程。ＭＡＸ３２６３的输出电流都被内部的镜像电流源控制，这些 镜像电流源都有２Ｖｂｅ的结温漂移，参考电压设置在２Ｖｂｅ时，结温漂移可 以被抵消。选择电阻Ｒ２８以调节激光器静态偏置电流Ｉｂｏ，使Ｉｂｏ略小于 激光器的阈值电流，以使激光器的输出具有良好的消光比。ＬＤ内部的监视二极 管将光强变化转换为电流Ｉｐｉｎ，经内部变换产生反馈电流Ｉｂｓ，通过公式 Ｉｂｏ＝４０(Ｉｂ＋Ｉｂｓ)，将激光器的光强变化转换成偏置电流的一部分， 反馈作用于激光器，保证输出稳定的光功率。输入的差分ＰＥＣＬ信号ＲＤ、Ｒ Ｄ由内部的高速输入缓冲和共射极差分输出组成的调制器调制，调制电流的大小 由Ｒ２６确定的电流Ｉｍ决定。选择Ｒ２６的大小，使激光器有适当的调制电流， 输出足够的光功率,并具有良好的消光比。同时应使ＯＵＴ＋、ＯＵＴ－端的电 压在２．２Ｖ以上，以防激光器饱和。
图6 调制驱动电路 ４ 接收解调电路设计 图７是接收解调电路图，由ＭＡＸ３９６３和ＭＡＸ３９６４配以必要的 外围器件组成。１５５ＭＨｚ的低噪声芯片ＭＡＸ３９６３组成前置放大器，其 内部包含一个跨阻前置放大器和一个带射极跟随输出的倒相放大器，并集成了２ ２ｋΩ的跨阻，可将ＰＩＮ接收的微弱光电流转换成差分输出电压。２６６ＭＨ ｚ的ＭＡＸ３９６４组成后级放大调理电路。其内部有４个限幅放大器组成的串 行功率检测器，每个限幅放大器都有一个全波对数检测器，用以检测输入信号功 率的大小。４个检测结果在Ｆｉｌｔｅｒ端加在一起，通过电容Ｃ２５进行滤波。
电阻Ｒ３０、Ｒ３１、内部的１．２Ｖ参考电源和无光比较器共同构成阈值设置 和噪声抑制功能。取Ｒ３０＝１００ｋΩ，Ｒ３１可用１００ｋΩ的电位器调节， 则ＶＴＲ在１．２～２．４Ｖ间变化。当输入信号幅值大于ＶＴＲ时，输出稳定 的ＰＥＣＬ电平信号；
当输入信号幅值小于ＶＴＲ时，数据输出端ＯＵＴ＋输出 高电平，ＯＵＴ－输出低电平，所有的限幅放大器拒绝接收输入信号，并且后级 放大器输出无光告警ＰＥＣＬ信号ＬＯＳ＋。
由于图６和图７中的主芯片均在１５５ＭＨｚ以上，因此由这两个电路组成 收发电路，进行精心的参数选择和ＰＣＢ设计，可应用于高速的光通信场合。
５ 系统测试在所设计的各个部分的基础上，将它们连接起来，在没有光学天线的条件 下，成功地进行了室内的以太网激光无线通信的实验。现正完善系统，并准备将 其应用于光网络。
