以太網的光無線通信系統的設計與實現

2019-11-05 02:18:44

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　　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的通信，是激光出現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、發射天線小、保密性好及抗電磁干擾等優點，越來越受到關注，應用也日漸廣泛起來。
　　
　　以太網是應用最廣的聯網技術，它以可靠性高、媒體信息量大、易于擴展和更新等優點，在企業、學校等領域得到廣泛的應用。根據ＩＥＥＥ８０２．３Ｅｔｈｅｒｎｅｔ標準規范，以太網每段同軸電纜長度不得超過５００ｍ，通過中繼器互聯后，網絡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，超越以太網的地域限制，滿足數據通信的需要，具有很強的應用價值。
　　　

　　１基于以太網的激光無線通信系統
　　將以太網和激光無線通信結合起來，充分發揮二者的優越性，可以大大提高系統的應用范圍和可靠性。圖１是基于以太網激光無線通信系統一端的原理框圖，另一端的結構和本端呈對稱狀態。從計算機網卡出來的雙極性ＭＬＴ－３數據信號，由ＲＪ４５接口，經過耦合變壓器后，變成單極性電平信號，送至以太網收發器，產生的高速ＰＥＣＬ信號通過調制驅動電路對激光器直接強度調制，驅動激光器發光，載有信息的激光通過光學天線發射出去。接收端光學天線將激光信號接收匯聚在光敏管上，通過接收解調電路后，恢復出ＰＥＣＬ高速數據信號，再經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，系統主要由三部分組成：以太網收發器、調制驅動電路和接收解調電路。下面分別就這三部分的電路設計進行具體說明。
　　　

　　２以太網收發電路
　　以太網收發電路由ＲＪ４５接口、耦合變壓器、以太網收發器，以及收發器與調制驅動電路、接收解調電路之間的接口組成。其中以太網收發器是核心單元，直接決定了系統的工作性能。
　　
　?。玻?以太網收發器ＩＰ１１３
　　
　　本系統采用ＩＣＰＬＵＳ公司出品的以太網至光纖收發器ＩＰ１１３芯片。ＩＰ１１３是二端口（包括ＴＰ端口和ＦＸ端口）１０／１００Ｍｂｐｓ以太網集成交換器，由一個二端口交換控制器和兩個以太網快速收發器組成。每個收發器都遵守ＩＥＥＥ８０２．３、ＩＥＥＥ８０２．３μ、ＩＥＥＥ８０２．３ｘ規則。為幀緩沖保留了ＳＳＲＡＭ，可以存儲１Ｋ字節的ＭＡＣ地址，全數字自適應調整和時序恢復，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內部原理框圖。ＩＰ１１３工作在存儲轉發模式，Ｐｏｒｔ１(ＴＰ端口)的速率是自適應調整的結果，因而不需要外加存儲器以緩沖數據包。每個端口都有自己的接收緩沖治理、發射緩沖治理、發射排隊治理、發射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、一個空緩沖治理器和一個地址表。散列單元負責找出和識別地址。發射緩沖治理和接收緩沖治理通過存儲器接口負責存儲數據或者讀出數據。發射ＭＡＣ和接收ＭＡＣ負責完成以太網的各種協議控制。接收ＭＡＣ從收發器收到數據后，被放進接收ＦＩＦＯ，同時為數據傳輸請求接收緩沖治理。當接收緩沖治理接收到請求后，就從空的緩沖治理區獲得一個空的存儲塊，并通過存儲器接口單元將數據包寫入。同時接收數據包也進入散列單元。散列單元從數據包里找出地址以建立地址表。ＩＰ１１３依據地址表決定是否轉發或者丟棄數據包。兩個端口共享一個空的緩沖治理，復位后，空緩沖治理提供兩個地址的空存儲區。當接收到一個數據包時，就找出一個新的空存儲區；當轉發一個數據包時，相應的存儲區就釋放。
　　
　?。玻?以太網收發電路設計
　　
　　以太網收發電路如圖３所示。主要由以太網收發芯片ＩＰ１１３、專用配置芯片ＥＥＰＲＯＭ９３Ｃ４６、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。
　　　

　?。桑校保保持С趾芏喙δ?，通過設置適當的參數滿足不同的需要，既可以由特定的管腳設定，也可以用ＥＥＰＲＯＭ配置。為提高系統的整體性能，這里采用專用串行ＥＥＰＲＯＭ９３Ｃ４６芯片。系統復位時，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和數據輸出ＥＥＤＯ，將９３Ｃ４６內部的參數讀入ＩＰ１１３內部的寄存器。復位結束后，這些管腳均變成輸入信號，以使ＩＰ１１３脫離９３Ｃ４６而獨立工作。
　　
　　復位時，ＩＰ１１３首先讀?。梗常茫矗兜模埃埃戎械膬热?，只有００Ｈ[１５:０]＝５５ＡＡＨ時，才會繼續從ＥＥＰＲＯＭ中讀取參數，否則以缺省值或特定的管腳電平值設置工作寄存器。０１Ｈ中的值設置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中的值設置交換控制寄存器１，選擇系統的流控制方式和沖突保護。０３Ｈ中的值設置交換控制寄存器２，控制系統的丟包、地址失效、優先級和算法補償。０４Ｈ中的值設置收發器控制寄存器，其中０４Ｈ[１３:１１]的５種取值：０００、１００、１０１、１１０和１１１，分別對應收發器的５種工作狀態：ＮＷＡＹ、１０Ｍｂｐｓ(半雙工)、１０Ｍｂｐｓ(全、半雙工)、１００Ｍｂｐｓ(半雙工)和１００Ｍｂｐｓ(全、半雙工)。０５Ｈ～０ＡＨ中的值分別設置收發器確認寄存器、測試寄存器和驗證方式寄存器。
　　　

　?。校铮颍簦钡模裕兀希泻停裕兀希褪牵裕邪l射數據對，ＲＸＩＰ和ＲＸＩＭ是ＴＰ接收數據對。圖４的ＴＰ模塊電路中，ＲＪ４５接口將ＭＬＴ－３碼流以太網信號經過耦合脈沖變壓器ＰＥ６８５１５變為單極性信號。
　　
　?。校铮颍簦驳模疲兀遥模泻停疲兀遥模褪牵疲氐慕邮諗祿?，ＦＸＴＤＰ和ＦＸＴＤＭ是ＦＸ的發射數據對。ＦＸＳＤ是光電檢測信號，當接收到的光信號經光電轉換后電平低于１．２Ｖ時，ＦＸＳＤ輸出連續的ＰＥＣＬ電平。圖５是ＦＸ模塊的電路圖，電路中采用標準的ＦＤＤＩ數據接口。由于調制驅動和接收解調電路采用５Ｖ電源，而系統其它部分均使用２．５Ｖ電源，ＦＤＤＩ中的信號均是ＰＥＣＬ電平，因此必須經電平轉換(如圖５所示)，才能把這兩部分聯系起來。
　　
　　３調制驅動電路設計
　　圖６是調制驅動電路圖，主要由ＭＡＸＩＭ公司的１５５ＭＨｚ的ＭＡＸ３２６３芯片和內部帶有監視二極管的激光器ＬＤ構成。ＭＡＸ３２６３內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對內部的高速調制驅動電路、激光器和監視二極管進行編程。ＭＡＸ３２６３的輸出電流都被內部的鏡像電流源控制，這些鏡像電流源都有２Ｖｂｅ的結溫漂移，參考電壓設置在２Ｖｂｅ時，結溫漂移可以被抵消。選擇電阻Ｒ２８以調節激光器靜態偏置電流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內部的監視二極管將光強變化轉換為電流Ｉｐｉｎ，經內部變換產生反饋電流Ｉｂｓ，通過公式Ｉｂｏ＝４０(Ｉｂ＋Ｉｂｓ)，將激光器的光強變化轉換成偏置電流的一部分，反饋作用于激光器，保證輸出穩定的光功率。輸入的差分ＰＥＣＬ信號ＲＤ、ＲＤ由內部的高速輸入緩沖和共射極差分輸出組成的調制器調制，調制電流的大小由Ｒ２６確定的電流Ｉｍ決定。選擇Ｒ２６的大小，使激光器有適當的調制電流，輸出足夠的光功率,并具有良好的消光比。同時應使ＯＵＴ＋、ＯＵＴ－端的電壓在２．２Ｖ以上，以防激光器飽和。
　　　

　　４接收解調電路設計
　　圖７是接收解調電路圖，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換成差分輸出電壓。２６６ＭＨｚ的ＭＡＸ３９６４組成后級放大調理電路。其內部有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檢測器，用以檢測輸入信號功率的大小。４個檢測結果在Ｆｉｌｔｅｒ端加在一起，通過電容Ｃ２５進行濾波。電阻Ｒ３０、Ｒ３１、內部的１．２Ｖ參考電源和無光比較器共同構成閾值設置和噪聲抑制功能。?。遥常埃剑保埃埃毽?，Ｒ３１可用１００ｋΩ的電位器調節，則ＶＴＲ在１．２～２．４Ｖ間變化。當輸入信號幅值大于ＶＴＲ時，輸出穩定的ＰＥＣＬ電平信號；當輸入信號幅值小于ＶＴＲ時，數據輸出端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電路，進行精心的參數選擇和ＰＣＢ設計，可應用于高速的光通信場合。
　　
　　５系統測試
　　在所設計的各個部分的基礎上，將它們連接起來，在沒有光學天線的條件下，成功地進行了室內的以太網激光無線通信的實驗?，F正完善系統，并預備將其應用于光網絡。

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