自70年代以來(lái),光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾遏治、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應(yīng)用領(lǐng)域的理想傳輸介質(zhì)任汪。近年來(lái),隨著布線標(biāo)準(zhǔn)的改變,光電器件咪轩、光纜县趴、連接器技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用帶寬的逐步升級(jí),光纖網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用日益普及,很多用戶開(kāi)始考慮用“光纖到桌面”來(lái)替代水平布線系統(tǒng)中的銅纜方案。但完整地考慮一個(gè)光纖到桌面的解決方案,不僅要有光纖信息出口和光纖配線箱,還需要價(jià)格昂貴的光纖網(wǎng)卡和光出口集線器,整個(gè)系統(tǒng)成本大大提高涉粘。一種經(jīng)濟(jì)有效的實(shí)現(xiàn)光纖到桌面的方法是使用光纖收發(fā)器(即光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換器)锭汛。光纖收發(fā)器尤其是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器不僅大大簡(jiǎn)化局域網(wǎng)的升級(jí),而且可以保護(hù)原有銅纜LAN設(shè)備的投資,成為當(dāng)前市場(chǎng)的迫切需要。

如圖1(a)所示,快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器包括三個(gè)基本功能模塊:光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片袭蝗、光信號(hào)接口(RJ45)和電信號(hào)接口(光收發(fā)一體模塊),如果配備網(wǎng)管功能則還包括網(wǎng)管信息處理器(可編程邏輯芯片或MII接口)唤殴。快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)包括元器件的選擇和印刷電路板設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。本文從以上兩個(gè)方面介紹其設(shè)計(jì)思路與方法眨八。

元器件的選擇

在快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設(shè)計(jì)中,元器件的選擇舉足輕重,它決定了產(chǎn)品的性能腺兴、壽命和成本。光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片(OEMC)是整個(gè)收發(fā)器的核心廉侧。選擇介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器設(shè)計(jì)的第一步,也是非常重要的一步。它的選擇直接影響和決定了其它元器件的選擇篓足。

光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)有:

1．網(wǎng)管功能

網(wǎng)絡(luò)管理是網(wǎng)絡(luò)可靠性的保證,是提高網(wǎng)絡(luò)效益的方式,網(wǎng)絡(luò)管理的運(yùn)行段誊、管理、維護(hù)等功能可以大大增加網(wǎng)絡(luò)的可用時(shí)間,提高網(wǎng)絡(luò)的利用率栈拖、網(wǎng)絡(luò)性能连舍、服務(wù)質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)效益涩哟。但研制有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器所需的人力审亿、物力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)網(wǎng)管的同類(lèi)產(chǎn)品,主要表現(xiàn)在:

(1) 硬件投資〉塾洌快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器網(wǎng)管功能的實(shí)現(xiàn)有兩種方式:一是在收發(fā)器電路板上配置可編程邏輯芯片作為網(wǎng)管信息處理器,來(lái)處理網(wǎng)管信息,該芯片利用OEMC上的雙向管理指令接口(MDIO)最咖、管理數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘輸入接口(MDC)及被管理信息輸入/輸出管腳等接口,獲取管理信息。如圖1(b)所示,管理信息與網(wǎng)路上的普通數(shù)據(jù)共用數(shù)據(jù)通道暖麻。第二種方式如圖1(c)所示,快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上沒(méi)有管理信息處理器,收發(fā)器外部的網(wǎng)絡(luò)管理者通過(guò)MII接口獲取管理信息碑甘。可見(jiàn),有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器,元器件種類(lèi)及數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于無(wú)網(wǎng)管的同類(lèi)產(chǎn)品,相應(yīng)地,布線復(fù)雜,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)瘾手。

(2) 軟件投資销顷。有網(wǎng)管功能快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的研發(fā)工作除了硬件布線外,軟件編程也十分重要。網(wǎng)管軟件的開(kāi)發(fā)工作量較大,包括上層圖形化用戶接口部分光拥、下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備代理嵌入式系統(tǒng)處理信息部分灼烫、上下層接口及嵌入式系統(tǒng)編程語(yǔ)言與可編程芯片的接口。選用合適的編程軟件很必要,設(shè)計(jì)者既可選用C厨摔、JAVA等傳統(tǒng)語(yǔ)言,也可以選用專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)管編程軟件如:AdventNet公司的Management Builder和Agent Toolkit等窄忱。

(3) 調(diào)試工作。有網(wǎng)管功能快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的調(diào)試工作包括兩部分:軟件調(diào)試和硬件調(diào)試策橘。在調(diào)試過(guò)程中,電路板布線炸渡、元器件性能、元器件焊接丽已、PCB板質(zhì)量蚌堵、環(huán)境條件以及軟件編程中的任一因素都會(huì)影響快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的性能。調(diào)試人員必須具備綜合素質(zhì),全面考慮收發(fā)器出現(xiàn)故障的各種因素沛婴。

(4) 人員的投入吼畏。普通快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)只需一個(gè)硬件工程師便可完成。有網(wǎng)管功能的快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)工作除了需要硬件工程師完成電路板布線外,還需要至少一位軟件工程師完成網(wǎng)絡(luò)管理的編程,而且要求軟硬件設(shè)計(jì)者密切配合嘁灯。

2．兼容性

OEMC應(yīng)支持IEEE802泻蚊、CISCO ISL等常用網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn),以保證快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器有良好的兼容性躲舌。

3．環(huán)境要求

a. 輸入輸出電壓。OEMC的工作電壓多為5伏或3.3伏,但快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上另一個(gè)重要的器件??光收發(fā)一體模塊的工作電壓絕大多數(shù)為5伏性雄。若兩者工作電壓不一致,則會(huì)增加PCB板布線的復(fù)雜程度没卸。

b. 工作溫度。在選擇OEMC的工作溫度時(shí),開(kāi)發(fā)人員需從最不利的條件出發(fā)并留有余地,比如夏天最高氣溫達(dá)40℃,而快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器機(jī)箱內(nèi)部因?yàn)楦鞣N元器件尤其是OEMC發(fā)熱,溫度比環(huán)境還要高10℃到20℃,因此,快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器工作溫度的上限指標(biāo)一般不應(yīng)低于70℃秒旋。

印刷電路板的設(shè)計(jì)

快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電路屬于高頻電路(一般高于1MHz),電磁干擾是影響其性能的最重要的因素,信號(hào)頻率越高,電磁干擾對(duì)PCB性能的影響就越大约计。因此,如何有效地抑制電磁干擾是快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器上電磁干擾的主要形式及抑制措施:

1．PCB板與外部接口處的電磁干擾及其抑制

PCB板與外部接口處的電磁干擾主要指來(lái)自雙絞線的共模信號(hào)援丐。雙絞線中的每對(duì)導(dǎo)線以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞善簸。共模電流Icom在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動(dòng),并經(jīng)過(guò)寄生電容Cp到地返回。在這種情況下,電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場(chǎng),它們的輸出不能相互抵消,引起射頻干擾苇给。抑制方法:在光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片與RJ45口之間加入一個(gè)共模扼流器,則可以有效地減少共模信號(hào)引起的射頻干擾呛产。共模電流以相同的方向流過(guò)共模扼流圈繞組的每一邊,建立大小相等相位相同的相加磁場(chǎng)使共模扼流圈對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗,通過(guò)共模扼流圈的共模電流大大地減弱。

2．電源系統(tǒng)引起的干擾及其抑制:

電源系統(tǒng)的電磁干擾主要來(lái)自整流電路的紋波干擾北淘、電源開(kāi)關(guān)噪聲干擾以及電源寄生耦合干擾治勒。

A．整流電路的紋波干擾。整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流之后,這種脈動(dòng)直流本身是一種50Hz(單相半波)或100Hz(單相全波或橋式整流)以及它們的高次諧波疊加在一起的紋波干擾攀瘟。如果濾波電路不佳或?yàn)V波不足,這種50Hz(或100Hz)的紋波電壓就會(huì)對(duì)快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電路形成干擾和蛀。

B．電源開(kāi)關(guān)噪聲干擾∷吡幔快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器電源通電瞬間,電路中產(chǎn)生瞬變電流,引起噪聲干擾搂棱。

C．電源寄生耦合干擾。由于供電電源內(nèi)阻不可能為零,各級(jí)信號(hào)電流通過(guò)電源時(shí),會(huì)在內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降,這個(gè)交流信號(hào)電壓將會(huì)隨著直流通路送往其它級(jí)沫流。對(duì)于多級(jí)級(jí)聯(lián)的電路,這種寄生耦合有可能形成寄生正反饋,再加上電路中存在著電感偏控、電容等儲(chǔ)能元件,便會(huì)產(chǎn)生振蕩。

電源系統(tǒng)干擾的抑制方法主要是采用合適的濾波電路滑沧。一方面,在電路電源接入處,選用參數(shù)合適的磁珠與鉭電容組成濾波電路,消除電路中的瞬變電流或寄生振蕩,阻止電源或其它引線導(dǎo)入電路的高頻干擾并村。另一方面,對(duì)每一個(gè)有源器件的供電電源利用π型濾波電路單獨(dú)進(jìn)行二次濾波,濾波電容除了采用大容量的電解電容外,還需并聯(lián)一個(gè)小容量的非電解電容以消去電解電容產(chǎn)生的寄生電感(電解電容有微小的串聯(lián)寄生電感,高頻時(shí)會(huì)呈現(xiàn)可觀的阻抗)。

3. 接地系統(tǒng)引起的干擾及其抑制:

如圖4所示的單點(diǎn)接地法廣泛應(yīng)用于低頻電路,如果用在快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的高頻電路中,則不僅容易形成長(zhǎng)地線從而增加地線的阻抗,而且地線間的雜散電感和分布電容也會(huì)造成電路間的相互耦合,使電路工作不穩(wěn)定滓技。尤其是地線的長(zhǎng)度達(dá)到信號(hào)1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí),由于諧振地線阻抗迅速減小,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲干擾哩牍。采用圖5所示的多點(diǎn)接地法(即就近接地法),把各電路的分支接地線分別接到總地線,可使各支地線的長(zhǎng)度減到最短,因而有效地防止了地線電感和電容引起的干擾。但多點(diǎn)接地電路中由于各支地線呈串聯(lián)形式接入總地線,當(dāng)總地線在阻抗較大時(shí)會(huì)形成較嚴(yán)重的共地干擾,為此,總地線一般要用大面積的整塊銅箔令漂。

為減少電磁干擾,在PCB板設(shè)計(jì)中除應(yīng)注意上述問(wèn)題之外,元器件的放置以及印制板走線應(yīng)遵循以下原則:

1．高速信號(hào)線應(yīng)靠近一片連續(xù)無(wú)間隔的地膝昆。

2．差模信號(hào)線對(duì)盡可能彼此靠近,而遠(yuǎn)離其它信號(hào)線。

3．接收信號(hào)線與發(fā)送信號(hào)線應(yīng)彼此遠(yuǎn)離,彼此正交或中間用地隔開(kāi)叠必。

4．?dāng)?shù)字地與模擬地要分開(kāi),數(shù)字地層緊貼數(shù)字電源層,模擬地緊貼模擬電源層荚孵。

5．盡可能減短走線長(zhǎng)度以減小其自感。

6．有些元器件,特別是磁性元件(如濾波器)應(yīng)相互之間成90°放置。

隨著寬帶接入技術(shù)的迅速普及,光纖產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛收叶。作為光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備,快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器成為市場(chǎng)的迫切需要骄呼。本文從光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片選擇和PCB設(shè)計(jì)兩方面闡述了快速以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)。

作者:劉靜判没、李橋梁蜓萄、吳洪濤

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