基于单片机控制的光收发器设计

第３２卷第４期　湖南科技学院学报　Ｖｂｌ－３２　ＮＯ．４　２０１１年４月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｐｒ．２０１　１　基于单片机控制的光收发器设计　杨振南蒋恩松李玲香邵金侠　（湖南科技学院计算机与通信工程系，湖南永州４２５１００）　摘要：光收发器的设计中，把激光驱动和接收放大部分集成在一起，通过使用普通单片机进行控制的方案，可以降低　收发器的成本，提高产品的性能　文章选用ＰＨＹＷＯＲＫＳ公司的驱动放大集成芯片ＰＨＹ１０７６，在ＡＴＭＥＧＡ８８单片机控制下，　设计了一款１．２５Ｇｂｐｓ／１０ｋｍ以太网光收发器。并测试了各温度下的性能参数，结果表明设计的光收发器符合８０２．３ｚ要求，　可用于实际光通信系统。　关键词：光收发器；ＳＦＰ；ＡＰＣ；消光比；单片机　中图分类法：ＴＮ９１３．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—２２１９（２０１１）０４－００３４－０３　引　言　功耗小，系统可集成度高，能够进行数字诊断功能等特点。　三网合一的推动下，光纤到户等光纤接入方案的应用日　本设计中使用激光驱动电路和光接收放大电路集成的　益广泛。在光进铜退的呼声下，光网络迅速发展。光收发器　ＰＨＹ１０７６作为专用芯片，使用ＡＴＭＥＬ的ＡＶＲ单片机　在光通信中起到光电，电光转换的作用。是光通信必不可少　ＡＴＭＥＧＡ８８进行控制和实现ＤＤＭ功能，加上相应的ＴＯＳＡ　的器件。由于涉及到高速电路设计，精密机械加工和光学设　（光发射组件），ＲＯＳＡ（光接收组件）和结构件，设计了一　计，光收发器的成本占据了光纤通信系统和的重要部分。较　款工作在１．２５Ｇｂｐｓ传输距离为１０ｋｍ的ＳＦＰ光收发器。系　高的光收发器价格成了制约光纤接入推广的瓶颈。进一步降　统方框图如图１所示：　低光收发器的成本将有利于光接入的应用推广，加快光进铜　发射部分工作原理：　退的步伐。　系统的串行数据信号从ＴＸ＋／一端以差分信号形式输入　光收发器主要由电路部分，光发送组件，光接收组件组　到ＰＨＹ１７０６的激光器驱动部分。驱动电路进行放大处理后，　成。其中电路部分又包括激光驱动，光接收信号放大，和控　转换成差分调制电流信号加载到ＴＯＳＡ（光发射组件）上，　制部分。目前市场上的光收发器的电路部分使用的是三个专　控制ＴＯＳＡ中的激光器发出光脉冲，耦合入光纤发送到远　用芯片。一直有公司在研究把激光驱动和接收信号放大电路　端。　集成在一个器件上，控制器使用普通的嵌入式处理器的方　接收部分工作原理：　案。由于只使用一个专抖］芯片和一个通用芯片，这样可以大　光脉冲信号输入到ＲＯＳＡ（光接收组件），ＲＯＳＡ将光　幅降低电路部分的成本。ＰＨＹＷＯＲＫＳ公司研制的ＰＨＹ１０７６　脉冲信号转换成差分电压信号输出到ＰＨＹ１０７６的限幅放大　芯片就是一款这样的芯片。它主要针对１．２５Ｇｂｐｓ到２．５Ｇｂｐｓ　部分。该信号经过限幅放大处理后，从ＰＨＹ１０７６的Ｒｘ＋，－　的光收发器，具有外围电路简单，控制电路只需要普通的８　端输出差分电压串行数字信号。　位单片机就可以实现的特点。本文主要研究了ＰＨＹ１０７６的　控制及ＤＤＭ部分：　性能，选择了ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴＭＥＧＡ８８单片机进行控制，　ＰＨＹ１０７６是一款模拟数字混合芯片，其内部包括多个　设计出光收发器样品，并进行了性能测试，最终成功设计了　模数（Ａ／Ｄ）数模转换（Ｄ／Ａ）器。发射和接收通路上的参数都是　１．２５Ｇ光收发器。　通过ＡＤＣ转换成数字量存入状态寄存器进行监视，通过　ＤＡＣ把设置寄存器的值转换成模拟量来进行控制的。这些　１　光收发器设计方案及工作原理讨论　寄存器都可以由外部控制器进行读取和设置。　光收发器的在发展的过程中，有许多种不同的外形封　装。ＳＦＰ（小型化可热插拔光收发一体模块）是目前在５Ｇｂｐｓ　光纤　以下速率中最先进的一种封装形式。具有小型化，可热插拔，　光纤　收稿日期：２ＯＪＯ一０９—２０　基金项目：湖南科技学院科学研究项目，编号：０９ＸＫＹ　ＴＣ０ｌ１。　作者简介：杨振南（１９８２一），男，湖南永州人，硕士，　主要研究方向为高速光纤通信器件设计和嵌入系统设计。　图１光纤收发器的内部结构图　３４　表占用４０个字节，每４摄氏度占用一个字节；温度范围都　分别送往ＰＨＹ１０７６的功率设置寄存器和调制电流设置寄存　是一４０￣１２０￣Ｃ，｝蒿足工业温度的要求。给单片机外接一个温　器，调整激光器的偏置电流和调制电流，由此调整输出光功　率和消光比。　度传感器。单片机通过ＡＤＣ把温度传感器的送来的电压转　换成温度值，然后根据温度查表，找到对应的数据，把数据　图４　ＡＴＭＥＧＡ８８与ＰＨＹ１０７６连接图　数据表的数值确定则使用测试的方法得出。在收发器的　调试过程中，对样品在每个温度下的输出眼图进行测试，并　修改对应温度下的数据，使得光收发器的输出光眼图，光功　率和消光比满足要求。最后把这些数据保存到温度查找表　中，并同时保存到ＡＴＭＥＧＡ８８内部的ＥＥＰＲＯＭ中。收发　器在实际的应用环境下，重新加电后，就先从ＥＥＰＲＯＭ中　３设计结果及测试分析　本设计根据以上讨论的方案，选择ＰＨＹ１０７６专用芯片　和ＡＴＭＥＧＡ８８单片机，外加适当的外围电路设计电路板，　把ＴＯＳＡ、ＲＯＳＡ焊接到一起装入定制外壳，实现了一款　１．２５Ｇｂｐｓ的ＳＦＰ光收发器。调试ＰＨＹ１０７６内部寄存器是光　收发器各项参数符合８０２．３ｚ协议中对１０ｋｍ千兆以太网光接　把数据加载到ＲＡＭ区，然后就可以在全温度范围内稳定平　均输出光功率和消光比。　口的要求。并设计的上位机调试软件对ＡＴＭＥＧＡ８８的温度　查找表进行调试，确定了具体每个温度下的值。由此完成了　整个光收发器的设计工作。然后对光收发器在低温，常温，　高温三种环境下的所有参数进行测试。结果如表１所示。　，－＿Ｌ．１．；Ｌ．ｉ－．．．，　盎　表Ｉ光收发器的参数测试结果　从表中可以看出。激光器的输出光功率和消光比都在参　入对成本的压力，新技术会越来越完善，市场占有率也会越　来越高，届时成本优势就会体现出来。　数要求范围内，且变化小。测试了各个温度下的眼图，发现　光收发器在低温，常温，低温下的性能都比较好。由于温度　变高时需要提供较大的调制电流达，因此信号的下冲比较明　显，表现在眼图中就是在眼图中的“０”信号出现轻微双眼　线。但总体上模板测试余量都大于４０％。由此验证了此设计　方案的可行性和正确性。　参考文献：　【１】黄章勇．光纤通信用光电子器件和组件【Ｍ】．北京：北京邮电　大学出版社，２００１．　【２】Ｂｅｈａｚｄ　Ｒａｚａｖｉ．光通信集成电路设计（影印版）【Ｍ】．北京：　清华大学出版社，２００５．　４总结展望　经过方案讨论，硬件设计软件设计和样品调试、测试。　最终成功设计了１．２５ＧＳＦＰ单芯片ＳＦＰ光收发器。此方案的　特点是使用了单芯片方案和普通单片机进行控制。理论上能　够降低了产品的成本和提高生产效率。由于此方案是一个新　的方案，技术成熟度有待提高，系统兼容性和市场应用的潜　在问题有待验证。加上用量的关系，其成本的优势也体现不　【３】杨振南，郭建，李新宇等．一款基于国产芯片的光收发器【Ｊ】．　光通信研究，２００９（１）：５３—５５．　．　【４】尹波，蒋泽，罗小兵．光纤通道中高性能光收发模块的研制　．重庆邮电大学学报（自然科学版）．２００７，１９（６）：６９４－６９６．　【５】亢俊健，宁书年，苏美开等．光收发模块眼图消光比及灵敏　度关系的实验研究【Ｊ】．激光杂志，２００３，２４（２）：６１－６２．　（责任编校：何俊华）　出很大的优势。但是可以相信，随着网络速率的加快和光接　３６