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自70年代以来,光纤凭借自身的一些固有特性(如不受噪声干扰、保密性好以及高传输带宽等)成为各种应用领域的理想传输介质。近年来,随着布线标准的改变,光电器件、光缆、连接器技术的发展以及应用带宽的逐步升级,光纤网络产品应用日益普及,很多用户开始考虑用“光纤到桌面”来替代水平布线系统中的铜缆方案。但完整地考虑一个光纤到桌面的解决方案,不仅要有光纤信息出口和光纤配线箱,还需要价格昂贵的光纤网卡和光出口集线器,整个系统成本大大提高。一种经济有效的实现光纤到桌面的方法是使用光纤收发器(即光电介质转换器)。光纤收发器尤其是快速以太网光纤收发器不仅大大简化局域网的升级,而且可以保护原有铜缆LAN设备的投资,成为当前市场的迫切需要。
如图1(a)所示,快速以太网光纤收发器包括三个基本功能模块:光电介质转换芯片、光信号接口(RJ45)和电信号接口(光收发一体模块),如果配备网管功能则还包括网管信息处理器(可编程逻辑芯片或MII接口)。快速以太网光纤收发器的设计包括元器件的选择和印刷电路板设计两个方面。本文从以上两个方面介绍其设计思路与方法。

元器件的选择

在快速以太网光纤收发器设计中,元器件的选择举足轻重,它决定了产品的性能、寿命和成本。光电介质转换芯片(OEMC)是整个收发器的核心。选择介质转换芯片是快速以太网光纤收发器设计的第一步,也是非常重要的一步。它的选择直接影响和决定了其它元器件的选择。

光电介质转换芯片的主要性能指标有:

1．网管功能

网络管理是网络可靠性的保证,是提高网络效益的方式,网络管理的运行、管理、维护等功能可以大大增加网络的可用时间,提高网络的利用率、网络性能、服务质量、安全性和经济效益。但研制有网管功能的快速以太网光纤收发器所需的人力、物力远远超过无网管的同类产品,主要表现在:

(1) 硬件投资。快速以太网光纤收发器网管功能的实现有两种方式:一是在收发器电路板上配置可编程逻辑芯片作为网管信息处理器,来处理网管信息,该芯片利用OEMC上的双向管理指令接口(MDIO)、管理数据同步时钟输入接口(MDC)及被管理信息输入/输出管脚等接口,获取管理信息。如图1(b)所示,管理信息与网路上的普通数据共用数据通道。第二种方式如图1(c)所示,快速以太网光纤收发器上没有管理信息处理器,收发器外部的网络管理者通过MII接口获取管理信息。可见,有网管功能的快速以太网光纤收发器,元器件种类及数量远远多于无网管的同类产品,相应地,布线复杂,开发周期长。

(2) 软件投资。有网管功能快速以太网光纤收发器的研发工作除了硬件布线外,软件编程也十分重要。网管软件的开发工作量较大,包括上层图形化用户接口部分、下层网络设备代理嵌入式系统处理信息部分、上下层接口及嵌入式系统编程语言与可编程芯片的接口。选用合适的编程软件很必要,设计者既可选用C、JAVA等传统语言,也可以选用专门的网管编程软件如:AdventNet公司的Management Builder和Agent Toolkit等。

(3) 调试工作。有网管功能快速以太网光纤收发器的调试工作包括两部分:软件调试和硬件调试。在调试过程中,电路板布线、元器件性能、元器件焊接、PCB板质量、环境条件以及软件编程中的任一因素都会影响快速以太网光纤收发器的性能。调试人员必须具备综合素质,全面考虑收发器出现故障的各种因素。

(4) 人员的投入。普通快速以太网光纤收发器的设计只需一个硬件工程师便可完成。有网管功能的快速以太网光纤收发器的设计工作除了需要硬件工程师完成电路板布线外,还需要至少一位软件工程师完成网络管理的编程,而且要求软硬件设计者密切配合。
2．兼容性：OEMC应支持IEEE802、CISCO ISL等常用网络通信标准,以保证快速以太网光纤收发器有良好的兼容性。
3．环境要求
a. 输入输出电压。OEMC的工作电压多为5伏或3.3伏,但快速以太网光纤收发器上另一个重要的器件??光收发一体模块的工作电压绝大多数为5伏。若两者工作电压不一致,则会增加PCB板布线的复杂程度。
b. 工作温度。在选择OEMC的工作温度时,开发人员需从最不利的条件出发并留有余地,比如夏天最高气温达40℃,而快速以太网光纤收发器机箱内部因为各种元器件尤其是OEMC发热,温度比环境还要高10℃到20℃,因此,快速以太网光纤收发器工作温度的上限指标一般不应低于70℃。
印刷电路板的设计
快速以太网光纤收发器电路属于高频电路(一般高于1MHz),电磁干扰是影响其性能的最重要的因素,信号频率越高,电磁干扰对PCB性能的影响就越大。因此,如何有效地抑制电磁干扰是快速以太网光纤收发器PCB设计的关键。
快速以太网光纤收发器上电磁干扰的主要形式及抑制措施:
1．PCB板与外部接口处的电磁干扰及其抑制
PCB板与外部接口处的电磁干扰主要指来自双绞线的共模信号。双绞线中的每对导线以双螺旋形结构相互缠绕。共模电流Icom在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容Cp到地返回。在这种情况下,电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消,引起射频干扰。抑制方法:在光电介质转换芯片与RJ45口之间加入一个共模扼流器,则可以有效地减少共模信号引起的射频干扰。共模电流以相同的方向流过共模扼流圈绕组的每一边,建立大小相等相位相同的相加磁场使共模扼流圈对共模信号呈现高阻抗,通过共模扼流圈的共模电流大大地减弱。
2．电源系统引起的干扰及其抑制:
A．整流电路的纹波干扰。整流电路将交流电变为脉动直流之后,这种脉动直流本身是一种50Hz(单相半波)或100Hz(单相全波或桥式整流)以及它们的高次谐波叠加在一起的纹波干扰。如果滤波电路不佳或滤波不足,这种50Hz(或100Hz)的纹波电压就会对快速以太网光纤收发器电路形成干扰。
B．电源开关噪声干扰。快速以太网光纤收发器电源通电瞬间,电路中产生瞬变电流,引起噪声干扰。
C．电源寄生耦合干扰。由于供电电源内阻不可能为零,各级信号电流通过电源时,会在内阻上产生电压降,这个交流信号电压将会随着直流通路送往其它级。对于多级级联的电路,这种寄生耦合有可能形成寄生正反馈,再加上电路中存在着电感、电容等储能元件,便会产生振荡。
电源系统的电磁干扰主要来自整流电路的纹波干扰、电源开关噪声干扰以及电源寄生耦合干扰。电源系统干扰的抑制方法主要是采用合适的滤波电路。一方面,在电路电源接入处,选用参数合适的磁珠与钽电容组成滤波电路,消除电路中的瞬变电流或寄生振荡,阻止电源或其它引线导入电路的高频干扰。另一方面,对每一个有源器件的供电电源利用π型滤波电路单独进行二次滤波,滤波电容除了采用大容量的电解电容外,还需并联一个小容量的非电解电容以消去电解电容产生的寄生电感(电解电容有微小的串联寄生电感,高频时会呈现可观的阻抗)。
3. 接地系统引起的干扰及其抑制:如图4所示的单点接地法广泛应用于低频电路,如果用在快速以太网光纤收发器的高频电路中,则不仅容易形成长地线从而增加地线的阻抗,而且地线间的杂散电感和分布电容也会造成电路间的相互耦合,使电路工作不稳定。尤其是地线的长度达到信号1/4波长的奇数倍时,由于谐振地线阻抗迅速减小,从而产生严重的噪声干扰。采用图5所示的多点接地法(即就近接地法),把各电路的分支接地线分别接到总地线,可使各支地线的长度减到最短,因而有效地防止了地线电感和电容引起的干扰。但多点接地电路中由于各支地线呈串联形式接入总地线,当总地线在阻抗较大时会形成较严重的共地干扰,为此,总地线一般要用大面积的整块铜箔。
为减少电磁干扰,在PCB板设计中除应注意上述问题之外,元器件的放置以及印制板走线应遵循以下原则:
1．高速信号线应靠近一片连续无间隔的地。
2．差模信号线对尽可能彼此靠近,而远离其它信号线。
3．接收信号线与发送信号线应彼此远离,彼此正交或中间用地隔开。
4．数字地与模拟地要分开,数字地层紧贴数字电源层,模拟地紧贴模拟电源层。
5．尽可能减短走线长度以减小其自感。
6．有些元器件,特别是磁性元件(如滤波器)应相互之间成90°放置。
随着宽带接入技术的迅速普及,光纤产品的应用日益广泛。作为光电介质转换的关键设备,快速以太网光纤收发器成为市场的迫切需要。本文从光电介质转换芯片选择和PCB设计两方面阐述了快速以太网光纤收发器的设计。


作者:刘静、李桥梁、吴洪涛