电气电子毕业设计53自适应10100M光纤收发器设计.docx
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电气电子毕业设计53自适应10100M光纤收发器设计
摘要
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。
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。
自适应10/100Mbps快速以太网收发器能够很好地满足网络带宽的平滑升级,解决网络拥塞问题，具有较高的性价比。
它支持IEEE802.3u100Base-T，100Base-FX标准，能够有效地支持全双工或半双工的工作方式，是校园和骨干网或交换共享以太网整体布线环境中的理想器件。
可以用于连接服务器、工作站、HUB、交换机，它有单模和多模两种光纤传输模式。
本设计基于以上特性，设计的是10/100Mbps光纤收发器。
关键词：
IP101，光纤收发器，通信，MII，RJ45
Abstract
Theopticfiberbecomestobetheidealtransmitmediuminallkindsofapplicationsincetheseventies,whichrelyonitsowncharacteristic（suchasbeingfreeinterruptionbynoise,privacythefineandhightransmitbybandwidth,etc）.Inrecentyears,withthestandardofconnectingchanging,thedevelopmentandusingofthegradualofthebandwidthofphotoelectricdevice,opticalcable,connectortechnologyandthebandwidth’supdatingstepbystep,moreandmoreusersbegintouse“opticfiberreachingtabletop”andsubstitutethecoppercableschemeofhorizontalwiringsystem.OpticfibertransceivernotmerelysimplifiestheupgradingoftheLANgreatly,andcanprotecttheinvestmentoftheoriginalcoppercableLANequipment,whichbecomestheurgentneedingofthepresentmarket.10/100MbpsadaptivefastEthernettransceivermeetsthelevelandsmoothupgradingofthebandwidthofthenetworks,solvesthecongestedproblemofthenetwork,hasgoodperformanceandnotmuchcost.ItsupportsIEEE802.u100Base-T,100Base-FXstandard,cansupportallcorehalfaduplexworkingwayeffectively.Itistheidealdeviceintheenvironmentofcampus,thebackbonenetworkandthewhollychangingshareEthernet.Itcanbeusedtoconnectserver,workstation,HUB,exchangerandsoon.Andtherearetwokindofoptictransmitmode--singlemodeandmultiplymode.Thisdissertationaddressestheaboveissuesanddesignonesimple10/100Mbpsadaptiveopticfibertransceiver.
Keywords：
IP101,opticfibertransceiver,communication,MII,RJ45
第一章序言
随着我国信息化建设的突飞猛进，人们对于数据、语音、图像等多媒体通信的需求日益旺盛，以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。
但传统的5类线电缆只能将以太网电信号传输100米，在传输距离和覆盖范围方面已不能适应实际网络环境的需要。
与此同时，光纤通信以其信息容量大、保密性好、重量轻、体积小、无中继、传输距离长等优点得到了广泛的应用，光纤收发器正是利用了光纤这一高速传播介质很好的解决了以太网在传输方面的问题。
在光纤收发器中一个很重要的部分是光纤，先对光纤原理作简单介绍。
1.1光纤原理
1.1.1光纤传输材料
综合布线系统中使用的光纤为玻璃多模850nm波长的LED，传输率为100M/bps，有效范围约20Km.其纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成。
内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。
用光纤做的光缆有多种结构形式。
短距离用的光缆主要有两种，一种层结构，光缆是在中心加钢丝或尼龙丝，外束有若干根光纤，外面在加一层塑料护套；另一种是高密度光缆，它有多层丝带叠合而成，每一层丝带上平行敷设了一排光纤。
1.1.2光纤传输过程：
由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。
原理图如图1-1所示：
图1-1光纤传输
光载波的调制称为移幅键控，又称亮度调制（IntensityModulation）。
典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。
发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。
运行在0.85um波长的发光二极管检波器PIN也是低价的接收器。
雪崩光二极管的信号增益比PIN大，但要用20～50V的电源，而PIN检波器只需用5V电源。
如果要达到更远距离和更高速率，则可用1.3um波长的系统，这种系统衰减很小，但要比0.85um波长系统贵源。
综合布线系统中，主干线使用光纤作为传输介质是十分合适的，而且是必要的。
目前采用一种光波波分复用技术WDM（WAVELENGTHDIVISIONMULTI-PLEXING），可以在一条线路上复用、发送、传输多个位，一般按一个字节八位并行传输，对每个位使用不同的波长，所以它所需的支持电路可在低速率下运行。
WDM的光纤链路适合于字节宽度的设备接口，是一种新的数据传输系统。
1.2光纤收发器简介
光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，在很多地方也被称之为光电转换器。
产品一般应用在以太网电缆无法覆盖、必须使用光纤来延长传输距离的实际网络环境中，且通常定位于宽带城域网的接入层应用。
目前国外和国内生产光纤收发器的厂商很多，产品线也极为丰富。
为了保证与其他厂家的网卡、中继器、集线器和交换机等网络设备的完全兼容，光纤收发器产品必须严格符合10Base-T、100Base-TX、100Base-FX、IEEE802.3和IEEE802.3u等以太网标准，时下由于国内各大运营商正在大力建设小区网、校园网和企业网，因此光纤收发器产品的用量也在不断提高。
1.3光纤收发器的分类
1.3.1按速率
可以分为单10M、100M的光纤收发器、10/100M自适应的光纤收发器和1000M光纤收发器。
其中单10M和100M的收发器产品工作在物理层，在这一层工作的收发器产品是按位来转发数据。
而10/100M光纤收发器是工作在数据链路层，在这一层光纤收发器使用存储转发的机制，这样既减少了数据冲突的可能又保证了数据传输的可靠性，10/100M适合于工作在速率不固定的链路上。
1000M光纤收发器可以按实际需要工作在物理层或数据链路层。
1.3.2按工作方式来分
可以分为工作在物理层的光纤收发器和工作在数据链路层的光纤收发器。
按结构来分，可以分为桌面式（独立式）光纤收发器和机架式光纤收发器。
桌面式光纤收发器适合于单个用户使用；机架式光纤收发器适用于多用户的汇聚。
1.3.3按光纤来分
可分成为多模光纤收发器和单模光纤收发器。
由于使用的光纤不同，收发器所能传输的距离也不一样，多模收发器一般的传输距离在2公里到5公里之间，而单模收发器覆盖的范围可以从20公里至120公里。
1.3.4按光纤数量来分
可以分为单纤光纤收发器和双纤光纤收发器。
单纤设备可以节省一半的光纤，即在一根光纤上实现数据的接收和发送，这类产品采用了波分复用的技术，使用的波长多为1310nm和1550nm。
但单纤收发器产品没有统一国际标准，不同厂商产品在互联互通时可能会存在不兼容的情况。
1.3.5按电源来分
可以分为内置电源和外置电源两种。
其中内置开关电源为电信级电源，而外置变压器电源多使用在民用设备上。
前者的优势在于能支持超宽的电源电压，更好地实现稳压、滤波和设备电源保护，减少机械式接触造成的外置故障点；后者的优势在于设备体积小巧和价格便宜。
1.3.6按网管来分
可以分为网管型和非网管型，而网管的还可以细分为局端网管和用户端网管。
局端网管的光纤收发器主要是机架式产品，多采用主从式的管理结构。
用户端网管主要可以分为三种方式：
第一种是在局端和客户端设备之间运行特定的协议，协议负责向局端发送客户端的状态信息；第二种是局端的光纤收发器可以检测光功率；第三种是在用户端的光纤收发器上加装主控CPU。
1.4光纤收发器的发展趋势
首先，目前的光纤收发器产品还不够智能。
其次，光纤收发器本身应能更好地适应实际的网络环境。
在实际工程中，光纤收发器的使用场所多为楼道内或室外，供电情况十分复杂，这就需要各个厂商的设备最好能支持超宽的电源电压，以适应不稳定的供电状况。
光纤收发器在数据传输上打破了以太网电缆的百米局限性，依靠高性能的交换芯片和大容量的缓存，在真正实现无阻塞传输交换性能的同时，还提供了平衡流量、隔离冲突和检测差错等功能，保证数据传输时的高安全性和稳定性。
因此在很长一段时间内光纤收发器产品仍将是实际网络组建中不可缺少的一部分，相信今后的光纤收发器会朝着高智能、高稳定性、可网管、低成本的方向继续发展。
第二章光电转换芯片IP101
2.1IP101功能概述
IP101是一种单口快速以太网转换器，满足100Mbps和10Mbps操作，符合IEEE802.3/802.3u标准。
IP101支持自动MDI/MDIX功能，该功能用于简化网络的安装和降低维护系统的损耗。
为了提高系统的性能，IP101提供了一个硬件中断针脚用于指示连接、速度和双工状态的改变。
IP101提供了介质无关接口（MII）来连接不同类型的10/100Mb介质访问控制（MAC），IP101通过使用5类非屏蔽双绞线或光纤线连接到其他的网络设备。
PECL接口支持连接外部的100Base-FX光纤收发器。
其针脚分配如图2-1所示：
图2-1IP101针脚分配图
IP101转换器使用了先进的CMOS技术，这种技术使得该芯片仅需要3.3V的供电电压，并且在电源自动节省模式下的消耗特别低。
IP101可以用作网络接口适配器，该适配器带有用于双绞线连接的RJ-45接口或者用于光纤连接的MAU，它也可以非常容易地连接到集线器、交换机、路由器和网络桥接器。
2.2IP101特征及功能描述
2.2.1IP101特征描述
●10/100Mbps的TX/FX
●全双工或半双工
●支持自动的MDI/MDIX功能
●完全符合IEEE802.3/802.3u标准
●支持IEEE802.3u的自适应性
●支持MII接口
●IEEE802.3全双工控制规则
●支持自动电源节省模式
●支持基线漂移补偿
●支持中断功能
●支持转发器模式
●3.3V的单电源供给基于2.5V的调整器
●基于DSP的物理转换技术
●发光二极管对于速度的、双方的、连接的行为和碰撞
●通过MDC和MDIO支持与其他MAC数据通信的流控制
●0.25u和CMOS技术
●48针脚的LQFP
2.2.2IP101功能描述
IP10110/100Mbps以太网PHY转换器把100Base-TX、100Base-FX和10Base-T模块集成到一片芯片中，IP101在物理信号和介质访问控制（MAC）之间的作用相当于一个接口。
IP101有几项主要功能：
1.物理编码子层（PCSlayer）：
该功能包括发送、接收和载波感应功能电路。
2.管理接口：
介质无关接口（MII）寄存器包括与其他介质访问控制通信的信息。
3.自适应性：
通信的条件是在2个PHY收发器之间进行，IP101检测自身能力并探测其他端口返回的操作模式，最终两端将为其最优传输模式达成协议。
其功能模块电路图参考图2-2：
1.4B/5B编码器：
100Base-X转换需要将4位半元组数据转换成5位宽的码字格式。
在4B/5B模块中，传输的数据在信息包的起始端被J/K打包在信息包的末端被T/R打包，在传输过程中出现错误时，就会发送H出错码，空闲码就在两个信息包之间进行传送。
2.4B/5B解码器：
该解码器从接收的码组端执行5B到4B的解码工作，即把5位（5B）数据解成4位的半元组数据。
被解后的4位数据就通过MII接口传到转发器、交换机或者MAC设备。
接着SSD被修改成4位的5半元组并且ESD和IDLE代号被4位0半元组代替，被解码的数据传送到相应的MII端口或者共享的MII端口。
接收一个无效码组将会导致PHY指示MII的RXER信号。
3.扰频器/非扰频器：
重复模式存在于4B/5B的编码数据中，这导致的结果是——大量的RF频谱尖峰，并且不能保持系统被调整了的代理认可。
射频信号中的尖峰被不规则的传输信号严重衰减。
扰频器对输出的数据信号增加了一个随即发生器，其结果是有很少的重复数据模式。
通过对输出数据增加另外的随即发生器，不规则的数据流就可以在接收端得到描述。
接收端的随即发生器与发射端的随即发生器有着相同的功能，扰频器的操作由100Base-X和TP_FDDI的标准规定。
4.曼彻斯特编码与解码：
100Base-TX传输需要将数据译成反向不归零制（NRZ）模式，并且需要重新转换成MLT-3信号；而10Base-T将在译成反向不归零制模式后转换成曼彻斯特编码，这样会有利于移除双绞线产生的高频噪音。
在接收端，译码从曼彻斯特编码译成不归零制模式。
5.时钟恢复：
通过在连续的数据流中产生时钟信息的方法，接收端电路从输入数据流中重新获得数据。
时钟恢复模块从被接受的标准中抽象出来RXCLK。
6.DSPEngine：
这个模块包括适应均衡器和基线漂移纠错功能。
图2-2功能模块图
2.4传输描述
2.4.110Mbps的传输路径
发送数据->平行到连续->曼彻斯特编码->D/A和总线驱动->TXO
在MAC通过4位半位元组将数据传到PHY后，这些数据在相应的连续转换器中得到了序列化。
转换器输出已编好的倒转不归零制编码，该编码在曼彻斯特编码器中得到影射。
为了适合物理介质，在传输物理介质之前，曼彻斯特编码数据被D/A转换器修整了。
2.4.210Mbps接收
RXI->压制->时钟恢复->曼彻斯特/反向不归零制解码->连续到平行->接收数据
压制模块根据AC时间和直流电振幅的度量来决定数据是否有效。
当可用数据出现在介质中时，压制模块会产生一个信号指示已经接收到数据。
接收的数据以曼彻斯特编码的形式存在，解码时被解成反向不归零制的编码，然后这些数据映射到4位半位元组并转换到MAC接口。
2.4.3100MbpsTX传输
发送数据->4B/5B编码器->扰频器->倒转不归零制编码器->D/A和总线驱动->TXO
10Mbps和100Mbps传输的主要区别是：
100Mbps传输需要从4位宽的半位元组转换到5位宽的数据编码，转换后的数据为了减少4B/5B转换所产生的能量辐射，数据被扰频器影响得很乱，然后数据再一次从MLT-3模式被转换成倒转不归零制模式。
MLT-3数据反馈到D/A转换器并因适应物理介质传输而被修整。
2.4.4100MbpsTX接收
RXI->数字信号处理->连续到平行->扰频器->4B/5B解码->接收数据
被接收的数据首先进入数字信号处理机，该处理机包括适应均衡器和基线漂移纠错机制。
当基线漂移监控并纠正均等的过程时，适应均衡器会在传输过程中补偿丢失的信号。
如果探测到一个有效数据并且数据经过平行放入连续到平行模块中，该模块将倒转不归零制模式数据转换成不规则数据。
2.4.5100MbpsFX传输
发送数据->4B/5B解码->平行到连续->D/A-和总线驱动->TXO
光纤传输首先将数据解码成5位宽的数据格式，然后数据经过序列化并被转换成适应物理介质传输的形式。
2.4.6100MbpsFX接收
RXI->数字信号处理（时钟恢复）->连续到平行->4B/5B解码器->接收数据
接收的数据包括周期性的信息，对于光纤接收来说，时钟恢复是把数据从时钟周期中抽取出来的，抽取的数据被平行化成5位宽的数据，这些数据又被转换成半位元组的信息。
2.5IP101接口及模式
2.5.1MII和管理控制接口
介质无关接口在IEEE802.3u标准的第22条款中有说明。
该接口的主要功能是在PHY和MAC或转发器之间提供一个通信通路，它可以在10Mb或100Mb环境中运转，并且对于10Mb的数据时钟来说可以以2.5MHz的频率运转，而对于100Mb的数据传输以25MHz的频率运转。
MII有4位针对发送和接受数据宽的数据通道组成，它的发送针脚包括TXD[3:
0]、TX_EN和TXC；接收针脚有RXD[3:
0]、RXER、RX_DV和RXC；管理控制针脚有MDC和MDIO组成。
MDC，即管理数据时钟，作为MDIO的参考，MDC提供的最大管理数据时钟的频率为10MHz；MDIO即数据输入输出管理；CRS即载波信号，用于信号数据的传输；COL即冲突，用于在数据传输过程中发生冲突的信号。
当传输一个信息包时，MAC将首先断言TX_EN并将信息转换成4位宽的数据，然后将数据传到IP101，IP101会根据TX_CLK对数据进行样品抽查，除非TX_EN是低电平。
而接收一个信息包时，IP101会在当前数据在介质中通过RXD[3:
0]总线将RX_DV设置成高电平。
IP101根据RX_CLK抽取标准化的数据直到介质返回空闲状态。
2.5.2自适应及有关信息
IP101支持IEEE802.3u标准中的第28条款。
它能够在10Mbps/100Mbps或半双工/全双工的模式下操作；为了防止网络中的碰撞，它也支持数据流控制机制。
如果另外一端不支持N-Way功能的话，IP101会以半双工的模式连接并且进入平行探测。
在自适应的开始，IP101通过发送FLP波形到另外一端的方式来检测自己的能力，也可以从另一端监听信号。
IP101将其自身放入当前的连接，其速率依赖于标准信号。
如果NLP信号在另一端得到了答复，IP101就会进入到10Mbps，而有活跃的空脉冲时，IP101就会用100Mbps来取代它。
一旦和其他部分完成通信协议后，IP101就会把自己设定成所需的连接模式，例如，10/100或半双工/全双工模式。
如果在1200ms～1500ms的时间段内没有检测到连接脉冲的话，IP101会进入连接失败状态并重新启动自适应进程。
自适应信息被储存在IP101的MII接口寄存器中，这些寄存器能被修改并监督IP101的N-Way状态。
MII寄存器中的重新设置自适应功能能够在任何时间重新启动自适应功能。
IP101芯片包括流控制功能，如果MAC支持流控制的情况的话，那么流控制就会设定寄存器4中的10位而成为可能。
针脚37（AN_ENA）、38（DLPX）和39（SPD）都可以通过手设定IP101的传输能力。
1.使针脚37设定成高电平就能使IP101进入到N-Way模式；若设定成低电平，IP101就进入强制模式。
2.针脚38用来设定IP101的双工能力，高电平是全双工模式，低电平则是半双工模式。
3.针脚39决定连接的速度，设定成高电平时，IP101的速率是100Mbps；在低电平时，其速率是10Mbps。
2.5.3自动MDIX、LED配置及模式
1.既然自动MDIX功能是AN功能的一部分，只有在AN是能动时IP101才支持自动MDIX功能。
IP101会保持对MDI中输入信号的感应，如果没有检测到输入信号，IP101就会自动转换RX和TX双绞线以试图建立连接。
如果在重新设定时使针脚37为0而使AN不产生功效的话，自动MDIX功能就会自动丢失。
然而，若通过设定寄存器0.12=1来使AN重新激活的话，自动MDIX功能依然失效，在这种情况下，若用户想激活自动MDIX功能就要设定寄存器16.11=0，这样就可以解决问题。
另外一种情况是，针脚37被设定成1，在其后寄存器0.12被设定成0的话，建议用户将寄存器16.11=1使自动MDIX功能失效；或者是对某一类型的连接部分出现了连接问题。
2.IP101提供两种LED操作模式：
表2-1模式1（默认值）：
LED
功能
LED0
连接状态：
活动表明已经建立连接
LED1
双工操作：
活动表明是全双工
LED2
10BT/ACT：
活动表明已建立10Mbps连接，闪烁表明产生发送/接收事件
LED3
100BT/ACT活动表明已建立100Mbps连接，闪烁表明产生发送/接收事件
LED4
冲突探测：
活动表明发生冲突
表2-2模式2（通过接入CRS一个4.7k的电阻来设定）
LED
功能
LED0
连接/ACT：
活动表明已建立连接，闪烁表明发生发送/接收事件
LED1
双工/冲突：
活动表明全双工，闪烁表明发生冲突
LED2
10BT：
活动表明已建立10Mbps的连接
LED3
100BT：
活动表明已建立100Mbps的连接
LED4
LED针脚也包括物理层的地址信息，默认物理地址在00001b（01h）处设定。
物理层的地址可以通过修改LED电路来修改，可作如图2-3修改：
图2-3物理层地址结构
如果左边的电路与VDD33相连的话，它将物理地址具体化到1；如果电路接地，右边的电路可以把物理地址设定成0。
根据电路设定其中的任意一位就允许把物理地址PHYAD0改为PHYAD4。
3.低功率模式
有4种方法将IP101设定成低功率模式，方法如下：
1）把寄存器0的11位设定成低功率模式：
把这位设定成能动，将使电源与IP101、内时钟脱离连接，但MDC和MDIO仍然活动。
2）寄存器16第一位的APS模式：
把该位设定成高位就可以使物理层进入到能量节省模式，但MDC和MDIO仍然活动。
3）模拟脱离寄存器16的
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