快速以太網光纖收發器的設計方法

　　自70年代以來，光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應用領域的理想傳輸介質。近年來，隨著布線標準的改變，光電器件、光纜、連接器技術的發展以及應用帶寬的逐步升級，光纖網絡產品應用日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統中的銅纜方案。但完整地考慮一個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，還需要價格昂貴的光纖網卡和光出口集線器，整個系統成本大大提高。一種經濟有效的實現光纖到桌面的方法是使用光纖收發器(即光電介質轉換器)。光纖收發器尤其是快速以太網光纖收發器不僅大大簡化局域網的升級，而且可以保護原有銅纜LAN設備的投資，成為當前市場的迫切需要。

如圖1(a)所示，快速以太網光纖收發器包括三個基本功能模塊：光電介質轉換芯片、光信號接口(RJ45)和電信號接口(光收發一體模塊)，如果配備網管功能則還包括網管信息處理器(可編程邏輯芯片或MII接口)。快速以太網光纖收發器的設計包括元器件的選擇和印刷電路板設計兩個方面。本文從以上兩個方面介紹其設計思路與方法。

元器件的選擇

在快速以太網光纖收發器設計中，元器件的選擇舉足輕重，它決定了產品的性能、壽命和成本。光電介質轉換芯片(OEMC)是整個收發器的核心。選擇介質轉換芯片是快速以太網光纖收發器設計的第一步，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。

光電介質轉換芯片的主要性能指標有：

1．網管功能

網絡管理是網絡可靠性的保證，是提高網絡效益的方式，網絡管理的運行、管理、維護等功能可以大大增加網絡的可用時間，提高網絡的利用率、網絡性能、服務質量、安全性和經濟效益。但研制有網管功能的快速以太網光纖收發器所需的人力、物力遠遠超過無網管的同類產品，主要表現在：

(1) 硬件投資。快速以太網光纖收發器網管功能的實現有兩種方式：一是在收發器電路板上配置可編程邏輯芯片作為網管信息處理器，來處理網管信息，該芯片利用OEMC上的雙向管理指令接口(MDIO)、管理數據同步時鐘輸入接口(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，管理信息與網路上的普通數據共用數據通道。第二種方式如圖1(c)所示，快速以太網光纖收發器上沒有管理信息處理器，收發器外部的網絡管理者通過MII接口獲取管理信息。可見，有網管功能的快速以太網光纖收發器，元器件種類及數量遠遠多于無網管的同類產品，相應地，布線復雜，開發周期長。

(2) 軟件投資。有網管功能快速以太網光纖收發器的研發工作除了硬件布線外，軟件編程也十分重要。網管軟件的開發工作量較大，包括上層圖形化用戶接口部分、下層網絡設備代理嵌入式系統處理信息部分、上下層接口及嵌入式系統編程語言與可編程芯片的接口。選用合適的編程軟件很必要，設計者既可選用C、JAVA等傳統語言，也可以選用專門的網管編程軟件如：AdventNet公司的Management Builder和Agent Toolkit等。

(3) 調試工作。有網管功能快速以太網光纖收發器的調試工作包括兩部分：軟件調試和硬件調試。在調試過程中，電路板布線、元器件性能、元器件焊接、PCB板質量、環境條件以及軟件編程中的任一因素都會影響快速以太網光纖收發器的性能。調試人員必須具備綜合素質，全面考慮收發器出現故障的各種因素。

(4) 人員的投入。普通快速以太網光纖收發器的設計只需一個硬件工程師便可完成。有網管功能的快速以太網光纖收發器的設計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絡管理的編程，而且要求軟硬件設計者密切配合。

2．兼容性

OEMC應支持IEEE802、CISCO ISL等常用網絡通信標準，以保證快速以太網光纖收發器有良好的兼容性。

3．環境要求

a. 輸入輸出電壓。OEMC的工作電壓多為5伏或3.3伏，但快速以太網光纖收發器上另一個重要的器件——光收發一體模塊的工作電壓絕大多數為5伏。若兩者工作電壓不一致，則會增加PCB板布線的復雜程度。

b. 工作溫度。在選擇OEMC的工作溫度時，開發人員需從最不利的條件出發并留有余地，比如夏天最高氣溫達40℃，而快速以太網光纖收發器機箱內部因為各種元器件尤其是OEMC發熱，溫度比環境還要高10℃到20℃，因此，快速以太網光纖收發器工作溫度的上限指標一般不應低于70℃。

印刷電路板的設計

快速以太網光纖收發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，信號頻率越高，電磁干擾對PCB性能的影響就越大。因此，如何有效地抑制電磁干擾是快速以太網光纖收發器PCB設計的關鍵。

快速以太網光纖收發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自雙絞線的共模信號。雙絞線中的每對導線以雙螺旋形結構相互纏繞。共模電流Icom在兩根導線上以相同方向流動，并經過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下，電流產生大小相等極性相同的磁場，它們的輸出不能相互抵消，引起射頻干擾。抑制方法：在光電介質轉換芯片與RJ45口之間加入一個共模扼流器，則可以有效地減少共模信號引起的射頻干擾。共模電流以相同的方向流過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使共模扼流圈對共模信號呈現高阻抗，通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。

2．電源系統引起的干擾及其抑制：

電源系統的電磁干擾主要來自整流電路的紋波干擾、電源開關噪聲干擾以及電源寄生耦合干擾。

A．整流電路的紋波干擾。整流電路將交流電變為脈動直流之后，這種脈動直流本身是一種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。如果濾波電路不佳或濾波不足，這種50Hz(或100Hz)的紋波電壓就會對快速以太網光纖收發器電路形成干擾。

B．電源開關噪聲干擾。快速以太網光纖收發器電源通電瞬間，電路中產生瞬變電流，引起噪聲干擾。

C．電源寄生耦合干擾。由于供電電源內阻不可能為零，各級信號電流通過電源時，會在內阻上產生電壓降，這個交流信號電壓將會隨著直流通路送往其它級。對于多級級聯的電路，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、電容等儲能元件，便會產生振蕩。

電源系統干擾的抑制方法主要是采用合適的濾波電路。一方面，在電路電源接入處，選用參數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入電路的高頻干擾。另一方面，對每一個有源器件的供電電源利用π型濾波電路單獨進行二次濾波，濾波電容除了采用大容量的電解電容外，還需并聯一個小容量的非電解電容以消去電解電容產生的寄生電感(電解電容有微小的串聯寄生電感，高頻時會呈現可觀的阻抗)。

3. 接地系統引起的干擾及其抑制：

如圖4所示的單點接地法廣泛應用于低頻電路，如果用在快速以太網光纖收發器的高頻電路中，則不僅容易形成長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造成電路間的相互耦合，使電路工作不穩定。尤其是地線的長度達到信號1/4波長的奇數倍時，由于諧振地線阻抗迅速減小，從而產生嚴重的噪聲干擾。采用圖5所示的多點接地法(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。但多點接地電路中由于各支地線呈串聯形式接入總地線，當總地線在阻抗較大時會形成較嚴重的共地干擾，為此，總地線一般要用大面積的整塊銅箔。

為減少電磁干擾，在PCB板設計中除應注意上述問題之外，元器件的放置以及印制板走線應遵循以下原則：

1．高速信號線應靠近一片連續無間隔的地。

2．差模信號線對盡可能彼此靠近，而遠離其它信號線。

3．接收信號線與發送信號線應彼此遠離，彼此正交或中間用地隔開。

4．數字地與模擬地要分開，數字地層緊貼數字電源層，模擬地緊貼模擬電源層。

5．盡可能減短走線長度以減小其自感。

6．有些元器件，特別是磁性元件(如濾波器)應相互之間成90°放置。

隨著寬帶接入技術的迅速普及，光纖產品的應用日益廣泛。作為光電介質轉換的關鍵設備，快速以太網光纖收發器成為市場的迫切需要。本文從光電介質轉換芯片選擇和PCB設計兩方面闡述了快速以太網光纖收發器的設計。

自70年代以來，光纖憑借自身的一些固有特性(如不受噪聲干擾、保密性好以及高傳輸帶寬等)成為各種應用領域的理想傳輸介質。近年來，隨著布線標準的改變，光電器件、光纜、連接器技術的發展以及應用帶寬的逐步升級，光纖網絡產品應用日益普及，很多用戶開始考慮用“光纖到桌面”來替代水平布線系統中的銅纜方案。但完整地考慮一個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，還需要價格昂貴的光纖網卡和光出口集線器，整個系統成本大大提高。一種經濟有效的實現光纖到桌面的方法是使用光纖收發器(即光電介質轉換器)。光纖收發器尤其是快速以太網光纖收發器不僅大大簡化局域網的升級，而且可以保護原有銅纜LAN設備的投資，成為當前市場的迫切需要。

如圖1(a)所示，快速以太網光纖收發器包括三個基本功能模塊：光電介質轉換芯片、光信號接口(RJ45)和電信號接口(光收發一體模塊)，如果配備網管功能則還包括網管信息處理器(可編程邏輯芯片或MII接口)。快速以太網光纖收發器的設計包括元器件的選擇和印刷電路板設計兩個方面。本文從以上兩個方面介紹其設計思路與方法。

元器件的選擇

在快速以太網光纖收發器設計中，元器件的選擇舉足輕重，它決定了產品的性能、壽命和成本。光電介質轉換芯片(OEMC)是整個收發器的核心。選擇介質轉換芯片是快速以太網光纖收發器設計的第一步，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。

光電介質轉換芯片的主要性能指標有：

1．網管功能

網絡管理是網絡可靠性的保證，是提高網絡效益的方式，網絡管理的運行、管理、維護等功能可以大大增加網絡的可用時間，提高網絡的利用率、網絡性能、服務質量、安全性和經濟效益。但研制有網管功能的快速以太網光纖收發器所需的人力、物力遠遠超過無網管的同類產品，主要表現在：

(1) 硬件投資。快速以太網光纖收發器網管功能的實現有兩種方式：一是在收發器電路板上配置可編程邏輯芯片作為網管信息處理器，來處理網管信息，該芯片利用OEMC上的雙向管理指令接口(MDIO)、管理數據同步時鐘輸入接口(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，管理信息與網路上的普通數據共用數據通道。第二種方式如圖1(c)所示，快速以太網光纖收發器上沒有管理信息處理器，收發器外部的網絡管理者通過MII接口獲取管理信息。可見，有網管功能的快速以太網光纖收發器，元器件種類及數量遠遠多于無網管的同類產品，相應地，布線復雜，開發周期長。

(2) 軟件投資。有網管功能快速以太網光纖收發器的研發工作除了硬件布線外，軟件編程也十分重要。網管軟件的開發工作量較大，包括上層圖形化用戶接口部分、下層網絡設備代理嵌入式系統處理信息部分、上下層接口及嵌入式系統編程語言與可編程芯片的接口。選用合適的編程軟件很必要，設計者既可選用C、JAVA等傳統語言，也可以選用專門的網管編程軟件如：AdventNet公司的Management Builder和Agent Toolkit等。

(3) 調試工作。有網管功能快速以太網光纖收發器的調試工作包括兩部分：軟件調試和硬件調試。在調試過程中，電路板布線、元器件性能、元器件焊接、PCB板質量、環境條件以及軟件編程中的任一因素都會影響快速以太網光纖收發器的性能。調試人員必須具備綜合素質，全面考慮收發器出現故障的各種因素。

(4) 人員的投入。普通快速以太網光纖收發器的設計只需一個硬件工程師便可完成。有網管功能的快速以太網光纖收發器的設計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絡管理的編程，而且要求軟硬件設計者密切配合。

2．兼容性

OEMC應支持IEEE802、CISCO ISL等常用網絡通信標準，以保證快速以太網光纖收發器有良好的兼容性。

3．環境要求

a. 輸入輸出電壓。OEMC的工作電壓多為5伏或3.3伏，但快速以太網光纖收發器上另一個重要的器件——光收發一體模塊的工作電壓絕大多數為5伏。若兩者工作電壓不一致，則會增加PCB板布線的復雜程度。

b. 工作溫度。在選擇OEMC的工作溫度時，開發人員需從最不利的條件出發并留有余地，比如夏天最高氣溫達40℃，而快速以太網光纖收發器機箱內部因為各種元器件尤其是OEMC發熱，溫度比環境還要高10℃到20℃，因此，快速以太網光纖收發器工作溫度的上限指標一般不應低于70℃。

印刷電路板的設計

快速以太網光纖收發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，信號頻率越高，電磁干擾對PCB性能的影響就越大。因此，如何有效地抑制電磁干擾是快速以太網光纖收發器PCB設計的關鍵。

快速以太網光纖收發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自雙絞線的共模信號。雙絞線中的每對導線以雙螺旋形結構相互纏繞。共模電流Icom在兩根導線上以相同方向流動，并經過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下，電流產生大小相等極性相同的磁場，它們的輸出不能相互抵消，引起射頻干擾。抑制方法：在光電介質轉換芯片與RJ45口之間加入一個共模扼流器，則可以有效地減少共模信號引起的射頻干擾。共模電流以相同的方向流過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使共模扼流圈對共模信號呈現高阻抗，通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。

2．電源系統引起的干擾及其抑制：

電源系統的電磁干擾主要來自整流電路的紋波干擾、電源開關噪聲干擾以及電源寄生耦合干擾。

A．整流電路的紋波干擾。整流電路將交流電變為脈動直流之后，這種脈動直流本身是一種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。如果濾波電路不佳或濾波不足，這種50Hz(或100Hz)的紋波電壓就會對快速以太網光纖收發器電路形成干擾。

B．電源開關噪聲干擾。快速以太網光纖收發器電源通電瞬間，電路中產生瞬變電流，引起噪聲干擾。

C．電源寄生耦合干擾。由于供電電源內阻不可能為零，各級信號電流通過電源時，會在內阻上產生電壓降，這個交流信號電壓將會隨著直流通路送往其它級。對于多級級聯的電路，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、電容等儲能元件，便會產生振蕩。

電源系統干擾的抑制方法主要是采用合適的濾波電路。一方面，在電路電源接入處，選用參數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入電路的高頻干擾。另一方面，對每一個有源器件的供電電源利用π型濾波電路單獨進行二次濾波，濾波電容除了采用大容量的電解電容外，還需并聯一個小容量的非電解電容以消去電解電容產生的寄生電感(電解電容有微小的串聯寄生電感，高頻時會呈現可觀的阻抗)。

3. 接地系統引起的干擾及其抑制：

如圖4所示的單點接地法廣泛應用于低頻電路，如果用在快速以太網光纖收發器的高頻電路中，則不僅容易形成長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造成電路間的相互耦合，使電路工作不穩定。尤其是地線的長度達到信號1/4波長的奇數倍時，由于諧振地線阻抗迅速減小，從而產生嚴重的噪聲干擾。采用圖5所示的多點接地法(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。但多點接地電路中由于各支地線呈串聯形式接入總地線，當總地線在阻抗較大時會形成較嚴重的共地干擾，為此，總地線一般要用大面積的整塊銅箔。

為減少電磁干擾，在PCB板設計中除應注意上述問題之外，元器件的放置以及印制板走線應遵循以下原則：

1．高速信號線應靠近一片連續無間隔的地。

2．差模信號線對盡可能彼此靠近，而遠離其它信號線。

3．接收信號線與發送信號線應彼此遠離，彼此正交或中間用地隔開。

4．數字地與模擬地要分開，數字地層緊貼數字電源層，模擬地緊貼模擬電源層。

5．盡可能減短走線長度以減小其自感。

6．有些元器件，特別是磁性元件(如濾波器)應相互之間成90°放置。

隨著寬帶接入技術的迅速普及，光纖產品的應用日益廣泛。作為光電介質轉換的關鍵設備，快速以太網光纖收發器成為市場的迫切需要。本文從光電介質轉換芯片選擇和PCB設計兩方面闡述了快速以太網光纖收發器的設計。