基于千兆以太網的基帶光纖拉遠設計

基帶光纖拉遠是將數(shù)字微波接力系統(tǒng)的中頻部分從室內單元移至室外單元。由于信號拉遠的物理介質采用的是光纖,而且傳輸?shù)氖腔鶐?shù)字信號,因此傳輸距離一般可達幾km以上?；鶐Ч饫w拉遠避免了系統(tǒng)的室內單元和室外單元之間饋線連接的不便,同時減少了饋線損耗,降低了功率放大器的功率要求,最重要的是天線的位置調整不再受室內單元的制約,可以依據(jù)周邊環(huán)境特點,選擇合適的地點架設,降低了設備開通的難度。本文介紹了88E1111的功能和特點,并給出了采用88E1111完成數(shù)字微波接力系統(tǒng)基帶光纖拉遠的接13設計方案,解決了基帶光纖拉遠接口設計復雜、難以實現(xiàn)的問題。

　　1 88E1111簡介

　　1．1 88E1111的功能特點

　　88E1111是Marvell公司推出的單片集成高性能千兆以太網物理層芯片,具有如下功能：完整支持IEEE802．3協(xié)議簇;內置1．25 G串行解串行器,滿足千兆光傳輸應用;支持GMII、TBI、RGMII、RTBI等多種MAC層接口;支持10／100／1000BaseT自適應檢測;采用0．13 μm CMOS工藝,支持2．5 V、1．2 V低電壓供電,最大功耗O．75W,且支持自動降功耗功能。

　　1．2 88E1111的接口

　　1)GMII接口 88E1111與MAC層之間的數(shù)據(jù)接口見表1。

　　2)Management接口 由MDC、MDIO 2個信號組成,MDC為時鐘信號,最大速率8．3 MHz;MDIO為數(shù)據(jù)信號,同步于MDC。數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)“0 1”表示操作的開始;緊隨其后是操作碼,“10”表示讀操作,“01”表示寫操作;然后是物理地址、寄存器地址、寄存器數(shù)據(jù)。CPU通過訪問相應的物理地址、寄存器地址,對芯片進行控制和監(jiān)測。

　　3)LED／ConfiguraTIon接口 LED接口由LED_Link10、LED_Link100、LED_Link1000、LED_TX、LED_RX、LED-Duplex、VDDO、 VSS組成。Co-nfiguration接口由Config[6：0]組成。通過將Config[6：0]連接到LED接口的不同信號,可以將芯片配置到相應的工作模式。典型的1000Ba-seX、全雙工工作模式配置映射關系如表2所示。

　　4)高速串行信號接口 由3對差分信號組成,接口電平為CML,其中S_IN±為串行數(shù)據(jù)輸入、S_OUT±為串行數(shù)據(jù)輸出、SD±為光功率有效輸入。

　　1．3 88E1111的寄存器

　　88E1111共有32個控制寄存器,每個寄存器16 bit,地址偏移量為OOH～1FH。功能為復位芯片、設置速率、雙工模式等,其描述如表3所示。

　　2 方案設計

　　根據(jù)88E1111的功能特點和基帶光纖拉遠的設計要求,本文提出了用88E1111完成數(shù)字微波接力系統(tǒng)基帶光纖拉遠的接口設計方案。接口設計方案框圖如圖1所示,主要由室內單元、室外單元2部分組成。發(fā)方向,室內單元業(yè)務碼流輸入FPGA復分解器,完成業(yè)務數(shù)據(jù)打包,封裝成符合IEEE802．3標準的數(shù)據(jù)幀結構,通過GMII接口發(fā)送到88E1111,由88E1111完成數(shù)據(jù)并串轉換,通過高速串行信號接口將信號發(fā)送到1．25 G光收發(fā)器,完成電光轉換后向室外單元發(fā)送1．25 G光信號。室外單元1．25 G光收發(fā)器接收光信號,完成光電轉換,通過高速串行信號接口將高速電信號輸入88E1111,由88Ellll完成數(shù)據(jù)串并轉換,通過GMII接口將并行數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA調制解調器,完成數(shù)據(jù)解幀、調制后,通過中頻射頻單元向空中發(fā)送無線射頻信號。收方向為發(fā)方向的逆向流程。

　　3 硬件設計

　　圖2所示是1．25 G光收發(fā)器SSFF315l的電路原理圖,其收發(fā)引腳RD±、TD±分別連接到88E1111的高速串行信號接口S_IN±、S_0UT±信號。圖3所示是88E1111的電路原理圖,其主要引腳連接關系如下：GMII接口信號(詳見表1連接到FPGA;Management接口信號MDl0、MDC連接到微處理器;Config接口信號按表2映射關系連接到LED接口;XTALl引腳輸入125 MHz時鐘信號,頻率穩(wěn)定度±50 ppm;RSET為芯片參考電壓輸入引腳,通過5 kΩ精密電阻連接到地;SEL_FREQ為時鐘輸入選擇引腳,接低電平時,選擇125 MHz時鐘輸入。

　　88E1111完全按照IEEE802.3協(xié)議工作。TX_CLX為發(fā)送時鐘,TX_EN為發(fā)送使能信號,TX_EN有效時,在發(fā)送時鐘TX_CLK的上升沿傳送數(shù)據(jù),TXD[7：0]至88E1111,完成發(fā)送操作。RX_CLK為接收時鐘,RX_DV是接收數(shù)據(jù)使能信號。RX_DV有效時,在接收時鐘 RX_CLK的上升沿從88E1111接收數(shù)據(jù)RXD[7：0],完成接收操作。

 　　4 設計中應注意的問題

　　4．1 電氣接口匹配

　　88E111l的高速串行信號接口為CML接口,光收發(fā)器的信號接口為LVPECL接口。因此接口之間要增加CML轉LVPECL電氣接口匹配電路。采用交流耦合接口匹配電路時,發(fā)送端在IVPECL的2個輸出信號上各加一個到地的偏置電阻,即圖2中R9、R10,電阻值選取范圍142～200Ω。輸入端在LVPECL的2個輸入信號之間跨接一個電阻,即R5,阻值取100 Ω。

　　4．2 GMII接口設計

　　GMII接口數(shù)據(jù)速率達到125 Mb／s,速率較高,為了避免各個信號在PCB板上由于傳播時延不同而造成相位誤差,布線時,TXD[7：0]、CTX_CLK、TX_EN為一組信號,RXD[7：0]、RX_CLK、RX_DV為一組信號,兩組信號必須嚴格等長。

　　4．3 PCB布線設計

　　基帶光纖拉遠接口板上有LVTTL、LVPECL、CML等多種信號。為避免相互干擾,PCB布線時應注意,在差分線對內,2條線之間的距離應盡可能短,以保持接收器的共模抑制能力,在PCB板上,2條差分線之間的距離應盡可能保持一致,以避免差分阻抗的不連續(xù)性。

　　5 結束語

　　基于88E1111的基帶光纖拉遠接口設計方案,在千兆、全雙工運行模式下,接口數(shù)據(jù)傳輸速率可達800 Mb／s;在單模光纖傳輸時,傳輸距離可達20 km,完全達到數(shù)字微波接力系統(tǒng)的設計要求。本方案已在多個數(shù)字微波接力產品中得到應用,具有設計簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。相比傳統(tǒng)的方案有以下2個創(chuàng)新點：1)傳輸數(shù)據(jù)采用符合IEEE802．3協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結構,接口標準、可靠;2)采用光纖作為傳輸介質,避免了系統(tǒng)的室內外單元之間饋線連接的不便,大大降低了系統(tǒng)成本和設備開通的難度。