張 燕 ，劉祥樓 ，何學(xué)蘭

(1.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化系，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；3.東北石油大學(xué) 黑龍江省高校校企業(yè)共建測試計量技術(shù)及儀器儀表研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿浇橐詡鬏旊娦盘柕囊蕴W(wǎng)媒介為主體，但是光纖、塑料光纖等新型高帶寬、無串?dāng)_傳輸媒介將取而代之。在光纖媒介中所傳輸?shù)男盘枮楣庑盘?，無法直接進(jìn)行信號處理，需要對光信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換來順利實現(xiàn)所傳信號的處理工作，從而保證光纖和其他電信號傳輸媒介之間相互通信的順暢[1]。

隨著光纖信號與電信號（以太網(wǎng)）的通信數(shù)據(jù)量的增大，傳統(tǒng)的單片機(jī)在速度上以及芯片封裝大小上已經(jīng)跟不上時代以及產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求。而現(xiàn)場可編程門陣列FPGA具有編程方便、集成度高、速度快、可在線重新配置等優(yōu)點，因而用其實現(xiàn)各種信號處理的算法己經(jīng)成為電子設(shè)計人員解決實際問題的一種方法[2-3]。本文提出一種基于FPGA來實現(xiàn)光信號與電信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)的原理與設(shè)計

FPGA光電信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由軟件平臺和硬件平臺共同組建，而硬件平臺是本文主要介紹部分，用電子設(shè)計軟件進(jìn)行PCB擴(kuò)展板設(shè)計和加工以及調(diào)試，成功搭建起硬件平臺，并結(jié)合軟件平臺進(jìn)行最終調(diào)試和測試。光電系統(tǒng)整體如圖1所示。

圖1 光電系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體是以以太網(wǎng)電信號為接口與PC連接，通過光纖進(jìn)行高速通信，本文所研究的是以太網(wǎng)電信號與光纖信號的相互轉(zhuǎn)換。

1.1 光電信號接口處理

由于光信號和電信號傳送數(shù)據(jù)時所用的格式不同，速率不同，所以選擇相應(yīng)的芯片來設(shè)計對應(yīng)的接口電路使其能夠成功傳送，采用OSI模型，設(shè)計其中的物理層和數(shù)據(jù)鏈層[4]。使用FPGA開發(fā)板和自制的PCB擴(kuò)展版來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計，光電信號轉(zhuǎn)換接口如圖2所示。

各主要模塊作用：

(1)SFP光模塊：該模塊的作用為將在光纖中所傳輸?shù)拇泄庑盘栕兂纱须娦盘枺▽崿F(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換），送至PHY模塊中進(jìn)行信息處理。

(2)以太網(wǎng)接口：該模塊的作用是接收雙絞線上所傳輸?shù)拇须娦盘柌⑺腿隤HY芯片中進(jìn)行處理。

(3)PHY芯片：該芯片是一種物理接口收發(fā)器，實現(xiàn)以太網(wǎng)中底層的物理層，主要作用是數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向上層提供標(biāo)準(zhǔn)接口（TSE_MII），保證信息的正確通信。

(4)NIOSII：其作用為將PHY芯片傳送過來的信息進(jìn)行處理然后再反饋回PHY芯片，經(jīng)以太網(wǎng)或者SFP光模塊轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)地址處。

圖2 光電信號轉(zhuǎn)換接口

1.2 以太網(wǎng)接口處理

為了讓以太網(wǎng)信號更穩(wěn)定，加入PT163020芯片來隔離以太網(wǎng)芯片和物理層芯片，芯片原理圖如圖3所示。由于是高頻信號，所以PT163020的走線需要特別留心，抗干擾的電阻電容要盡量貼近芯片周圍，對PT163020的信號線走線距離不要超過13 mm。應(yīng)該盡量避免過孔及電源線或地線從該走線區(qū)域通過[5]。RJ45口與PT163020的走線也是如此的要求，由于RJ45口及PT163020的走線密集，不妨考慮將部分小量電阻電容放到PCB板背面，由小量過孔進(jìn)行相連。原理圖接口處理見圖4，小電阻起隔離作用，引腳2和引腳7為2.5 V電壓供電。

圖3 網(wǎng)絡(luò)變壓器高度集成芯片原理圖

圖4 以太網(wǎng)接口原理圖

1.3 SFP光模塊接口處理

光模塊作用是將在光纖中所傳輸?shù)拇泄庑盘栕兂纱须娦盘?，即實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，并送至PHY模塊中進(jìn)行信息處理。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上引腳原理圖與PHY的引腳相接。光模塊接口處理如圖5所示。

1.4 PHY物理模塊接口處理

物理層主要作用是數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向上層提供標(biāo)準(zhǔn)接口（TSE_MII），保證信息的正確通信，本文采用KS8721芯片。PHY物理模塊接口原理圖如圖6所示。

圖5 SFP光模塊接口處理

2 光電信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的測試分析

圖6 PHY物理模塊接口處理

將制好的光電信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與FPGA開發(fā)板連接，進(jìn)行系統(tǒng)的測試。將跳線短接，發(fā)光二極管全亮，經(jīng)過測量電壓，電壓3.3 V和電壓2.5 V正常。測量KS8721晶振，示波器波形如圖7所示。

圖7 測試波形

示波器掃描周期為20μs，晶振起震，振蕩周期為40μs，得出晶振頻率 f=1/40μs=25 MHz，與實際值相等，說明設(shè)計的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了信號的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)論

本文論述了基于FPGA光電信號系統(tǒng)的研究與設(shè)計，對以太網(wǎng)接口處理、SPF光模塊接口處理、PHY物理模塊接口處理的原理以及硬件的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對設(shè)計的FPGA光電信號系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試。發(fā)光二極管能正常地顯示，晶振的頻率與實際相符，說明該系統(tǒng)實現(xiàn)了光電信號之間的轉(zhuǎn)換，能保持通信順暢。

[1]LEVEN A，KANEDA N，CHEN Y K.A realtime CMA-based 10 Gb/s polarization demultiplexing coherent receiver implemented in an FPGA[C].Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference，2008：1-3.

[2]SONG H.Multiplexing and DQPSK precoding of 10.7-Gb/s client signals to 107 Gb/s using an FPGA[C].Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference，2008：1-3.

[3]肖慶亮，楊德偉，張朝陽，等.采集系統(tǒng)中光電信號調(diào)理電路的噪聲分析[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2009，24(10)：206-209.

[4]吳永芝，余容紅，李興紅，等.光電信號參數(shù)的動態(tài)提取方法[J].電子測量與儀器學(xué)報，2009，23(5)：69-73.

[5]方洪浩，雷蕾，常何民.基于 Verilog HDL的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，20(7)：5278-5281.