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基于单片机控制的光收发器设计

1 引言

在“三网合一”的推动下，光纤到户等光纤接入方案的应用日益广泛。在光进铜退的呼声下，光网络迅速发展。光收发器在光通信中起到光电、电光转换的作用，是光通信必不可少的器件。由于涉及到高速电路设计、精密机械加工和光学设计，光收发器的成本占据了光纤通信系统和的重要部分，而较高的光收发器价格成了制约光纤接入推广的瓶颈。进一步降低光收发器的成本将有利于光接入的应用推广，加快光进铜退的步伐。

光收发器主要由电路部分、光发送组件和光接收组件组成。其中电路部分又包括激光驱动、光接收信号放大和控制部分。目前市场上的光收发器的电路部分使用的是三个专用芯片。一直有公司在研究把激光驱动和接收信号放大电路集成在一个器件上，控制器使用普通的嵌入式处理器的方案。由于只使用一个专用芯片和一个通用芯片，这样就可以大幅降低电路部分的成本。PHYWORKS 公司研制的PHY1076芯片就是一款这样的芯片。它主要针对1.25Gbps 到2.5Gbps的光收发器，具有外围电路简单，控制电路只需要普通的8位单片机就可以实现的特点。本文主要研究了PHY1076 的性能，选择了ATMEL 公司的ATMEGA88 单片机进行控制，设计出光收发器样品，并进行了性能测试，最终成功设计了1.25G 光收发器。

2 光收发器设计方案及工作原理讨论

光收发器在发展的过程中，有许多种不同的外形封装。SFP（小型化可热插拔光收发一体模块）是目前在5Gbps以下速率中最先进的一种封装形式，具有小型化、可热插拔、功耗小、系统可集成度高以及能够进行数字诊断功能等特点。

本设计中使用激光驱动电路和光接收放大电路集成的PHY1076 作为专用芯片，使用ATMEL 的AVR 单片机ATMEGA88 进行控制和实现DDM 功能，加上相应的TOSA（光发射组件）,ROSA（光接收组件）和结构件，设计了一款工作在1.25Gbps 传输距离为10km 的SFP 光收发器。系统方框图如图1 所示：

图 1 光

纤收发器的内部结构图

1) 发射部分工作原理：

系统的串行数据信号从TX+/-端以差分信号形式输入到PHY1706 的激光器驱动部分。驱动电路进行放大处理后，转换成差分调制电流信号加载到TOSA（光发射组件）上，控制TOSA 中的激光器发出光脉冲，耦合入光纤发送到远端。

2) 接收部分工作原理：

光脉冲信号输入到ROSA（光接收组件），ROSA 将光脉冲信号转换成差分电压信号输出到PHY1076 的限幅放大部分。该信号经过限幅放大处理后，从PHY1076 的RX+/-端输出差分电压串行数字信号。

3) 控制及DDM 部分：

PHY1076 是一款模拟数字混合芯片，其内部包括多个模数(A/D)、数模转换(D/A)器。发射和接收通路上的参数都是通过ADC 转换成数字量存入状态寄存器进行监视，通过DAC 把设置寄存器的值转换成模拟量来进行控制的。这些寄存器都可以由外部控制器进行读取和设置。

DDM(Digital Diagnostic Monitor)，数字诊断和监控是指的光纤收发器能够对发射功率（Tx_power），接收功率（Rx_power），激光器偏置电流（Ibias），工作电压（Vcc），模块内部温度（Temperature）这些参数进行实时监视，并能够在各项参数超过设定值时设置报警标志位的功能。PHY1076 内部集成的ADC 能够对发射功率、接收功率和偏置电流进行监测。工作电压和温度传感则需要另外ADC 进行转换。而所有这些报警的实现则需要外部控制器来实现。

ATMEL 公司的AVR 单片机ATMEGA88 是一款8 位单片机，内部集成FLASH、RAM、EEPROM、内部时钟和ADC。无需任何外围电路即可构成系统，支持在线编程下载和单步调试。系统设计和软件调试都很方便。集成硬件I2C模块，可直接对外提供符合SFP-MSA 规范要求的外部I2C接口。而且此单片机是一款在家电和工业控制领域使用广泛的芯片，用量大，性能稳定可靠，价格低。本设计选用此芯片控制PHY1076 的工作参数和实现DDM 功能。

3 关键参数控制和实现

在光纤通信系统中，发射光脉冲的平均光功率和消光比是两个非常重要的参数。根据传输距离不同，需要设定不同的值。对具体某一个光收发器则希望其发光功率和消光比能够长期维持在一定范围内。要维持稳定的光功率则需要使用APC(自动功率控制)电路。又由于激光器的温度特性和老化特性，其发光效率会变化，所以又需要进行温度补偿。消光比的自动控制则需要根据温度变化而实时的调整调制电流的大小。

早期的光收发器中，大都使用专用模拟器件，所以要实现功率APC、温度补偿和消光比自动控制都非常困难，或者很难得到满意的效果。PHY1076 是一个模数混合器件，其高速通道部分使用模拟设计，而其功率控制、调制电流则是使用寄存器进行的。从而只要外部控制器能够监测温度，就能根据温度调整寄存器的值，达到自动更改输出功率和调制电流，使功率和消光比维持在一定得范围内的目的。

1) 平均光功率的控制实现：

PHY1076 内部APC 电路如图2 所示。TOSA 内部集成了一个激光发射二极管和一个光电感应二极管。激光器的发光功率与电流成正比，激光器的阴极接到PHY1076 的Laser_bias 引脚。PHY1076 内部功率设置寄存器的数据直接输入到DAC，DAC 产生一个模拟电压输出控制压控电流源的输出电流，此电流源输出电流经过电感耦合后给激光器的提供直流偏置电流。因此修改功率设置寄存器的值就可以直接修改激光器的输出光功率。光电感应二极管的反向漏电流与激光器的发射功率成正比。该电流从MPD 引脚接入PHY1076 内部，经过放大和转换成电压信号后，作为负反馈信号引入到压控电流源的控制端，起到自动功率控制的作用。但是APC 能够控制的功率变化范围是有限的。当温度变大时，由于激光器的发光效率降低，APC 将不能提供足够大的电流来保持功率稳定。此时就需要调节功率设置寄存器的值来获得更大的偏置电流以保持功率稳定。本设计中是通过外接单片机来根据温度进行寄存器设置，达到温度补偿的目的。