基于单片机控制的光收发器设计
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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。
PHY1076
VCC
Tx+
Tx-
放大
调制 电流输出
Laser + Laser -
TOSA
DAC
调制电流 设置寄存器
APC 电路
Laser_bias MPD
图 3 调制电流控制原理图
ATMEGA88 的控制算法分析和 DDM 实现： 从上面的分析可以看出，光收发器的关键参数平均发射 功率和消光比都是通过对 PHY1076 的内部寄存器的设置来 控制的。而 PHY1076 提供 I2C 接口进行访问。本设计中， 使用 ATMEGA88 单片机进行控制。ATMEGA88 单片机内部 有一个标准的硬件 I2C 接口，可以用来为系统设备提供 SFP-MSA（SFP 多源协议）要求的对外 I2C。为了与 PHY1076 进行通信，本设计中用软件模拟了一个 I2C 接口。单片机的 主要工作内容包括：为功率控制提供温度补偿功能；为消光 比提供自动控制功能；设置 PHY1076 的接收放大部分的一 些工作参数；对 PHY1076 进行初始化；提供 DDM 功能和 记录产品信息。ATMEGE88 与 PHY1076 的连接如图 4 所示。 激光器的发光效率和阈值电流与环境温度成反比，即当 环境温度升高时，激光器的发光效率会降低，阈值电流会升 高。为了达到输出光功率和消光比的稳定性，就要根据温度 变化来响应调节激光器的偏置电流和调制电流。 本设计中采用查表法来设置偏置和调制电流。具体就是 建立两个数据表，功率设置表和调制电流设置表，每个值对 应一段温度下的功率设置寄存器的值。如图 4 所示。调制电 流设置表为 80 个字节，每两摄氏度占一个字节；功率设置
35
表占用 40 个字节，每 4 摄氏度占用一个字节；温度范围都 是-40~120℃，满足工业温度的要求。给单片机外接一个温 度传感器。单片机通过 ADC 把温度传感器的送来的电压转 换成温度值，然后根据温度查表，找到对应的数据，把数据
分别送往 PHY1076 的功率设置寄存器和调制电流设置寄存 器，调整激光器的偏置电流和调制电流，由此调整输出光功 率和消光比。
光纤 光纤
图 1 光纤收发器的内部结构图
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。
模拟I2C I2C
SCL SDA
ATMEGA88
-40~-39℃
-40~-37℃
-38~-37℃
-36~-33℃
-36~-35℃
…
硬 件
-34~-33℃ …
…
0~3℃ 4~7℃
…
0~1℃ 2~3℃
…
…
116~119℃ 功率设置 查找表
118~119℃ 调制电流设
ADC
置查找表
SCL SDA
PHY1076
光收发器主要由电路部分，光发送组件，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。
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，调制电流调 节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。
DAC
功率 设置寄存器
PHY1076
比较器 互阻 放大
VCC
Laser_bias MPD
TOSA
图 2 APC 工作原理图
消光比控制的实现： PHY1076 内部调制电流控制电路如图 3 所示。消光比 在光纤通信系统中定义为发送数据为 1 时与发送 0 时的光功 率的比值。其值的大小会影响通信系统的误码率。因此需要 控制在一定范围内。使用交流耦合的调制激光器的电路中， 平均发射功率受直流偏置电流影响，消光比的大小受调制电 流的影响。在 PHY1076 的内部，激光器的调制电流由专门 的寄存器进行设置后，经过模数转换器（DAC）输出控制 电压，进而控制输出调制电流的大小。因此适当设置该寄存 器的值就可以得到理想的消光比。由于没有办法检测工作中 消光比的大小，因此无法引入反馈电路实现消光比自动控 制。比较可行的办法是寻找消光比与温度变化的统计规律， 然后通过外部控制器依规律进行温度补偿。
TX +/TX _D isable
TX _Fault R X +/-
R X _L O S
SCL SDA
PHY1076 激光驱动部分
限幅放大部分
内部寄 存器
ADC
硬
模 拟 I2C
A
件
I2C
EEPROM
ATM EGA88
D C
TOSA
Tx_pow er Ibias
ROSA
R x_pow er
VCC
温度 传感
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。 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。 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。
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。
摘 要：光收发器的设计中，把激光驱动和接收放大部分集成在一起，通过使用普通单片机进行控制的方案，可以降低
收发器的成本，提高产品的性能。文章选用 PHYWORKS 公司的驱动放大集成芯片 PHY1076，在 ATMEGA88 单片机控制下，
设计了一款 1.25Gbps/10km 以太网光收发器。并测试了各温度下的性能参数，结果表明设计的光收发器符合 802.3z 要求，
率和消光比满足要求。最后把这些数据保存到温度查找表 把 TOSA、ROSA 焊接到一起装入定制外壳，实现了一款
中，并同时保存到 ATMEGA88 内部的 EEPROM 中。收发 1.25Gbps 的 SFP 光收发器。调试 PHY1076 内部寄存器是光
功耗小，系统可集成度高，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：
第 32 卷 第 4 期 2011 年 4 月
湖南科技学院学报 Journal of Hunan University of Science and Engineering
Vol.32 No.4 Apr.2011
基于单片机控制的光收发器设计
杨振南 蒋恩松 李玲香 邵金侠
（湖南科技学院 计算机与通信工程系，湖南 永州 425100）
功率设置寄 存器
调制电流设 置寄存器
温度 传感
图 4 ATMEGA88 与 PHY1076 连接图
数据表的数值确定则使用测试的方法得出。在收发器的
3 设计结果及测试分析
调试过程中，对样品在每个温度下的输出眼图进行测试，并
本设计根据以上讨论的方案，选择 PHY1076 专用芯片
修改对应温度下的数据，使得光收发器的输出光眼图，光功 和 ATMEGA88 单片机，外加适当的外围电路设计电路板，
2 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。
1 光收发器设计方案及工作原理讨论
光收发器的在发展的过程中，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，
收稿日期：2010－09－20 基金项目：湖南科技学院科学研究项目，编号：09XKY TC011。 作者简介：杨振南（1982－），男，湖南永州人，硕士， 主要研究方向为高速光纤通信器件设计和嵌入系统设计。 34
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可用于实际光通信系统。
关键词：光收发器；SFP；APC；消光比；单片机
中图分类法：TN913.7
文献标识码：A
文章编号：1673-2219（2011）04-0034-03
引言
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。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。
PHY1076
VCC
Tx+
Tx-
放大
调制 电流输出
Laser + Laser -
TOSA
DAC
调制电流 设置寄存器
APC 电路
Laser_bias MPD
图 3 调制电流控制原理图
ATMEGA88 的控制算法分析和 DDM 实现： 从上面的分析可以看出，光收发器的关键参数平均发射 功率和消光比都是通过对 PHY1076 的内部寄存器的设置来 控制的。而 PHY1076 提供 I2C 接口进行访问。本设计中， 使用 ATMEGA88 单片机进行控制。ATMEGA88 单片机内部 有一个标准的硬件 I2C 接口，可以用来为系统设备提供 SFP-MSA（SFP 多源协议）要求的对外 I2C。为了与 PHY1076 进行通信，本设计中用软件模拟了一个 I2C 接口。单片机的 主要工作内容包括：为功率控制提供温度补偿功能；为消光 比提供自动控制功能；设置 PHY1076 的接收放大部分的一 些工作参数；对 PHY1076 进行初始化；提供 DDM 功能和 记录产品信息。ATMEGE88 与 PHY1076 的连接如图 4 所示。 激光器的发光效率和阈值电流与环境温度成反比，即当 环境温度升高时，激光器的发光效率会降低，阈值电流会升 高。为了达到输出光功率和消光比的稳定性，就要根据温度 变化来响应调节激光器的偏置电流和调制电流。 本设计中采用查表法来设置偏置和调制电流。具体就是 建立两个数据表，功率设置表和调制电流设置表，每个值对 应一段温度下的功率设置寄存器的值。如图 4 所示。调制电 流设置表为 80 个字节，每两摄氏度占一个字节；功率设置
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表占用 40 个字节，每 4 摄氏度占用一个字节；温度范围都 是-40~120℃，满足工业温度的要求。给单片机外接一个温 度传感器。单片机通过 ADC 把温度传感器的送来的电压转 换成温度值，然后根据温度查表，找到对应的数据，把数据
分别送往 PHY1076 的功率设置寄存器和调制电流设置寄存 器，调整激光器的偏置电流和调制电流，由此调整输出光功 率和消光比。
光纤 光纤
图 1 光纤收发器的内部结构图
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。
模拟I2C I2C
SCL SDA
ATMEGA88
-40~-39℃
-40~-37℃
-38~-37℃
-36~-33℃
-36~-35℃
…
硬 件
-34~-33℃ …
…
0~3℃ 4~7℃
…
0~1℃ 2~3℃
…
…
116~119℃ 功率设置 查找表
118~119℃ 调制电流设
ADC
置查找表
SCL SDA
PHY1076
光收发器主要由电路部分，光发送组件，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。
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，调制电流调 节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。
DAC
功率 设置寄存器
PHY1076
比较器 互阻 放大
VCC
Laser_bias MPD
TOSA
图 2 APC 工作原理图
消光比控制的实现： PHY1076 内部调制电流控制电路如图 3 所示。消光比 在光纤通信系统中定义为发送数据为 1 时与发送 0 时的光功 率的比值。其值的大小会影响通信系统的误码率。因此需要 控制在一定范围内。使用交流耦合的调制激光器的电路中， 平均发射功率受直流偏置电流影响，消光比的大小受调制电 流的影响。在 PHY1076 的内部，激光器的调制电流由专门 的寄存器进行设置后，经过模数转换器（DAC）输出控制 电压，进而控制输出调制电流的大小。因此适当设置该寄存 器的值就可以得到理想的消光比。由于没有办法检测工作中 消光比的大小，因此无法引入反馈电路实现消光比自动控 制。比较可行的办法是寻找消光比与温度变化的统计规律， 然后通过外部控制器依规律进行温度补偿。
TX +/TX _D isable
TX _Fault R X +/-
R X _L O S
SCL SDA
PHY1076 激光驱动部分
限幅放大部分
内部寄 存器
ADC
硬
模 拟 I2C
A
件
I2C
EEPROM
ATM EGA88
D C
TOSA
Tx_pow er Ibias
ROSA
R x_pow er
VCC
温度 传感
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。 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。 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。
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。
摘 要：光收发器的设计中，把激光驱动和接收放大部分集成在一起，通过使用普通单片机进行控制的方案，可以降低
收发器的成本，提高产品的性能。文章选用 PHYWORKS 公司的驱动放大集成芯片 PHY1076，在 ATMEGA88 单片机控制下，
设计了一款 1.25Gbps/10km 以太网光收发器。并测试了各温度下的性能参数，结果表明设计的光收发器符合 802.3z 要求，
率和消光比满足要求。最后把这些数据保存到温度查找表 把 TOSA、ROSA 焊接到一起装入定制外壳，实现了一款
中，并同时保存到 ATMEGA88 内部的 EEPROM 中。收发 1.25Gbps 的 SFP 光收发器。调试 PHY1076 内部寄存器是光
功耗小，系统可集成度高，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：
第 32 卷 第 4 期 2011 年 4 月
湖南科技学院学报 Journal of Hunan University of Science and Engineering
Vol.32 No.4 Apr.2011
基于单片机控制的光收发器设计
杨振南 蒋恩松 李玲香 邵金侠
（湖南科技学院 计算机与通信工程系，湖南 永州 425100）
功率设置寄 存器
调制电流设 置寄存器
温度 传感
图 4 ATMEGA88 与 PHY1076 连接图
数据表的数值确定则使用测试的方法得出。在收发器的
3 设计结果及测试分析
调试过程中，对样品在每个温度下的输出眼图进行测试，并
本设计根据以上讨论的方案，选择 PHY1076 专用芯片
修改对应温度下的数据，使得光收发器的输出光眼图，光功 和 ATMEGA88 单片机，外加适当的外围电路设计电路板，
2 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。
1 光收发器设计方案及工作原理讨论
光收发器的在发展的过程中，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，
收稿日期：2010－09－20 基金项目：湖南科技学院科学研究项目，编号：09XKY TC011。 作者简介：杨振南（1982－），男，湖南永州人，硕士， 主要研究方向为高速光纤通信器件设计和嵌入系统设计。 34
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可用于实际光通信系统。
关键词：光收发器；SFP；APC；消光比；单片机
中图分类法：TN913.7
文献标识码：A
文章编号：1673-2219（2011）04-0034-03
引言
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。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。