基于單片機控制的光收發器設計

楊振南 蔣恩松 李玲香 邵金俠

（湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425100）

基于單片機控制的光收發器設計

楊振南 蔣恩松 李玲香 邵金俠

（湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425100）

光收發器的設計中，把激光驅動和接收放大部分集成在一起，通過使用普通單片機進行控制的方案，可以降低收發器的成本，提高產品的性能。文章選用PHYWORKS公司的驅動放大集成芯片PHY1076，在ATMEGA88單片機控制下，設計了一款1.25Gbps/10km以太網光收發器。并測試了各溫度下的性能參數，結果表明設計的光收發器符合802.3z要求，可用于實際光通信系統。

光收發器；SFP；APC；消光比；單片機

引言

三網合一的推動下，光纖到戶等光纖接入方案的應用日益廣泛。在光進銅退的呼聲下，光網絡迅速發展。光收發器在光通信中起到光電，電光轉換的作用。是光通信必不可少的器件。由于涉及到高速電路設計，精密機械加工和光學設計，光收發器的成本占據了光纖通信系統和的重要部分。較高的光收發器價格成了制約光纖接入推廣的瓶頸。進一步降低光收發器的成本將有利于光接入的應用推廣，加快光進銅退的步伐。

光收發器主要由電路部分，光發送組件，光接收組件組成。其中電路部分又包括激光驅動，光接收信號放大，和控制部分。目前市場上的光收發器的電路部分使用的是三個專用芯片。一直有公司在研究把激光驅動和接收信號放大電路集成在一個器件上，控制器使用普通的嵌入式處理器的方案。由于只使用一個專用芯片和一個通用芯片，這樣可以大幅降低電路部分的成本。PHYWORKS公司研制的PHY1076芯片就是一款這樣的芯片。它主要針對1.25Gbps到2.5Gbps的光收發器，具有外圍電路簡單，控制電路只需要普通的8位單片機就可以實現的特點。本文主要研究了PHY1076的性能，選擇了ATMEL公司的ATMEGA88單片機進行控制，設計出光收發器樣品，并進行了性能測試，最終成功設計了1.25G光收發器。

1 光收發器設計方案及工作原理討論

光收發器的在發展的過程中，有許多種不同的外形封裝。SFP（小型化可熱插拔光收發一體模塊）是目前在5Gbps以下速率中最先進的一種封裝形式。具有小型化，可熱插拔，功耗小，系統可集成度高，能夠進行數字診斷功能等特點。本設計中使用激光驅動電路和光接收放大電路集成的PHY1076作為專用芯片，使用 ATMEL的 AVR單片機ATMEGA88進行控制和實現DDM功能，加上相應的TOSA（光發射組件）,ROSA（光接收組件）和結構件，設計了一款工作在1.25Gbps傳輸距離為10km的SFP光收發器。系統方框圖如圖1所示：

發射部分工作原理：

系統的串行數據信號從 TX+/-端以差分信號形式輸入到PHY1706的激光器驅動部分。驅動電路進行放大處理后，轉換成差分調制電流信號加載到TOSA（光發射組件）上，控制 TOSA中的激光器發出光脈沖，耦合入光纖發送到遠端。

接收部分工作原理：

光脈沖信號輸入到 ROSA（光接收組件），ROSA將光脈沖信號轉換成差分電壓信號輸出到PHY1076的限幅放大部分。該信號經過限幅放大處理后，從PHY1076的RX+/-端輸出差分電壓串行數字信號。

控制及DDM部分：

PHY1076是一款模擬數字混合芯片，其內部包括多個模數(A/D)數模轉換(D/A)器。發射和接收通路上的參數都是通過 ADC轉換成數字量存入狀態寄存器進行監視，通過DAC把設置寄存器的值轉換成模擬量來進行控制的。這些寄存器都可以由外部控制器進行讀取和設置。

圖1 光纖收發器的內部結構圖

DDM(Digital Diagnostic Monitor)，數字診斷和監控是指的光纖收發器能夠對發射功率（Tx_power），接收功率（Rx_power），激光器偏置電流（Ibias），工作電壓（Vcc），模塊內部溫度（Temperature）這些參數進行實時監視，并能夠在各項參數超過設定值時設置報警標志位的功能。PHY1076內部集成的ADC能夠對發射功率、接收功率和偏置電流進行監測。工作電壓和溫度傳感則需要另外ADC進行轉換。而所有這些報警的實現則需要外部控制器來實現。

ATMEL公司的AVR單片機ATMEGA88是一款8位單片機，內部集成 FLASH、RAM、EEPROM、內部時鐘和ADC。無需任何外圍電路即可構成系統，支持在線編程下載和單步調試。系統設計和軟件調試都很方便。集成硬件I2C模塊，可直接對外提供符合SFP-MSA規范要求的外部I2C接口。而且此單片機是一款在家電和工業控制領域使用廣泛的芯片，用量大，性能穩定可靠，價格低。本設計選用此芯片控制PHY1076的工作參數，和實現DDM功能。

2 關鍵參數控制和實現

在光纖通信系統中，發射光脈沖的平均光功率和消光比是兩個非常重要的參數。根據傳輸距離不同，需要設定不同的值。對具體某一個光收發器則希望其發光功率和消光比能夠長期維持在一定范圍內。要維持穩定的光功率則需要使用APC(自動功率控制)電路。又由于激光器的溫度特性和老化特性，其發光效率會變化，所以又需要進行溫度補償。消光比的自動控制則需要根據溫度變化而實時的調整調制電流的大小。

早期的光收發器中，大都使用專用模擬器件，所以要實現功率 APC、溫度補償和消光比自動控制都非常困難，或者很難得到滿意的效果。PHY1076是一個模數混合器件，其高速通道部分使用模擬設計，而其功率控制，調制電流調節則是使用寄存器進行的。從而只要外部控制器能夠監測溫度，就能根據溫度調整寄存器的值，達到自動更改輸出功率和調制電流，使功率和消光比維持在一定得范圍內的目的。

平均光功率的控制實現：

PHY1076內部APC電路如圖2所示。TOSA內部集成了一個激光發射二極管和一個光電感應二極管。激光器的發光功率與電流成正比，激光器的陰極接到 PHY1076的Laser_bias引腳。PHY1076內部功率設置寄存器的數據直接輸入到DAC，DAC產生一個模擬電壓輸出控制壓控電流源的輸出電流，此電流源輸出電流經過電感耦合后給激光器的提供直流偏置電流。因此修改功率設置寄存器的值就可以直接修改激光器的輸出光功率。光電感應二極管的反向漏電流與激光器的發射功率成正比。該電流從 MPD引腳接入PHY1076內部，經過放大和轉換成電壓信號后，作為負反饋信號引入到壓控電流源的控制端，起到自動功率控制的作用。但是APC能夠控制的功率變化范圍是有限的。當溫度變大時，由于激光器的發光效率降低，APC將不能提供足夠大的電流來保持功率穩定。此時就需要調節功率設置寄存器的值來獲得更大的偏置電流以保持功率穩定。本設計中是通過外接單片機來根據溫度進行寄存器設置，達到溫度補償的目的。

圖2 APC工作原理圖

消光比控制的實現：

PHY1076內部調制電流控制電路如圖3所示。消光比在光纖通信系統中定義為發送數據為1時與發送0時的光功率的比值。其值的大小會影響通信系統的誤碼率。因此需要控制在一定范圍內。使用交流耦合的調制激光器的電路中，平均發射功率受直流偏置電流影響，消光比的大小受調制電流的影響。在PHY1076的內部，激光器的調制電流由專門的寄存器進行設置后，經過模數轉換器（DAC）輸出控制電壓，進而控制輸出調制電流的大小。因此適當設置該寄存器的值就可以得到理想的消光比。由于沒有辦法檢測工作中消光比的大小，因此無法引入反饋電路實現消光比自動控制。比較可行的辦法是尋找消光比與溫度變化的統計規律，然后通過外部控制器依規律進行溫度補償。

圖3 調制電流控制原理圖

ATMEGA88的控制算法分析和DDM實現：

從上面的分析可以看出，光收發器的關鍵參數平均發射功率和消光比都是通過對PHY1076的內部寄存器的設置來控制的。而PHY1076提供I2C接口進行訪問。本設計中，使用ATMEGA88單片機進行控制。ATMEGA88單片機內部有一個標準的硬件I2C接口，可以用來為系統設備提供SFP-MSA（SFP多源協議）要求的對外I2C。為了與PHY1076進行通信，本設計中用軟件模擬了一個I2C接口。單片機的主要工作內容包括：為功率控制提供溫度補償功能；為消光比提供自動控制功能；設置PHY1076的接收放大部分的一些工作參數；對PHY1076進行初始化；提供DDM功能和記錄產品信息。ATMEGE88與PHY1076的連接如圖4所示。

激光器的發光效率和閾值電流與環境溫度成反比，即當環境溫度升高時，激光器的發光效率會降低，閾值電流會升高。為了達到輸出光功率和消光比的穩定性，就要根據溫度變化來響應調節激光器的偏置電流和調制電流。

本設計中采用查表法來設置偏置和調制電流。具體就是建立兩個數據表，功率設置表和調制電流設置表，每個值對應一段溫度下的功率設置寄存器的值。如圖4所示。調制電流設置表為80個字節，每兩攝氏度占一個字節；功率設置表占用40個字節，每4攝氏度占用一個字節；溫度范圍都是-40~120℃，滿足工業溫度的要求。給單片機外接一個溫度傳感器。單片機通過ADC把溫度傳感器的送來的電壓轉換成溫度值，然后根據溫度查表，找到對應的數據，把數據分別送往PHY1076的功率設置寄存器和調制電流設置寄存器，調整激光器的偏置電流和調制電流，由此調整輸出光功率和消光比。

圖4 ATMEGA88與PHY1076連接圖

數據表的數值確定則使用測試的方法得出。在收發器的調試過程中，對樣品在每個溫度下的輸出眼圖進行測試，并修改對應溫度下的數據，使得光收發器的輸出光眼圖，光功率和消光比滿足要求。最后把這些數據保存到溫度查找表中，并同時保存到ATMEGA88內部的EEPROM中。收發器在實際的應用環境下，重新加電后，就先從EEPROM中把數據加載到RAM區，然后就可以在全溫度范圍內穩定平均輸出光功率和消光比。

3 設計結果及測試分析

本設計根據以上討論的方案，選擇PHY1076專用芯片和ATMEGA88單片機，外加適當的外圍電路設計電路板，把 TOSA、ROSA焊接到一起裝入定制外殼，實現了一款1.25Gbps的SFP光收發器。調試PHY1076內部寄存器是光收發器各項參數符合802.3z協議中對10km千兆以太網光接口的要求。并設計的上位機調試軟件對ATMEGA88的溫度查找表進行調試，確定了具體每個溫度下的值。由此完成了整個光收發器的設計工作。然后對光收發器在低溫，常溫，高溫三種環境下的所有參數進行測試。結果如表1所示。

表1 光收發器的參數測試結果

從表中可以看出。激光器的輸出光功率和消光比都在參數要求范圍內，且變化小。測試了各個溫度下的眼圖，發現光收發器在低溫，常溫，低溫下的性能都比較好。由于溫度變高時需要提供較大的調制電流達，因此信號的下沖比較明顯，表現在眼圖中就是在眼圖中的“0”信號出現輕微雙眼線。但總體上模板測試余量都大于40%。由此驗證了此設計方案的可行性和正確性。

4 總結展望

經過方案討論，硬件設計軟件設計和樣品調試、測試。最終成功設計了1.25GSFP單芯片SFP光收發器。此方案的特點是使用了單芯片方案和普通單片機進行控制。理論上能夠降低了產品的成本和提高生產效率。由于此方案是一個新的方案，技術成熟度有待提高，系統兼容性和市場應用的潛在問題有待驗證。加上用量的關系，其成本的優勢也體現不出很大的優勢。但是可以相信，隨著網絡速率的加快和光接入對成本的壓力，新技術會越來越完善，市場占有率也會越來越高，屆時成本優勢就會體現出來。

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TN913.7

A

1673-2219（2011）04-0034-03

2010－09－20

湖南科技學院科學研究項目，編號：09XKY TC011。

楊振南（1982－），男，湖南永州人，碩士，主要研究方向為高速光纖通信器件設計和嵌入系統設計。

（責任編校：何俊華）