基于千兆以太網的基帶光纖拉遠設計

徐曉明，趙清瀟

（山東泉清通信有限責任公司 山東 濟南 250101）

基帶光纖拉遠是將數字微波接力系統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，而且傳輸的是基帶數字信號，因此傳輸距離一般可達幾km以上。基帶光纖拉遠避免了系統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，可以依據周邊環境特點，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完成數字微波接力系統基帶光纖拉遠的接口設計方案，解決了基帶光纖拉遠接口設計復雜、難以實現的問題。

1 88E1111簡介[1]

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 10/100/1 000 BaseT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0.75 W，且支持自動降功耗功能。

1.2 88E1111的接口

1）GMII接口 88E1111與MAC層之間的數據接口見表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為數據信號，同步于MDC。數據流中出現“01”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、寄存器數據。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。Configuration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1000BaseX、全雙工工作模式配置映射關系如表2所示。

表1 GMII接口描述

表2 配置接口映射關系

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±為串行數據輸入、S_OUT±為串行數據輸出、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00H～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。

表3 控制寄存器描述

2 方案設計

圖1 基帶光纖拉遠接口方案框圖

根據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完成數字微波接力系統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。發方向，室內單元業務碼流輸入FPGA復分解器，完成業務數據打包，封裝成符合IEEE802.3標準的數據幀結構，通過GMII接口發送到88E1111，由88E1111完成數據并串轉換，通過高速串行信號接口將信號發送到1.25 G光收發器，完成電光轉換后向室外單元發送1.25 G光信號。室外單元1.25 G光收發器接收光信號，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88E1111完成數據串并轉換，通過GMII接口將并行數據發送到FPGA調制解調器，完成數據解幀、調制后，通過中頻射頻單元向空中發送無線射頻信號。收方向為發方向的逆向流程。

3 硬件設計

圖2所示是1.25 G光收發器SSFF3151的電路原理圖，其收發引腳RD±、TD±分別連接到88E1111的高速串行信號接口S_IN±、S_OUT±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 MDIO、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；XTAL1引腳輸入125 MHz時鐘信號，頻率穩定度±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。

圖2 光收發器原理圖

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

圖3 88E1111電路原理圖

4 設計中應注意的問題

4.1 電氣接口匹配[2-4]

88E1111的高速串行信號接口為CML接口，光收發器的信號接口為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，發送端在LVPECL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 142～200 Ω。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接口數據速率達到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]、GTX_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，接口數據傳輸速率可達800 Mb/s；在單模光纖傳輸時，傳輸距離可達20 km，完全達到數字微波接力系統的設計要求[5－6]。本方案已在多個數字微波接力產品中得到應用，具有設計簡單、性能穩定的優點。相比傳統的方案有以下2個創新點：1）傳輸數據采用符合IEEE802.3協議的數據幀結構，接口標準、可靠；2）采用光纖作為傳輸介質，避免了系統的室內外單元之間饋線連接的不便，大大降低了系統成本和設備開通的難度。

[1]Marvell Inc.88E1111 Datasheet[DB/OL].（2007）[2009－11－10].http://www.marvell.com//files/products/transceivers/alaska_gigabit/Alaska_88E1111－002.pdf.

[2]National Inc.Interface products selection guide[DB/OL].（2006）[2009－11－10].http://www.national.com/appinfo/lvds/files/interface_selguide.pdf.

[3]Maxim公司.LVDS、PECL和CML介紹[DB/OL].（2008）[2009－11－10].http://www.maxim－ic.com.cn/pdfserv/cn/an/AN291C.pdf.

[4]TI公司.Interfacing Between LVPECL，VML，CML，and LVDS Levels[DB/OL]. （2002）[2009－11－10].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/an/slla120/slla120.pdf.

[5]通信世界網.3G數字基站射頻拉遠CPRI規范的實現[EB/OL].（2009－02－12）[2009－03－20].http://www.cww.net.cn/tech/html/2009/2/12/2009212832512260.htm.

[6]姚彥，梅順良，高葆新，等.數字微波中繼通信工程[M].北京：人民郵電出版社，1990.