基于FPGA的光电信号转换系统的设计*

张 燕 ，刘祥楼 ，何学兰

(1.包头轻工职业技术学院 自动化系，内蒙古 包头 014030；2.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；3.东北石油大学 黑龙江省高校校企业共建测试计量技术及仪器仪表研发中心，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

网络传输的媒介以传输电信号的以太网媒介为主体，但是光纤、塑料光纤等新型高带宽、无串扰传输媒介将取而代之。在光纤媒介中所传输的信号为光信号，无法直接进行信号处理，需要对光信号进行转换来顺利实现所传信号的处理工作，从而保证光纤和其他电信号传输媒介之间相互通信的顺畅[1]。

随着光纤信号与电信号（以太网）的通信数据量的增大，传统的单片机在速度上以及芯片封装大小上已经跟不上时代以及产品更新换代的需求。而现场可编程门阵列FPGA具有编程方便、集成度高、速度快、可在线重新配置等优点，因而用其实现各种信号处理的算法己经成为电子设计人员解决实际问题的一种方法[2-3]。本文提出一种基于FPGA来实现光信号与电信号转换系统的设计。

1 系统的原理与设计

FPGA光电信号转换系统由软件平台和硬件平台共同组建，而硬件平台是本文主要介绍部分，用电子设计软件进行PCB扩展板设计和加工以及调试，成功搭建起硬件平台，并结合软件平台进行最终调试和测试。光电系统整体如图1所示。

图1 光电系统整体框架

系统整体是以以太网电信号为接口与PC连接，通过光纤进行高速通信，本文所研究的是以太网电信号与光纤信号的相互转换。

1.1 光电信号接口处理

由于光信号和电信号传送数据时所用的格式不同，速率不同，所以选择相应的芯片来设计对应的接口电路使其能够成功传送，采用OSI模型，设计其中的物理层和数据链层[4]。使用FPGA开发板和自制的PCB扩展版来实现系统设计，光电信号转换接口如图2所示。

各主要模块作用：

(1)SFP光模块：该模块的作用为将在光纤中所传输的串行光信号变成串行电信号（实现光电信号的转换），送至PHY模块中进行信息处理。

(2)以太网接口：该模块的作用是接收双绞线上所传输的串行电信号并送入PHY芯片中进行处理。

(3)PHY芯片：该芯片是一种物理接口收发器，实现以太网中底层的物理层，主要作用是数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向上层提供标准接口（TSE_MII），保证信息的正确通信。

(4)NIOSII：其作用为将PHY芯片传送过来的信息进行处理然后再反馈回PHY芯片，经以太网或者SFP光模块转发至目标地址处。

图2 光电信号转换接口

1.2 以太网接口处理

为了让以太网信号更稳定，加入PT163020芯片来隔离以太网芯片和物理层芯片，芯片原理图如图3所示。由于是高频信号，所以PT163020的走线需要特别留心，抗干扰的电阻电容要尽量贴近芯片周围，对PT163020的信号线走线距离不要超过13 mm。应该尽量避免过孔及电源线或地线从该走线区域通过[5]。RJ45口与PT163020的走线也是如此的要求，由于RJ45口及PT163020的走线密集，不妨考虑将部分小量电阻电容放到PCB板背面，由小量过孔进行相连。原理图接口处理见图4，小电阻起隔离作用，引脚2和引脚7为2.5 V电压供电。

图3 网络变压器高度集成芯片原理图

图4 以太网接口原理图

1.3 SFP光模块接口处理

光模块作用是将在光纤中所传输的串行光信号变成串行电信号，即实现光电信号的转换，并送至PHY模块中进行信息处理。根据数据手册上引脚原理图与PHY的引脚相接。光模块接口处理如图5所示。

1.4 PHY物理模块接口处理

物理层主要作用是数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向上层提供标准接口（TSE_MII），保证信息的正确通信，本文采用KS8721芯片。PHY物理模块接口原理图如图6所示。

图5 SFP光模块接口处理

2 光电信号转换系统的测试分析

图6 PHY物理模块接口处理

将制好的光电信号转换系统与FPGA开发板连接，进行系统的测试。将跳线短接，发光二极管全亮，经过测量电压，电压3.3 V和电压2.5 V正常。测量KS8721晶振，示波器波形如图7所示。

图7 测试波形

示波器扫描周期为20μs，晶振起震，振荡周期为40μs，得出晶振频率 f=1/40μs=25 MHz，与实际值相等，说明设计的光电转换系统很好地实现了信号的转换。

3 结论

本文论述了基于FPGA光电信号系统的研究与设计，对以太网接口处理、SPF光模块接口处理、PHY物理模块接口处理的原理以及硬件的设计进行了详细的阐述，对设计的FPGA光电信号系统进行联机测试。发光二极管能正常地显示，晶振的频率与实际相符，说明该系统实现了光电信号之间的转换，能保持通信顺畅。

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[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.

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