文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)10-0086-03
中文引用格式：張燕,劉祥樓,何學蘭.基于FPGA的光電信號轉換系統的設計[J].電子技術應用,2014,40(10):86-88.
0 引言
網絡傳輸的媒介以傳輸電信號的以太網媒介為主體，但是光纖、塑料光纖等新型高帶寬、無串擾傳輸媒介將取而代之。在光纖媒介中所傳輸的信號為光信號，無法直接進行信號處理，需要對光信號進行轉換來順利實現所傳信號的處理工作，從而保證光纖和其他電信號傳輸媒介之間相互通信的順暢[1]。
隨著光纖信號與電信號（以太網）的通信數據量的增大，傳統的單片機在速度上以及芯片封裝大小上已經跟不上時代以及產品更新換代的需求。而現場可編程門陣列FPGA 具有編程方便、集成度高、速度快、可在線重新配置等優點，因而用其實現各種信號處理的算法己經成為電子設計人員解決實際問題的一種方法[2-3]。本文提出一種基于FPGA來實現光信號與電信號轉換系統的設計。
1 系統的原理與設計
FPGA光電信號轉換系統由軟件平臺和硬件平臺共同組建，而硬件平臺是本文主要介紹部分，用電子設計軟件進行PCB擴展板設計和加工以及調試，成功搭建起硬件平臺，并結合軟件平臺進行最終調試和測試。光電系統整體如圖1所示。
系統整體是以以太網電信號為接口與PC連接，通過光纖進行高速通信，本文所研究的是以太網電信號與光纖信號的相互轉換。
1.1 光電信號接口處理
由于光信號和電信號傳送數據時所用的格式不同，速率不同，所以選擇相應的芯片來設計對應的接口電路使其能夠成功傳送，采用OSI模型，設計其中的物理層和數據鏈層[4]。使用FPGA開發板和自制的PCB擴展版來實現系統設計，光電信號轉換接口如圖2所示。
各主要模塊作用：
(1)SFP光模塊：該模塊的作用為將在光纖中所傳輸的串行光信號變成串行電信號（實現光電信號的轉換），送至PHY模塊中進行信息處理。
(2)以太網接口：該模塊的作用是接收雙絞線上所傳輸的串行電信號并送入PHY芯片中進行處理。
(3)PHY芯片：該芯片是一種物理接口收發器，實現以太網中底層的物理層，主要作用是數據傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態、時鐘基準、數據編碼和電路等，并向上層提供標準接口（TSE_MII），保證信息的正確通信。
(4)NIOSII：其作用為將PHY芯片傳送過來的信息進行處理然后再反饋回PHY芯片，經以太網或者SFP光模塊轉發至目標地址處。
1.2 以太網接口處理
為了讓以太網信號更穩定，加入PT163020芯片來隔離以太網芯片和物理層芯片，芯片原理圖如圖3所示。由于是高頻信號，所以PT163020的走線需要特別留心，抗干擾的電阻電容要盡量貼近芯片周圍，對PT163020的信號線走線距離不要超過13 mm。應該盡量避免過孔及電源線或地線從該走線區域通過[5]。RJ45口與PT163020的走線也是如此的要求，由于RJ45口及PT163020的走線密集，不妨考慮將部分小量電阻電容放到PCB板背面，由小量過孔進行相連。原理圖接口處理見圖4，小電阻起隔離作用，引腳2和引腳7為2.5 V電壓供電。
1.3 SFP光模塊接口處理
光模塊作用是將在光纖中所傳輸的串行光信號變成串行電信號，即實現光電信號的轉換，并送至PHY模塊中進行信息處理。根據數據手冊上引腳原理圖與PHY的引腳相接。光模塊接口處理如圖5所示。
1.4 PHY物理模塊接口處理
物理層主要作用是數據傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態、時鐘基準、數據編碼和電路等，并向上層提供標準接口（TSE_MII），保證信息的正確通信，本文采用KS8721芯片。PHY物理模塊接口原理圖如圖6所示。
2 光電信號轉換系統的測試分析
將制好的光電信號轉換系統與FPGA開發板連接，進行系統的測試。將跳線短接，發光二極管全亮，經過測量電壓，電壓3.3 V和電壓2.5 V正常。測量KS8721晶振，示波器波形如圖7所示。
示波器掃描周期為20 μs，晶振起震，振蕩周期為40 μs，得出晶振頻率f=1/40 μs=25 MHz，與實際值相等，說明設計的光電轉換系統很好地實現了信號的轉換。
3 結論
本文論述了基于FPGA光電信號系統的研究與設計，對以太網接口處理、SPF光模塊接口處理、PHY物理模塊接口處理的原理以及硬件的設計進行了詳細的闡述，對設計的FPGA光電信號系統進行聯機測試。發光二極管能正常地顯示，晶振的頻率與實際相符，說明該系統實現了光電信號之間的轉換，能保持通信順暢。
參考文獻
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