CN203151516U - 多通道多速率波长转换器 - Google Patents

Abstract

多通道多速率波长转换器主要是由18个双通道多速率波长转换卡、一套18通道复用器/解复用器卡、二个监控器卡、专用机箱、冗余电源以及PC端监控软件所组成。多通道多速率波长转换器支持单纤18个通道多速率的波长转换应用（155Mbps/622Mbps/1.25Gbps/2.5Gbps）。本文所设计的多通道多速率波长转换器结构简单，性能稳定。核心业务板是双通道多速率波长转换卡，其特征是：双路2x2异步矩阵开关设计、采用STC12C5A60S2单片机的主控电路、采用交流耦合的电阻匹配电路、包含IIC及485总线电路的通信电路、通信控制软件设计。该系统集成数字/模拟接入、复用、传输、光转换功能于一身，采用模块化智能总线设计，可以充分利用现有光纤资源，保证未来业务的发展。同时，该设计以较低的成本享用波分复用技术，减少城域网建设中铺设光纤的费用，对政府、金融、能源、教育、军队、企事业单位等机构来说具有重要意义。

Description

多通道多速率波长转换器

技术领域

本技术发明主要面向对政府、金融、能源、教育、军队、企事业单位等机构的专网业务，多通道多速率波长转换器线路侧可提供18个不同的波长通道（1271nm---1611nm）的多速率155Mbps/622Mbps/1.25Gbps/2.5Gbps上行通道，用户侧可提供PDH、Ethernet、DWDM 、CWDM、FIBER CHANNEL等各种接入方式，灵活满足运营商各类大客户、中小商业客户多业务接入的需要。

背景技术

近年来，由于网络业务的飞速发展，城域网和中短距离传输网建设中普遍存在光纤资源紧张和传送业务种类多的问题。由于密集波分复用(DWDM)技术的巨大带宽和传输数据的透明性，人们自然希望能把DWDM作为城域网中的传输平台。在长途传输中，由于DWDM采用了EDFA(掺铒光纤放大器)将光信号直接放大，节省了大量的电中继设备，从而大大节约了成本。但由于EDFA 平坦增益带宽较窄和它本身某些增益特性的限制，人们不得不采用高波长稳定度的激光器和密集波分复用器和解复用器，并且在整个线路上进行光功率均衡；此外，由于电中继传输距离加长，对激光器的色散容限和啁啾特性也提出了很高的要求。这些技术的应用又提高了系统成本。而在城域网由于传输距离短(一般100km以内)，不需要使用放大器，增加一根光纤成本也不高，CWDM(Coarse WDM，稀疏波分复用)技术的低成本、大容量、应用灵活和易扩展等特性，为宽带城域网提供了全新的解决方案。

波长转换的作用是将从波分复用终端或其他设备来的光信号进行转换，将非匹配波长上的光信号转到符合要求的波长上，从而实现信号从一个波长向另一个波长的转换。在含有波长转换的网络中，光通道能通过在不同的链路上用不同的波长而建立，从而大大提高网络的灵活性，消除光通道的波长冲突，同时还有利于网络的运行、管理和维护。

发明内容

多通道多速率波长转换器主要是由18个双通道多速率波长转换卡、一套18通道复用器/解复用器卡、二个监控器卡、专用机箱、冗余电源以及PC端监控软件所组成。多通道多速率波长转换器支持单纤18个通道多速率的波长转换应用（155Mbps/622Mbps/1.25Gbps/2.5Gbps）。

本文所设计的多通道多速率波长转换器结构简单，性能稳定。该系统集成数字/模拟接入、复用、传输、光转换功能于一身，采用模块化智能总线设计，可以充分利用现有光纤资源，保证未来业务的发展。同时，该设计以较低的成本享用波分复用技术，减少城域网建设中铺设光纤的费用，对政府、金融、能源、教育、军队、企事业单位等机构来说具有重要意义。本文主要介绍多通道多速率波长转换器核心技术“双通道多速率波长转换卡”。

一、双通道多速率波长转换卡的设计方案

双通道多速率波长转换卡分A、B两个通道，每个通道均包括用户侧和线路侧两个光模块，用户侧光模块波长支持850/1310/1550nm，线路侧光模块波长支持

1271/1291/1311/1331/1351/1371/1391/1411/1431/1451/1471/1491/1511/1531/1551/1571/1591/1611nm。所支持光模块带宽为155Mbps/622Mbps/1.25Gbps/2.5Gbps，能满足各种业务的复用要求。双通道多速率波长转换卡拥有RS485通信接口，可通过该接口将自身所有光模块的实时工作参数发送给监控器；并且波长转换卡的工作模式可按实际工作情况，由监控器设置为回环模式或正常工作模式，另外线路侧光模块的发射器也可由监控器控制开启/关断。

双通道多速率波长转换卡硬件部分包括双路2 x 2异步矩阵开关、SFP（Small Form-factor Pluggables）光纤收发器、主控器、电阻匹配网络、通信电路和LED显示电路等。双通道多速率波长转换卡设计方案如下图所示：

二、双通道多速率波长转换卡的硬件设计

 2.1双路2 x 2异步矩阵开关

SY55859L是一款双路2 x 2异步矩阵开关，适用于SDH/SONET DWDM及其它需要串行数据流环回和保护通道开关的高速数据切换系统。宽频带、全差分信号通路使累积抖动、串扰及信号偏斜最小。每路2 x 2矩阵开关能够扇出和/或复用高达2.7Gbps的数据和2.7GHz时钟信号。所有输入和输出与电流模式逻辑(CML)兼容，易于与交流耦合LVPECL信号连接。不使用时，每个CML输出级可通过使能控制引脚关断，以节省功率。所有输出处于使能状态时，典型功耗为460毫瓦。

2.2 SFP光纤收发器

该双通道多速率波长转换卡使用的光纤收发器均为SFP封装，SFP光纤收发器与9针光收发器相比，具有支持热插拔、拥有实时诊断信息的优点。目前大多数的SFP光纤收发器都支持SFF-8472(工业标准多边协议)，根据SFF-8472协议，必须支持数字诊断监测（DDM, Digital Diagnostic Monitor）功能，此特征使得最终用户能够实时检测SFP参数，例如基本的5大监控量：温度(Temperature)、收发器供电电压(Vcc)、激光偏置电流(Tx Bias Current)、光输出功率(Tx Power)、输入功率(Rx Power)。光收发器SFP的信息存储在SFP内部的EEPROM里，该信息可通过单片机与SFP之间的I2C总线接口进行读取。可以在设备老化、失效之前发现潜在的问题，给产品日后的升级和维护都带来了便利。

2.3 主控器

双通道多速率波长转换卡的主控电路由STC12C5A60S2单片机构成，STC12C5A60S2单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。STC12C5A60S2通过控制SY55859L的SELA0、SELA1、SELB0、SELB1四个引脚来改变SY55859L的工作方式，实现双通道多速率波长转换卡是工作在正常模式还是LOOPBACK模式。此外，由于所用光纤收发器为SFP封装，可以通过IIC总线来读取其实时工作参数，比如光纤收发器工作温度、光信号的发射及接收功率等影响整个通信稳定性的参数指标。双通道多速率波长转换卡由于具有4个SFP光纤收发器，因此必须对这些光收发器的工作状况进行实时监控。

2.4电阻匹配电路

由于SFP光纤收发器的接口标准为PECL电平，而SY55859L的接口标准为CML电平，所以需要设计高速逻辑电平的互联电路。与TTL、CMOS电平互联一样，高速电平互联，首先需要考虑的是电平的大小及摆幅是否兼容，若不兼容则需通过电阻网络实现电平的转换。

逻辑电平之间的互联有两种办法。一种是直流耦合（DC Couple），即发送端和接收端直接连接，适于共模噪声小的场合。一种是交流耦合（AC Couple），即发送端和接收端之间通过电容（在共模噪声特别大的情况下，应使用变压器）隔离，只传送交流信号，交流耦合有以下几个优点：其一，解决了发送端和接收端之间可能存在的地平面电位差异的问题；其二，隔离信号线路上的共模噪声；其三，解决了发送端和接收端之间可能存在的直流偏置电平不同的问题。

由于LVPECL和CML的共模偏置电平不同，直流耦合电路复杂，不适于高速应用，因此LVPECL到CML的连接、以及CML到LVPECL的连接一般都采用交流耦合。

2.4.1 LVPECL-CML的交流耦合

                

如上图所示，LVPECL-CML的交流耦合应满足以下要求：

(1) LVPECL输出端的共模电平为Vcc-1.3V，且输出端输出直流电流14mA。交流耦合时，直流通路被阻断，因此需利用R1及R1以保证稳定的共模电平及提供14mA电流的直流回路。

(2) 电平摆幅的匹配。LVPECL输出摆幅VOD较大，为保护CML输入端口，应串电阻R2以衰减差分对信号。例如，LVPECL的输出摆幅VOD为800mV，而CML输入摆幅的最低要求为400mV，一般而言，应将LVPECL的输出摆幅衰减三分之一，则应满足式（2）[式（2）中，50Ω指单端对GND的阻抗值]：

当R1取150Ω时，可得R2=25Ω。R2’与R2的计算方法一致，不再赘述。

2.4.2 CML-LVPECL的交流耦合

如上图所示，CML-LVPECL的交流耦合应满足以下要求：

(1)在LVPECL接收端，由R1、R2及R1’、R2’组成的分压网络，其作用除了提供

-2V的偏置电平以外，还可以提供50Ω的端接电阻。因此，R1和R2应满足以下两个公式：

当

=3.3V时，R1=130Ω，R2=82Ω。

(2)电平摆幅的匹配。当CML器件的输出摆幅VOD较大时，为保护LVPECL输入端，可在差分对信号线上串联电阻，以衰减差分对信号。

2.5通信电路

在双通道多速率波长转换卡的单板上，其通信电路主要包括板内通信和板间通信两个部分，板内通信是指单片机和4个SFP光纤收发器内的EEPROM通过IIC总线进行通信。板间通信是指在同一个机箱内，双通道多速率波长转换卡和监控器通过485总线进行通信。

2.5.1 IIC总线电路

设计方案为4个EEPROM的时钟线均接在单片机的P1.0口，4个EEPROM的数据线分别接在单片机的P1.1~P1.4口，采用5个IO口实现共用同一个时钟，模拟4条独立IIC总线的设计方案。这样设计有三个原因，一是因为4个SFP光纤收发器中的EEPROM的器件地址相同且无法修改，无法挂接在同一条IIC总线上；二是因为STC12C5A60S2没有IIC总线控制器；三是可以最大限度的降低系统的复杂度。

双通道多速率波长转换卡上电之后单片机将通过I2C总线循环读取4个SFP光收发器EEPROM中的信息，等待监控器对其进行轮询。收到监控器发来的轮询指令后，将其发送回监控器。

2.5.2 485总线电路

因为双通道多速率波长转换卡和监控器的信息传输为板间传输，且一个监控器要同时监控最多4个双通道多速率波长转换卡，所以传输方式采用485总线。485总线接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，抗噪声干扰性好。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。但一个RS485接口的两根传输线只能组成的半双工网络，为了实现监控器和双通道多速率波长转换卡的全双工通信，我们使用两片MAX485芯片，一片只用于发送，另一片只用于接收。

三、双通道多速率波长转换卡的软件设计

使用C语言在Keil 4开发环境上编写了双通道多速率波长转换卡的软件，采用了模块化的设计思想，其实现的功能包括：系统配置初始化、控制SY55859L的工作模式、通过I2C总线来读取4个SFP光纤收发器的实时工作参数、以及通过485总线接口与监控器进行通信。

3.1系统配置初始化

双通道多速率波长转换卡上电时，单片机将先完成自身的串口配置，配置参数为波特率9600，8位数据位，1位停止位，无校验位。然后从EEPROM的0x00地址处读取上次断电时双通道多速率波长转换卡的工作状态代码，由状态代码改变单片机P2.0~P2.3的电平状态，使SY55859L的工作模式与上次断电时的相同。

3.2 SY55859L工作模式控制

SY55859L芯片使用简单，无需外围工作电路，只需将SELA0、SELA1、SELB0、SELB1四个引脚与单片机的P2.0~P2.3相连即可。只要改变单片机P2.0~P2.3的电平状态就可以实现双通道多速率波长转换卡的任一通道，在正常模式或LOOPBACK模式下进行工作。

3.3 IO口模拟I2C时序

I2C总线是Philips公司提出的一种集成电路IC器件之间相连接的总线协议，其目的是使电子系统各个IC器件之间的连线变得容易。SFP光纤收发器中的EEPROM是采用I2C接口的一种常用2Kbit（256×8bit）的存储器。51系列单片机本身没有I2C接口，所以我们就使用软件通过单片机的IO口参照I2C协议来模拟实现I2C总线通信。要读取的信息包括器件地址A0中存储地址20-35、40-45、60-61的数据，以及器件地址A2中存储地址96-97、102-103的数据。

四、监控器卡的系统功能

4.1、身份验证

4.2、机框卡槽工作状态显示

4.3、电源工作状态显示

4.4、风扇工作状态的控制和显示

4.5、单板工作状态显示

4.6、网管卡本身的工作状态设置，如：登陆账号和密码的设置及修改、本机IP设置。 

Claims (3)

1.多通道多速率波长转换器由6个部分组成：（1）CWDM粗波分复用卡（2）双通道多速率波长转换卡（3）监控器卡（4）散热风扇（5）冗余电源模块（6）机箱。

2.根据权利要求1所述的多通道多速率波长转换器，其特征是：接收的光传输信号首先经由CWDM粗波分复用业务子卡划分出18个不同的波长通道（1271nm---1611nm），接入至双通道多速率波长转换业务子卡通过波长转换器再连接各种用户应用850/1310/1550nm, 可支持155Mbps/622Mbps/1.25Gbps/2.5Gbps。

3.根据权利要求1所述的双通道多速率波长转换卡，其特征是：双路2 x 2异步矩阵开关设计、采用STC12C5A60S2单片机的主控电路、采用交流耦合的电阻匹配电路、包含IIC及485总线电路的通信电路、通信控制软件设计。

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