【光电通信】光纤收发器原理技术详解

2021-03-15 11:30:12 0

今日光电

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本文详细对光纤收发器原理进行讲解,分析了光纤收发器的发展趋势以及如何采购光纤收发器,下面进行阐述:

首先什么是光纤收发器

  光纤收发器是一种将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元,在很多地方也被称之为光电转换器。企业在进行信息化基础建设时,通常更多地关注路由器、交换机乃至网卡等用于节点数据交换的网络设备,却往往忽略介质转换这种非网络核心但必不可少的设备。特别是在一些要求信息化程度高、数据流量较大的政府机构和企业,网络建设时需要直接上连到以光纤为传输介质的骨干网,而企业内部局域网的传输介质一般为铜线,确保数据包在不同网络间顺畅传输的介质转换设备成为必需品。

  目前国外和国内生产光纤收发器的厂商很多,产品线也极为丰富。为了保证与其他厂家的网卡、中继器、集线器和交换机等网络设备的完全兼容,光纤收发器产品必须严格符合IEEE802.3以太网标准,除此之外,在EMC防电磁辐射方面应符合FCC 及CE的相关规定,如烽火网络公司的光纤收发器已经通过FCC及CE认证。时下由于国内各大运营商正在大力建设小区网、校园网和企业网,因此光纤收发器产品的用量也在不断提高,以更好地满足接入网的建设需要。

  随着信息化建设的突飞猛进,人们对于数据、语音、图像等多媒体通信的需求日益旺盛,以太网宽带接入方式因此被提到了越来越重要的位置。但是传统的5类线电缆只能将以太网电信号传输100米,在传输距离和覆盖范围方面已不能适应实际网络环境的需要。与此同时,光纤通信以其信息容量大、保密性好、重量轻、体积小、无中继、传输距离长等优点在广域网等大型网络中得到了广泛的应用。

  在一些规模较大的企业,网络建设时直接使用光纤为传输介质建立骨干网,而内部局域网的传输介质一般为铜线,如何实现局域网同光纤主干网相连呢?这就需要在不同端口、不同线形、不同光纤间进行转换并保证链接质量。光纤收发器的出现,将双绞线电信号和光信号进行相互转换,确保了数据包在两个网络间顺畅传输。同时它将网络的传输距离极限从铜线的100米扩展到100多公里(单模光纤)。

光纤收发器的结构

  光纤收发器包括三个基本功能模块:光电介质转换芯片、光信号接口(光收发一体模块)和电信号接口(RJ45),如果配备网管功能则还包括网管信息处理单元。

光纤收发器的发展

  随着对网络容量的需求急剧增大,运营商对对网络管理的需求不断增加,以太网传输速度的不断升级,光收发器种类和复杂程度都在以惊人的速度发展。

  由于光纤技术成本下降和容量要求的提高,众多电信公司、地方政府、甚至大的企业集团已经开始将光纤技术应用于城市区域网络(MAN)应用。因此,曾一度局限于远距离和高端骨干网络的光纤链接技术现已遍及网络设施的每一角落。但是,光纤链路应用数量的急速增加也导致了品种繁多,有时甚至互相矛盾的光纤收发器。

光纤收发器元器件的选择

  在以太网光纤收发器设计中,元器件的选择举足轻重,它决定了产品的性能、寿命和成本。光电介质转换芯片(OEMC)是整个收发器的核心。选择介质转换芯片是以太网光纤收发器设计的第一步,也是非常重要的一步。它的选择直接影响和决定了其它元器件的选择。

光电介质转换芯片的主要性能指标有:

1. 网管功能

  网络管理是网络可靠性的保证,是提高网络效益的方式,网络管理的运行、管理、维护等功能可以大大增加网络的可用时间,提高网络的利用率、网络性能、服务质量、安全性和经济效益。但研制有网管功能的以太网光纤收发器所需的人力、物力远远超过无网管的同类产品,主要表现在:

  (1) 硬件投资。以太网光纤收发器网管功能的实现需要在收发器电路板上配置网管信息处理单元来处理网管信息,该单元利用介质转换芯片的管理接口获取管理信息。管理信息与网路上的普通数据共用数据通道。带网管功能的以太网光纤收发器,元器件种类及数量多于无网管的同类产品,相应地,布线复杂,开发周期长。烽火网络公司长期致力于光纤收发器产品的开发,为了优化产品的设计,使产品更加稳定,增强产品功能,自主开发了光纤收发器介质转换芯片,使产品的集成度更高,有效地减少了因多种芯片之间协同工作所造成的不稳定因素。新开发的芯片具有光纤线路质量在线测试、故障定位、ACL等很多实用性很强的功能,既能有效的保护用户投资,又能将极大地减少用户的维护成本。

  (2) 软件投资。有网管功能以太网光纤收发器的研发工作除了硬件布线外,软件编程更为重要。网管软件的开发工作量较大,包括图形化用户接口部分、网管模块嵌入式系统部分、收发器电路板上网管信息处理单元部分。其中网管模块嵌入式系统尤为复杂,研发门槛较高,需要使用嵌入式操作系统,如VxWorks,linux等。需要完成SNMP代理,telnet、web等复杂软件工作。

  (3) 调试工作。有网管功能以太网光纤收发器的调试工作包括两部分:软件调试和硬件调试。在调试过程中,电路板布线、元器件性能、元器件焊接、PCB板质量、环境条件以及软件编程中的任一因素都会影响以太网光纤收发器的性能。调试人员必须具备综合素质,全面考虑收发器出现故障的各种因素。

  (4) 人员的投入。普通以太网光纤收发器的设计只需一个硬件工程师便可完成。有网管功能的以太网光纤收发器的设计工作除了需要硬件工程师完成电路板布线外,还需要众多软件工程师完成网络管理的编程,而且要求软硬件设计者密切配合。

2. 兼容性

  OEMC应支持IEEE802、CISCO ISL等常用网络通信标准,以保证以太网光纤收发器有良好的兼容性。

3. 环境要求

  a. 输入输出电压。OEMC的工作电压多为5伏或3.3伏,但以太网光纤收发器上另一个重要的器件——光收发一体模块的工作电压绝大多数为5伏。若两者工作电压不一致,则会增加PCB板布线的复杂程度。

  b. 工作温度。在选择OEMC的工作温度时,开发人员需从最不利的条件出发并留有余地,比如夏天最高气温达40℃,而以太网光纤收发器机箱内部因为各种元器件尤其是OEMC发热。因此,以太网光纤收发器工作温度的上限指标一般不应低于50℃。

光纤收发器的分类

 随着光纤收发器产品的多样化发展,其分类方法也各异,但各种分类方法之间又有着一定的关联。

按速率来分

  可以分为单10M、100M、1000M的光纤收发器、10/100M自适应、10/100/1000M自适应的光纤收发器。其中多数单10M、100M和1000M的收发器产品工作在物理层,在这一层工作的收发器产品是按位来转发数据。

  该转发方式具有转发速度快、时延低等方面的优势,适合应用于速率固定的链路上。而10/100M、10/100/1000M光纤收发器是工作在数据链路层,使用存储转发的机制,这样转发机制对接收到的每一个数据包都要读取它的源MAC地址、目的MAC地址和数据净荷,并在完成CRC循环冗余校验以后才将该数据包转发出去。

  存储转发的好处一来可以防止一些错误的帧在网络中传播,占用宝贵的网络资源,同时还可以很好地防止由于网络拥塞造成的数据包丢失,当数据链路饱和时存储转发可以将无法转发的数据先放在收发器的缓存中,等待网络空闲时再进行转发。这样既减少了数据冲突的可能又保证了数据传输的可靠性,因此10/100M、10/100/1000M的光纤收发器适合于工作在速率不固定的链路上。

按工作方式来分

  如上所述,可以分为工作在物理层的光纤收发器和工作在数据链路层的光纤收发器。

按结构来分

  可以分为桌面式(独立式)光纤收发器和机架式光纤收发器。桌面式光纤收发

器适合于单个用户使用,如满足楼道中单台交换机的上联。机架式光纤收发器适用于多用户的汇聚,如小区的中心机房必须满足小区内所有交换机的上联,使用机架便于实现对所有模块型光纤收发器的统一管理和统一供电,烽火网络的光纤收发器机架为16槽产品,即一个机架中最多可加插16个模块式光纤收发器。

按光纤来分

  可以分为多模光纤收发器和单模光纤收发器。由于使用的光纤不同,收发器所能传输的距离也不一样,多模收发器一般的传输距离在2公里到5公里之间,而单模收发器覆盖的范围可以从20公里至120公里。需要指出的是因传输距离的不同,光纤收发器本身的发射功率、接收灵敏度和使用波长也会不一样。如5公里光纤收发器的发射功率一般在-20~-14db之间,接收灵敏度为-30db,使用1310nm的波长;而120公里光纤收发器的发射功率多在-3~0dB之间,接收灵敏度小于-36dB,使用1550nm的波长。

按光纤数量来分

  可以分为单纤光纤收发器和双纤光纤收发器。顾名思义,单纤设备可以节省一半的光纤,即在一根光纤上实现数据的接收和发送,在光纤资源紧张的地方十分适用。这类产品采用了波分复用的技术,使用的波长多为1310nm和1550nm。随着单纤光纤收发器使用的不断增多,产品已经成熟稳定。

按电源来分

  可以分为内置电源和外置电源两种。其中内置开关电源为电信级电源,而外置变压器电源多使用在民用设备上。前者的优势在于能支持超宽的电源电压,更好地实现稳压、滤波和设备电源保护,减少机械式接触造成的外置故障点;后者的优势在于设备体积小巧和价格便宜。

  另外从设备供电电压类型来分,有交流220V、110V、60V;直流-48V、24V等。

按网管来分

  可以分为网管型光纤收发器和非网管型光纤收发器。随着网络向着可运营可管理的方向发展,大多数运营商都希望自己网络中的所有设备均能做到可远程网管的程度,光纤收发器产品与交换机、路由器一样也逐步向这个方向发展。对于可网管的光纤收发器还可以细分为局端可网管和用户端可网管。局端可网管的光纤收发器主要是机架式产品,多采用主从式的管理结构,即一个主网管模块可串联N个从网管模块,每个从网管模块定期轮询它所在子架上所有光纤收发器的状态信息,向主网管模块提交。主网管模块一方面需要轮询自己机架上的网管信息,另一方面还需收集所有从子架上的信息,然后汇总并提交给网管服务器。如烽火网络公司所提供的OL200系列网管型光纤收发器产品支持1(主)+9(从)的网管结构,一次性最多可管理150(局端可管理收发器模块)+150(用户端可管理收发器)台光纤收发器。  

用户端网管主要可以分为三种方式:

  第一种是局端的光纤收发器可以检测到光口上的光功率,因此当光路上出现问题时可根据光功率来判断是光纤上的问题还是用户端设备的故障;

  第二种是在局端和客户端设备之间运行特定的协议,协议负责向局端发送客户端的状态信息,通过局端设备的CPU来处理这些状态信息,并提交给网管服务器,同时局端设备还可以实现对客户端设备的远程配置和远程重启;

  第三种是在用户端的光纤收发器上加装主控CPU,这样网管系统一方面可以监控到用户端设备的工作状态,另外也可以实现远程配置和远程重启。在这三种用户端网管方式中,第一种严格来说只是对用户端设备进行远程监控,而第二和第三种可以做到真正的远程网管。

  烽火网络光纤收发器对用户端的网管同时采用了第二和第三种方式,由于采用自主开发的芯片,集成度更高,使远端管理更加方便。网管系统是基于SNMP网络协议上开发的,支持包括Web、Telnet、CLI等多种管理方式。管理内容多包括配置光纤收发器的工作模式,监视光纤收发器的模块类型、工作状态、机箱温度、电源状态、输出电压等等。随着运营商对设备网管的需求愈来愈多,相信光纤收发器的网管将更加实用和智能。

光纤收发器应用范围

  本质上光纤收发器只是完成不同介质间的数据转换,可以实现0-120Km内两台交换机或计算机之间的连接,但实际应用却有着更多的扩展。

  1、 实现交换机之间的互联。

  2、 实现交换机和计算机之间的互联。

  3、 实现计算机之间的互联。

  4、 传输中继:当实际传输距离超过收发器的标称传输距离,特 别是实际传输距离超过120Km的时候,在现场条件允许的情况下,采用2台收发器背对背进行中继或采用光-光转换器进行中继,是一种很经济有效的解决方案。

  5、 单多模转换:当网络间出现需要单多模光纤连接时,可以用1台多模收发器和1台单模收发器背对背连接,解决了单多模光纤转换的问题。

  6、 波分复用传输:当长距离光缆资源不足,为了提高光缆的使用率,降低造价,可将收发器和波分复用器配合使用,让两路信息在同一对光纤上传输。

光纤收发器选购原则

  在实际的采购中,企业考虑的一个重要的因素是价格,特别是中小型的企业和SOHO办公。我们认为,几百元的产品足以满足一般的企业的需求了,除非是特殊的行业,例如电信、军事等。当然,除价格外同时还必须考虑

产品与周边环境相容性的配合及产品本身的稳定性、可靠性,否则价格再低,买了也没有用。为了使大家能挑到好的产品,把一些采购要点罗列如下:

  (1)看看它本身是否可支持全双工及半双工,因为市面上有些芯片,目前只能使用全双工环境,无法支持半双工,若接至其他品牌的交换机(N-Way Switch)或集线器(HUB),其又使用半双工模式,则一定会造成严重的冲撞及丢包。

  (2)看看它是否与其他光纤接头做过连接测试,目前市面上的光纤收发器收发器愈来愈多,如不同品牌的收发器相互的兼容性事前没做过测试则也会产生丢包、传输时间过长、忽快忽慢等现象。

  (3)看看它有否防范丢包的安全装置,因为很多厂商在制作光纤收发器时,为了减低成本,往往采用寄存器(Register)数据传输模式,这种方式最大的缺点,就是数据传输时会不稳,造成丢包,而最佳的方式就是采用缓冲线路设计,可安全避免数据丢包。

  (4)看看产品是否有做温度测试,因为光纤收发器本身使用时会产生高热,再加上其安装的环境通常在户外,故温度过高时(不能大于50°C),光纤收发器是否可正常运作,是用户非常重要考虑的因素!允许的最高工作温度是多少?对于一给需要长期运行的设备此项非常值得我们关注!

  (5)看看产品是否有符合IEEE802.3标准?光纤收发器如符合IEEE802.3标准,如果不符合该标准,那么肯定会存在兼容性的问题。

  (6)衡量一下厂家的售后服务,试想一下,如果你的设备坏了,厂家几天都没有解决问题,你的损失是多少啊?所以为了使售后服务能及时及早的响应,建议大家选择当地区具有实力雄厚、技术力量高超、信誉良好的专业公司。也只有专业公司的技术工程师排除故障的经验比较丰富、检测故障的工具比较先进!

  (7)选购时仔细观察产品的外型,看看产品的光纤模块外壳有否旧、有否光泽又或者是有否磨损痕迹。现今市场上有不少厂商为了谋取暴利,在光纤收发器、光纤交换机等设备上使用了二手或旧的光纤模块,使用这些二手光纤模块的产品,对网络传输造成极大的隐患,如:光纤模块的光路受到污染,对信号传输必定受到影响,传输质量的下降。而传输质量下降,对接收的灵敏度也造成降低,也会造成数据丢包的现象。再加上使用了二手的光纤模块,在使用寿命上也会打了折扣,随时出现零件失效等情况。

光纤收发器使用注意事项

  光纤收发器有多种不同的分类,而实际使用中大多注意的是按光纤接头不同而区分的类别:SC接头光纤收发器和FC/ST接头光纤收发器。

  在使用光纤收发器连接不同的设备时,必须注意使用的端口不同。

  1、 光纤收发器到100BASE-TX设备(交换机,集线器)的连接:

  确认双绞线的长度最长不超过100米;

  连接双绞线的一端到光纤收发器的RJ-45口(Uplink口),另一端到100BASE-TX设(交换机,集线器)的 RJ- 45口(普通口)。

  2、 光纤收发器到100BASE-TX设备(网卡)的连接:

  确认双绞线的长度最长不超过100米;

  连接双绞线的一端到光纤收发器的RJ-45口(100BASE-TX口),另一端到网卡的RJ-45口。

  3、光纤收发器到100BASE-FX的连接:

  确认光纤长度没有超出设备能提供的距离范围;

  光纤的一端连光纤收发器的SC/FC/ST接头,另一端连接100BASE-FX设备的SC/ST接头。

  另外需要补充的是很多用户在使用光纤收发器时认为:只要光纤的长度在单模光纤或多模光纤所能支持的最大距离内就可以正常使用。其实这是一种错误的认识,这种认识只有在连接的设备都是全双工的设备时才是正确的,当有半双工的设备时,光纤的传输距离就有一定的限制了。


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