专利名称：基于双绞线传输的以太网长距离收发器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种长距离以太网传输装置，尤其涉及一种基于非屏蔽双绞线的长距离传输以太网收发器。
背景技术：
随着现代通信技术、微电子技术、计算机技术、网络技术和多媒体技术的迅速发展，人们对通信业务的需求由原来单一的电话、电视、窄带数据而发展为包括语音、图像、文本、视频和数据的多媒体业务。在保证多业务的同时，还要保证大带宽和相当的实时性要求。满足这些需求的关键在于“最后一公里”的问题。目前已经有很多种“最后一公里”的接入方式，其中主要是ADSL和LAN两种方式。
ADSL以其较长的接入距离、可利用现有的电话线路、安装简单、性价比好等特点，得到了大范围的应用。但是，随着新业务的不断增长，如IPTV、可视电话、高质量语音、网络游戏等，对带宽的需求也在不断增大，ADSL的带宽局限性势必成为限制其发展的瓶颈。
与之相比，LAN的接入方式，可以为用户提供10Mbps或100Mbps的数据接入速率，从带宽的角度提供了服务质量保证，因而可为用户提供多媒体业务(如VOD等)所需的带宽。当前以太网信号的传输多采用5类或3类非屏蔽双绞线(CAT-3/5)作为传输介质。然而，传统的以太网接入技术因为传输距离短，按照相关的国际标准和协议(IEEE802.3及TIA/EIA等)的规定，10BASE-T以太网的信号在5类非屏蔽双绞线(CAT-5)上的传输距离仅为100米。从而造成布线条件的苛刻，对于低密度用户群的接入成本过高，投资回收困难。为延长传输距离并保证以太网信号无损传输，往往采用中继器或其他传输介质(如光纤)。由于设备的复杂和费用成本的增加大大的限制了以太网的使用。
现今一般的网络收发器必须通过相应的中继器才能完成长距离数据传输，但其成本比较高。
实用新型内容针对上述现有长距离以太网传输系统中收发装置所存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种基于非屏蔽双绞线传输的成本低、实现简单的以太网长距离收发器。
本实用新型是这样实现的一种基于双绞线传输的以太网长距离收发器，包括有支持长距离数据收发的以太网物理层集成电路芯片；用于设置和控制长距离数据收发的以太网物理层集成电路芯片工作的中央处理单元；用于数据发送及接收的网络变压器和网络接口以及供电装置；所述集成电路芯片通过网络变压器连接于普通以太网和长距离以太网信号的网络接口，其控制端连接于中央处理单元，以执行中央处理单元发送的控制指令；所述集成电路芯片包括有DSP预加重模块、DSP均衡模块、码型转换模块、码型还原模块和接线方式和线长自动检测模块；首先通过接线方式和线长自动检测模块对传输系统的接线方式和线长进行判断，根据判断结果，所述码型转换模块选择相应的编码方式对输入的以太网信号进行编码组合，再通过DSP预加重模块对传输中衰减较大的高频部分信号频谱进行预加重，从而产生长距离以太网信号；同时，对长距离网络接口从对端接收到的长距离以太网信号首先通过DSP均衡模块进行均衡还原，再通过码型还原模块进行解码，还原成普通以太网信号。
进一步地，所述网络接口包括有用于长距离数据传输的长距离网络接口(长口)和普通网络接口(短口)，分别连接在所述网络变压器的对应端脚上，并分别同普通以太网设备和长距离以太网传输网线相连。
进一步地，所述供电装置包括有外供电源口、DC-DC变换电路、EMI滤波器、整流滤波电路和电压输出电路，所述EMI滤波器电连接于外供电源口和整流滤波电路之间，用于电磁兼容屏蔽；所述整流滤波电路的输出端连接于DC-DC变换电路的输入端，所述DC-DC变换电路的输出端同电压输出电路连接，DC-DC变换电路的输出端和电压输出电路的两个输出端向收发器共提供3组直流工作电压。
进一步地，所述收发器还包括远端供电接口和PD接口控制器，该远端供电接口连接到远供电源设备，通过该收发器的网络变压器或备用网线对，经由双绞线传输的长距离网络传输线路将电能传送到对端收发器，经由对端收发器的网络变压器或备用网线对，再经过桥整流器和PD接口控制器送达该收发器的供电装置；所述远端供电符合IEEE802.3af以太网供电标准要求。
由于供电装置效率高，允许长期不断电工作，使用中无需专门考虑散热问题。为解决级联应用和特定用户的需要，本实用新型可以通过适用于符合IEEE802.3af以太网供电(PoE)标准要求的远端供电线路为收发器提供电源。外供电源设备通过供电端的收发器(PSE端机)的网络变压器或备用网线对，经由双绞线传输的长距离网络传输线路将电能传送到对端收发器(PD端机)以支持远端供电。电能由对端收发器(PD端机)的网络变压器或备用网线对，再经过桥整流器和PD接口控制器送达收发器供电装置。所述远端供电符合IEEE802.3af以太网供电标准要求的作为长距离以太网远端供电方式。
如前所述，本实用新型利用内置的长距离以太网物理层集成电路芯片对接收到的以太网信号进行变换处理，然后将经过变换处理的信号发送到网线上，进行长距离传输；并将从传输线路上接收到的经过如此变换处理的信号还原成标准的以太网信号再转发到相关以太网设备。因之使用时通常需在长距离传输线路两端各装1个收发器。若长距离传输线一端连接的是采用相同长距离以太网物理层集成电路芯片的长距离以太网设备，则长距离传输线的另端只需装置1个本以太网长距离收发器即可。
为适应多种应用场合，本实用新型设计了单路、2路和4路基本独立结构装置形式，每一路收发器均具有相同的收发功能。并允许将多个装置集成并机使用。各种结构装置允许按实际需要，灵活组合搭配。使用中支持级联，以便成倍延长传输距离。
进一步地，本实用新型，可采用安装在86×86毫米标准墙壁网线插口盒中的结构形式；装在盒内的长距离网络接口为压线端子，用于连接长距离以太网线；普通网络接口则装设于面板上，该面板可为带有防尘罩门的标准RJ-45插口，用户可以按照标准以太网同样的直接插入的方式使用。
进一步地，本实用新型所述普通网络接口还可以是焊接在线路板上的特制RJ-45插头；该插头能直接插入关联的网络设备的RJ-45插口上，并以此将收发器固定在相应的网络设备上。而收发器长距离以太网接口(长口)仍为标准RJ-45插口，用来同长距离网线相连。
本实用新型的收发器通过对接收到的以太网信号进行变换处理，然后将此经过变换处理的信号(如PAM4方式)发送到长距离以太网传输线上；也能将从传输线路上接收到的此经过变换处理的信号还原成标准的以太网信号再转发到相连的网络设备。利用5类双绞线传输10Base-T信号距离达到1200米，100Base-T传输距离达到300米，在传统的HYA音频电缆上进行收发，10Base-T模式下距离可达900米。由此实现了方便、可靠、经济地对以太网信号的长距离传输。
图1是本实用新型的电路结构框图；
图2是本实用新型的集成电路芯片的结构示意图；图3是本实用新型的典型应用示意图；图4是本实用新型的单侧应用示意图；图5是本实用新型的级联应用示意图；图6是本实用新型的供电结构示意图；图7是本实用新型的远端供电结构示意图；图8是本实用新型86×86的面板结构主视示意图；图9是图8的左视(剖视)示意图；图10是本实用新型的直插式面板结构主视示意图；图11是本实用新型的直插式结构侧视示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。
如图1、2所示，本实用新型通过所述收发器的网络变压器或备用网线对包括用于支持长距离数据收发的以太网物理层集成电路芯片A1，用于协调和控制模块A1工作的中央处理单元A2，网络变压器A3、A4，用于数据发送及接收的以太网接口RJ-45、LED指示灯组合A6，以及供电装置A7。集成电路芯片A1通过网络变压器A3、A4连接于数据收发网络接口，集成电路芯片A1控制端连接于中央处理单元A2。通过中央处理单元A2可对集成电路芯片A1进行设置、更新和升级。LED指示灯组合A6用以指示电源供电和各个通路口的工作状态(具体数量根据通路数量而定)。集成电路芯片A1运用DSP均衡、多电平脉冲调幅编码调制(PAM4，国家标准GB/T14733.7-1993定义为“pulse amplitudemodulation”。其利用4个等差的不同脉冲固定电平分别代表“00”、“01”、“10”和“11”的4个数码组合对数据信号进行编码调制，从而以相对于其他以太网编码调制方式低得多的传输速率实现传输距离的延长。)等各项技术，调整了以太网信号的电平频率均衡和信号传输速率，在全面兼容802.3协议的基础上，克服了传统以太网芯片传输距离短、对传输介质性能要求高的局限，大大拓展了以太网的传输距离。网络变压器用于实现网线接口和模块A1接口的配接和转换。网络变压器的线端引脚对分别通过A5的“短口”RJ-45标准网口和普通以太网设备对应；“长口”RJ-45标准网口和长距离网线相对应。
中央处理单元A2还包括有加密器，以保障本实用新型的安全性。本实用新型还包括连接于中央处理单元A2的配置模块，以完成实现模块A1的功能，实现对模块A1的界面管理，保证集成电路芯片A1的正常工作。
如图1、2所示，中央处理单元A2通过“MDC”管脚线向集成电路芯片A1提供通信时钟信号；中央处理单元A2通过“MDIO”线与集成电路芯片A1进行通信；中央处理单元A2由“RESETn”线控制集成电路芯片A1复位。集成电路芯片A1，包括有MII接口至内部转换模块、DSP预加重模块、DSP均衡模块、码型转换模块(即10/100M发送/PMA/PMD模块)、码型还原模块(即10/100M接收/PMA/PMD模块)、接线方式和线长自动检测模块以及扩展自协商平行检测模块等；各模块之间的相互连接，具体方式如图2所示。如前述，首先通过接线方式和线长自动检测模块对传输系统的接线方式和线长进行判断，根据判断结果，所述码型转换模块选择相应的编码方式对输入的以太网信号进行编码组合，再通过DSP预加重模块对传输中衰减较大的高频部分信号频谱进行预加重，从而产生长距离以太网信号；同时，对长距离网络接口从对端接收到的长距离以太网信号首先通过DSP均衡模块进行均衡还原，再通过码型还原模块进行解码，还原成普通以太网信号。集成电路芯片A1自身时钟信号由50MHz晶体振荡器产生。集成电路芯片A1对外的信号通路端口(1至8对TXP/TXN-X口和RXP/RXN-X口)由中央处理单元设置确定作为前述的“长口”或“短口”。
本实用新型的集成电路芯片A1完全兼容IEEE802.3协议的物理层部分。通过符合IEEE802.3协议的自协商机制，通过扩展自协商平行检测模块可以由自动选择10Base-T、100Base-TX或100Base-FX的工作速率，可以自动选择全双工或是半双工模式。为支持多种长距离传输模式，对现有的自协商机制进行了合理的扩展。该芯片利用IEEE802.3协议第28章规定的相关寄存器组中的预留部分，设置相关的控制信息，使其可以自动识别对端设备是否具有长距离传输特性(由图2中的集成电路芯片A1的扩展自协商平行检测模块实现)。如果对端设备也支持长距离模式的以太网收发，则双方设备进行自动协商，并根据线缆的长度和质量，自动选择适合的传输模式和通信速率。模块A3、A4(网络变压器)用于实现网线接口和模块A1接口的配接和转换。网络变压器的各引脚分别通过模块A5(RJ-45标准网口集成)的“短口”和普通以太网设备对应连接；“长口”和长距离网线(CAT-3或CAT-5)对应连接。如果对端设备是普通的以太网收发器，自动选择与之兼容的工作模式。
本实用新型基于双绞线的长距离以太网传输方式，是采用专门的收发器作为中继设备，来完成长距离的数据传输。如图3所示，为本实用新型的典型应用示意图。图中两端的“收发器A”和“收发器B”即为本实用新型。使用中，收发器分别装在长距离传输线(“双绞线2”，长达1000米的CAT-3/5非屏蔽双绞线)两端。收发器和与之相连接的设备之间(端口)也采用CAT-3/5非屏蔽双绞线(“双绞线1”和“双绞线3”，连线距离不大于100米)。收发器A的标准以太网接口(短口)，采用10Base-T、100Base-TX或100Base-FX协议，通过“双绞线1”连接该侧的以太网网络设备；其长距离以太网接口(长口)连接“双绞线2”(长距离双绞线)，“双绞线2”的另一端连接收发器B的长距离以太网接口(长口)，收发器B的标准以太网接口(短口)，采用10Base-T、100Base-TX或100Base-FX协议，通过“双绞线3”连接对端以太网网络设备。
本实用新型的收发器可对接收到的以太网信号进行变换处理，然后将此经过变换处理的信号(PAM4方式)发送到网线上；也能将从传输线路上接收到的此经过变换处理的信号还原成标准的以太网信号再转发到相关设备(例如集线器、交换机和终端机等)。利用5类双绞线传输10Base-T信号距离达到1200米，100Base-T传输距离达到300米，在传统的HYA音频电缆上进行收发，10Base-T模式下距离可达900米。如果两通信设备在收发器的传输范围之内，则直接在两通信设备出口端分别各连接1部本实用新型即可，如果超出了收发器的传输范围，则在中间线路架设相应数量的本实用新型作为中继机即可实现。附图5即为本实用新型的级联应用示意图。若如前述，长距离传输线一端连接的是采用相同长距离以太网物理层集成电路芯片的长距离以太网设备，则长距离传输线的另一端只需装置1部本以太网长距离收发器即可，具体可见图4。
如图6所示，本实用新型的供电装置包括EMI滤波器、DC-DC变换电路、EMI滤波器、整流滤波电路和电压输出电路。EMI滤波器连接于外供电源接口和整流滤波电路之间，用以作电磁兼容屏蔽以有效地抑制电网噪声、防止电源的电磁干扰。所述整流滤波电路由桥整流器和滤波电容组成，用以提供直流电压。所述整流滤波电路的输出电压送到DC-DC变换电路的输入端，DC-DC芯片和周边元件产生脉宽随输入电压变化的高频震荡，再经过肖特基二极管V1、电感器L3和滤波电容C4产生第一输出电压(+3.3V)到电压输出电路。经过电压输出电路两只串联的稳压二极管V2、V3，，产生第二输出电压(+2.5V)，和第三输出电压(+1.8V)，各输出电压输出端还连接有滤波电容(C4、C5、C6)。DC-DC芯片的管脚与各元件的连接关系如图6示。本实用新型可适应交、直流9～48V(最高50V)的极宽范围的外供电源(输入电源)。
如图7所示，本实用新型还支持远端供电。由供电设备向提供电源一侧的收发器(图中为“PSE端”，)通过所述收发器的网络变压器或备用网线对提供(-48V)，通过长距离网络传输线向级联(或终端)的收发器(图中为“PD端”)供电，而无需在该端当地另外供电。
远供电源可以加在备用线对上或信号线对上。从附图7可见，在PSE端的48V电源通过PSE控制器接收的信号状态判断是否提供远端供电；然后经由长距离网线向PD端机提供电源；在PD端机，电能传到网络变压器或备用网线对，再经过桥整流器和PD接口控制器送达收发器供电装置(见有附图6和供电装置的说明)。所述远端供电符合IEEE802.3af以太网供电标准要求的作为长距离以太网远端供电方式。根据本实用新型功率消耗和1km长CAT-3/5长距离非屏蔽双绞线阻抗计算，由PSE端机向PD端机提供远端供电安全可靠。
在通常不用远端供电的场合。分别使用在线路两端的收发器(相同路数的)电路结构和机械结构完全相同。元器件焊接于PCB板上。电路板安装在机壳中。外接线路(网线和供电)全部采用通用RJ-45接插件连接。
如图7所示，在使用远端供电的场合，由于有供电和用电之分，除了图7描述的电路区别外，作为PSE端机和PD端机在机械结构上亦稍有不同。
为方便楼宇施工布线和用户使用，在远端供电时终端收发器可以直接装于面板为标准86mm×86mm的墙壁插座盒内而无需另外配置壳体和另行供电。每插座盒可内装2路收发器电路；面板装有2个标准RJ-45网线插座供连接普通带有标准以太网接口的网络设备。具体结构可见图8(面板图)和图9(侧视图)。
如图10和图11所示，为另一种在远端供电时的PD端收发器结构图。其中标准RJ-45插口为收发器长距离以太网接口(长口)；焊接在线路板上特制的RJ-45插头为收发器的标准以太网接口(短口)。此插头可以直接插入关联的网络设备的RJ45插口上，并以此将双绞线长距离以太网收发器固定在网络设备上。
权利要求1.一种基于双绞线传输的以太网长距离收发器，包括有支持长距离数据收发的以太网物理层集成电路芯片；用于设置和控制长距离数据收发的以太网物理层集成电路芯片工作的中央处理单元；用于数据发送及接收的网络变压器和网络接口以及供电装置；其特征在于，所述集成电路芯片通过网络变压器连接于普通以太网和长距离以太网信号的网络接口，其控制端连接于中央处理单元，以执行中央处理单元发送的控制指令；所述集成电路芯片包括有DSP预加重模块、DSP均衡模块、码型转换模块、码型还原模块和接线方式和线长自动检测模块；首先通过接线方式和线长自动检测模块对传输系统的接线方式和线长进行判断，根据判断结果，所述码型转换模块选择相应的编码方式对输入的以太网信号进行编码组合，再通过DSP预加重模块对传输中衰减较大的高频部分信号频谱进行预加重，从而产生长距离以太网信号；同时，对长距离网络接口从对端接收到的长距离以太网信号首先通过DSP均衡模块进行均衡还原，再通过码型还原模块进行解码，还原成普通以太网信号。
2.根据权利要求1所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述网络接口包括用于长距离数据传输的长距离网络接口和普通网络接口，分别连接在所述网络变压器的对应端脚上，并分别同普通以太网设备和长距离以太网传输网线相连。
3.根据权利要求1所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述供电装置包括有外供电源口、DC-DC变换电路、EMI滤波器、整流滤波电路和电压输出电路，所述EMI滤波器电连接于外供电源口和整流滤波电路之间，所述整流滤波电路的输出端连接于DC-DC变换电路的输入端，所述DC-DC变换电路的输出端同电压输出电路连接，DC-DC变换电路的输出端和电压输出电路的两个输出端向收发器共提供3组直流工作电压。
4.根据权利要求3所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述收发器还包括远端供电接口和PD接口控制器，该远端供电接口连接到远供电源设备，通过该收发器的网络变压器或备用网线对，经由双绞线传输的长距离网络传输线路将电能传送到对端收发器，经由对端收发器的网络变压器或备用网线对，再经过桥整流器和PD接口控制器送达该收发器的供电装置；所述远端供电符合IEEE 802.3af以太网供电标准要求。
5.根据权利要求1所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述双绞线为3类非屏蔽双绞线、5类非屏蔽双绞线或HYA音频电缆。
6.根据权利要求1所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述长距离为100m以上的距离。
7.根据权利要求1所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述集成电路芯片还包括扩展自协商平行检测模块，其通过接收到的对端信号自动调整工作模式为10Base-T、100Base-T或100Base-FX。
8.根据权利要求2所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述网络接口可采用安装在86×86毫米标准墙壁网线插口盒中的结构形式；长距离网络接口为压线端子，用于连接长距离以太网线；普通网络接口可装设于面板上，该面板可为带有防尘罩门的标准RJ-45插口，使用户可以按照标准以太网同样的直接插入的方式使用。
9.根据权利要求1、2所述的基于双绞线传输的以太网长距离收发器，其特征在于，所述普通网络接口还可以是焊接在线路板上的特制RJ-45插头；该插头能直接插入关联的网络设备的RJ-45插口上，并以此将收发器固定在相应的网络设备上。
专利摘要本实用新型公开了一种基于双绞线传输的以太网长距离收发器，涉及数据收发装置，为延长用非屏蔽双绞线对以太网信号的传输距离而提出。方案是包括支持长距离数据收发的集成电路芯片、中央处理单元、网络变压器、网络接口和供电装置。集成电路芯片通过网络变压器连接于数据收发网络接口，其控制端连接于中央处理单元。集成电路芯片包括有DSP预加重模块、DSP均衡模块、码型转换模块、码型还原模块和接线方式和线长自动检测模块；首先对系统的接线方式和线长进行判断，根据判断结果，选择相应的编码方式对输入的以太网信号进行编码组合，再通过DSP预加重模块对衰减较大的高频部分信号频谱进行预加重；对收到的长距离以太网信号通过DSP均衡模块进行均衡还原，再通过码型还原模块进行解码。本实用新型的传输距离可达1200米，传输效果好、成本较低。
文档编号H04L1/00GK2932839SQ20062000451
公开日2007年8月8日 申请日期2006年2月28日 优先权日2006年2月28日
发明者赵巍, 纪国桢, 武东宏 申请人:北京索安视讯科技有限公司