??? 摘 要: 主要研究APON中155Mb/s突發(fā)式光收發(fā)模塊" title="光收發(fā)模塊">光收發(fā)模塊及其測試。對突發(fā)式光發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊中的自動功率控制" title="功率控制">功率控制電路提出了采用峰值功率控制的方法;對突發(fā)式接收模塊" title="接收模塊">接收模塊采用了注入鎖相環(huán)法的快速同步技術(shù)和直流耦合的動態(tài)閾值判決方案;設(shè)計了信號模擬產(chǎn)生器測試系統(tǒng)檢測所研制的收發(fā)模塊的性能,。
?? ?關(guān)鍵詞: 突發(fā)模式? 峰值自動功率控制? 時鐘恢復(fù)? 動態(tài)閾值
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??? 近年來,突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳輸方式正越來越多地應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)中,。這些系統(tǒng)通過光纖,、無線和同軸電纜等媒質(zhì)實現(xiàn)點到多點的連接,其中以ATM為基礎(chǔ)的無源光網(wǎng)絡(luò)(APON)成為快速發(fā)展的寬帶技術(shù)之一。由于APON系統(tǒng)結(jié)合了ATM多業(yè)務(wù)、多比特率的支持能力和PON的透明寬帶傳輸能力,將成為未來實現(xiàn)寬帶接入乃至最終實現(xiàn)FTTH的重要方式。
??? APON系統(tǒng)的核心是在PON上采用TDMA方式傳輸ATM信元,。物理層上下行方向一般采用TDM/TDMA技術(shù)。APON系統(tǒng)在下行方向以TDM的連續(xù)方式工作,容易實現(xiàn);上行信號為TDMA方式,信號工作在突發(fā)模式下,是幅度不等,、長度不同,、時間間隔也不相同的脈沖串。由于上行信號的這一特點,突發(fā)式收發(fā)模塊設(shè)計與傳統(tǒng)收發(fā)模塊的設(shè)計有很大不同,因而所采用的測試方法也不同,。同時,由于以往所開發(fā)的突發(fā)式光收發(fā)模塊多在100Mb/s以下的速率,國外雖對155Mb/s收發(fā)模塊有一些研究并開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品,但由于其價格居高不下,因此有必要研究國內(nèi)自主開發(fā)的155Mb/s光收發(fā)模塊,。
1 突發(fā)式光發(fā)射模塊
??? APON系統(tǒng)中,光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)的發(fā)射機以突發(fā)模式工作,即只在分配給它的時隙內(nèi)才有功率輸出,在其他時間處于關(guān)斷狀態(tài)。因此光發(fā)射電路要求能夠快速地開啟和關(guān)斷,需要采用響應(yīng)速度快的光源并采取一些措施以減少和補償突發(fā)時延,。光發(fā)射模塊由光源,、驅(qū)動電路和控制電路三部分組成,具有發(fā)射關(guān)斷和監(jiān)視輸出的功能,如圖1所示。圖1中的數(shù)據(jù)和信號由測試系統(tǒng)產(chǎn)生并提供,。由于突發(fā)式光發(fā)射電路是多路輪流發(fā)射,突發(fā)式發(fā)射電路的工作空度比很大,所以自動功率控制(APC)電路不能采用平均功率控制方法,而必須采用峰值功率控制方法來穩(wěn)定發(fā)射光功率" title="光功率">光功率。為減少多路背景噪聲的疊加,采用了信號到來前4bit的預(yù)偏方式,并采用峰值功率控制穩(wěn)定發(fā)射光功率,。發(fā)射的驅(qū)動電路采用突發(fā)式發(fā)射專用芯片LUBLD155,。其控制信號中的framing由系統(tǒng)提供,而overhead信號則由模塊自行產(chǎn)生。LUBLD155具有自動功率控制功能,在溫度和壽命的范圍內(nèi),數(shù)字自動控制反饋回路使激光器在突發(fā)模式下保持恒定的光功率,。自動功率控制電路如圖2所示,。在第一個突發(fā)數(shù)據(jù)信號到來時,光二極管的電容Cpd被預(yù)充電到一個已知的電壓Vpc。這樣在隨后的突發(fā)數(shù)據(jù)信號到來時,電容由來自光二極管的電流充電,同時由數(shù)據(jù)開關(guān)產(chǎn)生的電流脈沖和參考電流源Iref進行放電,。當?shù)诙€突發(fā)信號結(jié)束時,電容的電壓Vx(標有X的節(jié)點無限地,、并在每兩個突發(fā)信號之間進行更新以避免發(fā)射數(shù)據(jù)的干擾。與預(yù)充的電壓Vpc用同步比較器進行比較,由比較結(jié)果決定計數(shù)器是提供還是降低激光器的輸出功率,。由于所選擇的功率標準是由數(shù)字的加/減計數(shù)器所存儲的,其保持時間是無限的,并在每兩個突發(fā)信號之間進行更新以避免發(fā)射數(shù)據(jù)的干擾,。
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2 突發(fā)式光接收模塊
??? 155Mb/s突發(fā)式接收模塊的基本框圖如圖3所示。接收電路采用155Mb/s專用芯片LUBORP前置放大器對信號進行放大并產(chǎn)生差分信號,并將光信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用的差分信號;LUBORA155主放大器對信號功率逐級放大,。同時,由時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路提取出的時鐘和復(fù)位信號對接收到的突發(fā)式信號動態(tài)建立判決閾值以使數(shù)據(jù)恢復(fù)輸出,。另外由于系統(tǒng)輸入電壓為3.3V,而前置放大器和主放大器工作電壓為5V,所以還需要一個由MAX1674組成的升壓電路,將+3.3V升壓到+5V。
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??? 要實現(xiàn)突發(fā)式上行信號正確,、快速接收,155Mb/s突發(fā)式接收模塊需要解決快速比特同步問題,。以往接收機的快速同步技術(shù)多采用相關(guān)法和多相位時鐘采樣法,。相關(guān)法適合100Mb/s以下的PON系統(tǒng),而多相位時鐘采樣法需要硬件和軟件的支持,實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。所以本設(shè)計采用了注入鎖相環(huán)法的同步技術(shù),。如圖4所示,。光電探測器首先將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,由于信號在傳輸過程中存在延時,其幅度、相位都發(fā)生了不同程度的改變,因而此時接收到的是突發(fā)式電信號,。首先對其進行頻譜變換,保留頻帶范圍在155MHz左右,。外接參考振蕩器產(chǎn)生某一個頻率和相位的信號作為注入信號,與所接收到的突發(fā)信號進行比較產(chǎn)生一個新的參考信號,與壓控振蕩器所產(chǎn)生的某一個基準頻率通過鎖相環(huán)技術(shù)進行相位和頻率的比較,通過誤差電壓值不斷調(diào)整壓控振蕩器所產(chǎn)生的基準頻率,最終將鎖定狀態(tài)頻率的信號送入判決電路。通過判決電路,建立合適的判決閾值,最后恢復(fù)輸出,。
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??? 155Mb/s突發(fā)式接收模塊的另一個關(guān)鍵技術(shù)問題是上行突發(fā)光接收,。由于到達OLT的突發(fā)信號其幅度、相位都不同,所以要求接收模塊對每個上行突發(fā)塊能夠在極短的時間內(nèi)建立新的判決閾值,。以往接收模塊的判決方法多采用交流耦合的判決方式,由于增益是差分輸入,、差分輸出,且通過電容耦合,對于100Mb/s以下的速率是可取的,但對于155Mb/s時不能滿足要求。因此,筆者提出了直流耦合的動態(tài)閾值判決方式,。
??? 信號經(jīng)過前置放大器直流耦合到主放大器,LUBORA155主放大器動態(tài)地建立閾值以接收兩個連續(xù)的強度不同的信息包,。另外,為了保證可用帶寬,還必須進行帶寬補償和自動閾值控制以確保系統(tǒng)的工作速率為155Mb/s。帶寬補償功能由正負帶寬補償引腳完成,通過在它們之間所跨接的5pF電容將輸出反饋到輸入端,限制了系統(tǒng)的工作帶寬,同時限制電路工作速率為155Mb/s并減少了高頻噪聲,很好地提高了接收模塊的靈敏度和動態(tài)范圍,。LUBORA 155具有自動閾值控制電壓的功能,能夠接收不同的輸入信號電平,從而建立不同的閾值進行動態(tài)判決,。
??? 經(jīng)過主放大器后的信號到達時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路,其功能由LUBCDR155芯片完成。其原理圖如圖5所示,。其工作原理是:通過主放大器處理后的數(shù)據(jù)信號分為兩路,以LV-PECL的正負極性數(shù)據(jù)輸入到兩個振蕩器中,。同時,從系統(tǒng)時鐘來的時鐘信號通過鎖相環(huán)回路產(chǎn)生振蕩器的偏置電壓,并輸入到兩個振蕩器中。然后,兩個振蕩器經(jīng)過一個或門產(chǎn)生恢復(fù)的時鐘信號,其原理是從輸入的數(shù)據(jù)信號的瞬時相位中恢復(fù)時鐘;恢復(fù)的時鐘與輸入的數(shù)據(jù)信號一起再驅(qū)動觸發(fā)器產(chǎn)生恢復(fù)的數(shù)據(jù)信號,。由于此時恢復(fù)的時鐘和數(shù)據(jù)信號有一定的抖動,所以要經(jīng)過FIFO與系統(tǒng)時鐘以及RESET信號一起消除抖動,其原理是由恢復(fù)的時鐘與輸入信號中的基準時鐘相同步以消除失步,。另外,LUBCDR155的工作特性可實現(xiàn)首比特同步,并能消除經(jīng)過主放大器后波形中的毛刺現(xiàn)象。
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3 突發(fā)式光收發(fā)模塊的測試系統(tǒng)
??? (1)測試系統(tǒng)設(shè)計
??? 突發(fā)式發(fā)射和接收模塊因其工作于一個特定的環(huán)境中,所以不能象一般收發(fā)模塊那樣進行測試,。系統(tǒng)模擬器的核心是產(chǎn)生發(fā)射模塊的控制信號,所有的控制都與這個控制信號有關(guān);同時還必須為接收模塊產(chǎn)生相應(yīng)的重置信號以恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù),而重置信號在時間上必須比數(shù)據(jù)信號早2個比特以上,一般是3個比特,。突發(fā)式光信號模擬產(chǎn)生系統(tǒng)方框圖如圖6所示。
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??? 從信號源取出155Mb/s數(shù)據(jù)和時鐘信號,數(shù)據(jù)信號經(jīng)過緩沖器Buffer1變換為兩路ECL電平的電平信號,分別送到數(shù)據(jù)包產(chǎn)生器和多路分離復(fù)用的電子開關(guān)(MUX);時鐘信號經(jīng)過緩沖器Buffer2變換為ECL時鐘信號,與數(shù)據(jù)信號一起作用于包產(chǎn)生器,生成兩個不同時隙的數(shù)據(jù)包,經(jīng)過MUX分成兩路數(shù)據(jù)包,。
??? (2)測試結(jié)果
??? 通過測試,采用峰值功率控制方法設(shè)計的發(fā)射模塊消光比可達25dB,關(guān)斷光功率小于-43dB;突發(fā)信號在經(jīng)過接收模塊中的前放和主放大器后到達時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路,能很好地還原信號,信號波形見圖7和圖8,。突發(fā)式接收模塊的靈敏度不小于-33dBm,動態(tài)范圍不小于15dB,飽和光功率為-8dBm,響應(yīng)速度≤8bit。
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??? 155Mb/s突發(fā)式收發(fā)模塊由于其工作速率比較高,因此其設(shè)計與傳統(tǒng)的突發(fā)式收發(fā)模塊有很大不同,因而其測試系統(tǒng)的設(shè)計也與以往不同,。本文給出了收發(fā)模塊具體的設(shè)計思想和設(shè)計路線并通過測試進行了驗證,。測試結(jié)果表明所研制的光收發(fā)模塊相應(yīng)的技術(shù)指標均達到預(yù)定要求,能夠很好地滿足155Mb/s的APON系統(tǒng)的性能要求。
參考文獻
1 Eduard Sackinger, Yusuke Ota, Thaddeus J. Gabara1, Wilhelm C. Fischer1, WP 22.6 15mW, [2]155Mb/s CMOS Burst-Mode?Laser Driver with Automatic Power Control and End-of-Life?Detection.Bell Labs, Lucent Technologies,Holmdel,NJ/1Murray Hill, NJ.
2 Chao Su, Lian- Kuan Chen, K W Cheung. Theory of Burstmode Receiver and Its Applications in Optical Multiaccess Networks. J.Light wave Technol.1997;15:590～605