??? 摘 要: 主要研究APON中155Mb/s突發式光收發模塊" title="光收發模塊">光收發模塊及其測試。對突發式光發射模塊" title="發射模塊">發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;對突發式接收模塊" title="接收模塊">接收模塊采用了注入鎖相環法的快速同步技術和直流耦合的動態閾值判決方案;設計了信號模擬產生器測試系統檢測所研制的收發模塊的性能。
?? ?關鍵詞: 突發模式? 峰值自動功率控制? 時鐘恢復? 動態閾值
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??? 近年來,突發模式的數據傳輸方式正越來越多地應用于數字通信系統中。這些系統通過光纖、無線和同軸電纜等媒質實現點到多點的連接,其中以ATM為基礎的無源光網絡(APON)成為快速發展的寬帶技術之一。由于APON系統結合了ATM多業務、多比特率的支持能力和PON的透明寬帶傳輸能力,將成為未來實現寬帶接入乃至最終實現FTTH的重要方式。
??? APON系統的核心是在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。APON系統在下行方向以TDM的連續方式工作,容易實現;上行信號為TDMA方式,信號工作在突發模式下,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,突發式收發模塊設計與傳統收發模塊的設計有很大不同,因而所采用的測試方法也不同。同時,由于以往所開發的突發式光收發模塊多在100Mb/s以下的速率,國外雖對155Mb/s收發模塊有一些研究并開發出相應的產品,但由于其價格居高不下,因此有必要研究國內自主開發的155Mb/s光收發模塊。
1 突發式光發射模塊
??? APON系統中,光網絡單元(ONU)的發射機以突發模式工作,即只在分配給它的時隙內才有功率輸出,在其他時間處于關斷狀態。因此光發射電路要求能夠快速地開啟和關斷,需要采用響應速度快的光源并采取一些措施以減少和補償突發時延。光發射模塊由光源、驅動電路和控制電路三部分組成,具有發射關斷和監視輸出的功能,如圖1所示。圖1中的數據和信號由測試系統產生并提供。由于突發式光發射電路是多路輪流發射,突發式發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定發射光功率" 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的預偏方式,并采用峰值功率控制穩定發射光功率。發射的驅動電路采用突發式發射專用芯片LUBLD155。其控制信號中的framing由系統提供,而overhead信號則由模塊自行產生。LUBLD155具有自動功率控制功能,在溫度和壽命的范圍內,數字自動控制反饋回路使激光器在突發模式下保持恒定的光功率。自動功率控制電路如圖2所示。在第一個突發數據信號到來時,光二極管的電容Cpd被預充電到一個已知的電壓Vpc。這樣在隨后的突發數據信號到來時,電容由來自光二極管的電流充電,同時由數據開關產生的電流脈沖和參考電流源Iref進行放電。當第二個突發信號結束時,電容的電壓Vx(標有X的節點無限地、并在每兩個突發信號之間進行更新以避免發射數據的干擾。與預充的電壓Vpc用同步比較器進行比較,由比較結果決定計數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字的加/減計數器所存儲的,其保持時間是無限的,并在每兩個突發信號之間進行更新以避免發射數據的干擾。
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2 突發式光接收模塊
??? 155Mb/s突發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生差分信號,并將光信號轉換為系統可用的差分信號;LUBORA155主放大器對信號功率逐級放大。同時,由時鐘和數據恢復電路提取出的時鐘和復位信號對接收到的突發式信號動態建立判決閾值以使數據恢復輸出。另外由于系統輸入電壓為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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??? 要實現突發式上行信號正確、快速接收,155Mb/s突發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多采用相關法和多相位時鐘采樣法。相關法適合100Mb/s以下的PON系統,而多相位時鐘采樣法需要硬件和軟件的支持,實現起來較為復雜。所以本設計采用了注入鎖相環法的同步技術。如圖4所示。光電探測器首先將接收到的光信號轉換為電信號,由于信號在傳輸過程中存在延時,其幅度、相位都發生了不同程度的改變,因而此時接收到的是突發式電信號。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,與所接收到的突發信號進行比較產生一個新的參考信號,與壓控振蕩器所產生的某一個基準頻率通過鎖相環技術進行相位和頻率的比較,通過誤差電壓值不斷調整壓控振蕩器所產生的基準頻率,最終將鎖定狀態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,最后恢復輸出。
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??? 155Mb/s突發式接收模塊的另一個關鍵技術問題是上行突發光接收。由于到達OLT的突發信號其幅度、相位都不同,所以要求接收模塊對每個上行突發塊能夠在極短的時間內建立新的判決閾值。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閾值判決方式。
??? 信號經過前置放大器直流耦合到主放大器,LUBORA155主放大器動態地建立閾值以接收兩個連續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判決。
??? 經過主放大器后的信號到達時鐘與數據恢復電路,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據信號分為兩路,以LV-PECL的正負極性數據輸入到兩個振蕩器中。同時,從系統時鐘來的時鐘信號通過鎖相環回路產生振蕩器的偏置電壓,并輸入到兩個振蕩器中。然后,兩個振蕩器經過一個或門產生恢復的時鐘信號,其原理是從輸入的數據信號的瞬時相位中恢復時鐘;恢復的時鐘與輸入的數據信號一起再驅動觸發器產生恢復的數據信號。由于此時恢復的時鐘和數據信號有一定的抖動,所以要經過FIFO與系統時鐘以及RESET信號一起消除抖動,其原理是由恢復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的工作特性可實現首比特同步,并能消除經過主放大器后波形中的毛刺現象。
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3 突發式光收發模塊的測試系統
??? (1)測試系統設計
??? 突發式發射和接收模塊因其工作于一個特定的環境中,所以不能象一般收發模塊那樣進行測試。系統模擬器的核心是產生發射模塊的控制信號,所有的控制都與這個控制信號有關;同時還必須為接收模塊產生相應的重置信號以恢復時鐘和數據,而重置信號在時間上必須比數據信號早2個比特以上,一般是3個比特。突發式光信號模擬產生系統方框圖如圖6所示。
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??? 從信號源取出155Mb/s數據和時鐘信號,數據信號經過緩沖器Buffer1變換為兩路ECL電平的電平信號,分別送到數據包產生器和多路分離復用的電子開關(MUX);時鐘信號經過緩沖器Buffer2變換為ECL時鐘信號,與數據信號一起作用于包產生器,生成兩個不同時隙的數據包,經過MUX分成兩路數據包。
??? (2)測試結果
??? 通過測試,采用峰值功率控制方法設計的發射模塊消光比可達25dB,關斷光功率小于-43dB;突發信號在經過接收模塊中的前放和主放大器后到達時鐘和數據恢復電路,能很好地還原信號,信號波形見圖7和圖8。突發式接收模塊的靈敏度不小于-33dBm,動態范圍不小于15dB,飽和光功率為-8dBm,響應速度≤8bit。
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??? 155Mb/s突發式收發模塊由于其工作速率比較高,因此其設計與傳統的突發式收發模塊有很大不同,因而其測試系統的設計也與以往不同。本文給出了收發模塊具體的設計思想和設計路線并通過測試進行了驗證。測試結果表明所研制的光收發模塊相應的技術指標均達到預定要求,能夠很好地滿足155Mb/s的APON系統的性能要求。
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