T3/E3/STS-1光纖擴(kuò)展

2004年6月A版

引言

　　典型的T3/E3/STS-1信號是在短距離內(nèi)傳輸，然而，一些應(yīng)用要求更長的距離。T3/E3/STS-1光纖/銅線變換器把銅線上的信號變換為在光纖鏈路傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/光纖">光纖信號。一對變換器能擴(kuò)展T3/E3/STS-1信號使其優(yōu)于銅線性能指標(biāo)，所用的T3/E3/STS-1信號突破樓宇內(nèi)的長度限制。T3信號標(biāo)準(zhǔn)長度連接是380米，E3信號長度連接為440米，STS-1標(biāo)準(zhǔn)信號長度連接是360米，而光纖連接可達(dá)到幾英里。然而，對于在光纖中傳輸T3/E3/STS-1信號，沒有標(biāo)準(zhǔn)。典型的設(shè)計包括采用SC或ST連接器和不同波長(如850nm，1310nm和1550nm)的單?；蚨嗄９饫w。光束波長將決定工程師是否需要增強光元件設(shè)計來滿足終端用戶的應(yīng)用。

　　為了經(jīng)光纖發(fā)送數(shù)據(jù)，首先信號必須從電信號變換為光信號。在接收器中，過程相反。大多數(shù)設(shè)計在每個方向(即TX和RX)用兩根光纖。然而，由于光的獨特性，可以用光雙工器，在一根光纖上在實現(xiàn)全雙工連接，兩個方向采用相同波長。

　　STS-1是同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)中傳輸?shù)幕締卧TS-1是OC-1銅線基版本。STS-1也稱之為EC-1。T3和E3是準(zhǔn)同步數(shù)字序列(PDH)中的第3分層。表1為有關(guān)波特率說明。

表1   波特率與分層標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系

    波特率   　　　　 　　分層

    34.368Mbps-E3  　　　PDH

    44.736Mbps-T3  　　　PDH

    51.840Mbps-STS-1    SONET

　　在TDM系統(tǒng)，時鐘和數(shù)據(jù)一起的線路編碼/譯碼通常采用Manchester技術(shù)。對于光纖中的光信號調(diào)制，激光器/LED發(fā)送器/接收器用“光亮”做為邏輯1，“光滅”做為邏輯0。光接收機(jī)檢測來自光纖的信號并把光信號變換回電信號，在時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)前必須放大它們。圖1示出用于光TDM系統(tǒng)的典型接收器和發(fā)送器對的框圖。

光接收器性能

　　在光鏈路的接收器端，PIN二極管或雪崩光電二極管(APD)變換所接收的光信號為電流信號。PIN二極管工作電壓與其他元件相同(3.3V)，而且它比APD便宜。然而，對于給定的光接收功率，PIN二極管發(fā)射電子比APD少，所以，若接收器需要放置在遠(yuǎn)離發(fā)送器的地方，則選擇APD比較好。與PIN二極管不同，APD需要偏置電路，它需要30V~100V的反向工作電壓。除增加成本外，APD對電路會增加更多噪聲而且需要冷卻。

　　光電檢測器提供輸出電流到互阻放大器(TIA)。TIA變換此電流為電壓，并放大此單端電壓，然后轉(zhuǎn)換為差分信號。TIA在輸入應(yīng)提供大的動態(tài)范圍和高過載容限。TIA噪聲必須降到能提供由于發(fā)射器老化和/或長傳輸距離使接收光信號變?nèi)跛仨毜母咻斎腱`敏度。為了避免由于強光信號出現(xiàn)失真所導(dǎo)致的誤碼，需要高過載容限。TIA的最大增益依賴于工作頻率，為了保證穩(wěn)定工作，只有在窄范圍內(nèi)使工作頻率最佳化。TIA必須接1個后置放大器，后置放大器通常稱之為限幅放大器(LA)。LA給出輸出電壓擺幅，其最大值依賴于輸入信號強度。

　　在LA之后是時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)單元。CDR再生原來的時鐘和數(shù)據(jù)流，對來自LA的輸入信號執(zhí)行定時和幅度電平判定。集成時鐘恢復(fù)電路遇到的問題是要滿足抖動性能指標(biāo)。當(dāng)幾個偽隨機(jī)位模板施加在一起時，可以從眼圖(圖2)看到相應(yīng)的信號質(zhì)量。

　　因為CDR必須接受一定量的輸入數(shù)據(jù)抖動來達(dá)到正常的無誤差工作，所以，在線路終端的所有接收器單元和再生器，必須遵守抖動容限的建議。抖動傳輸涉及到所允許的抖動部分從CDR輸入傳輸?shù)捷敵?，而抖動的產(chǎn)生由CDR本身生成。在系統(tǒng)的每一級，恢復(fù)時鐘能夠傳輸?shù)较乱粋€再生器，使抖動得以累積。線路終端接收器不需要滿足抖動傳輸和抖動產(chǎn)生性能指標(biāo)，因為再生數(shù)據(jù)與系統(tǒng)時鐘同步。

　　對于數(shù)據(jù)恢復(fù)，用鎖相環(huán)(PLL)來同步時鐘與數(shù)據(jù)流是重要的，這樣可保證時鐘對準(zhǔn)數(shù)據(jù)字中心。光接收器系統(tǒng)就包含調(diào)節(jié)時鐘和數(shù)據(jù)之間相位關(guān)系的選擇方案。這將有助于減小在接收信號異步上升和下降過程中的誤碼率(BER)。

光發(fā)送器性能

　　在光鏈路的發(fā)送端，激光二極管或LED把電位流序列變換為光脈沖。通常在電信網(wǎng)絡(luò)中用第2和第3光窗口經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光纜發(fā)送信息(見圖3)。在光窗口內(nèi)，信號得益于每光纖長度單位較小的色散和較小的衰減。用“激光器驅(qū)動器”單元調(diào)制激光二極管或LED(見圖1)。

　　直接調(diào)制半導(dǎo)體激光二極管(如電子光吸收、分布反饋和Mach-Zehnder型)是一種具有高光譜純度的光源，它可工作在第3光窗口。因此，對于很長的距離和/或非常高的波特率，喜歡用激光二極管。所有用于直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器二極管都需要DC偏置電流來設(shè)置信號傳輸?shù)墓ぷ鼽c和調(diào)制電流。DC偏置和調(diào)制電流的大小取決于激光二極管的特性，激光二極管不同型號其特性是不同的。

　　為了補償激光器的漂移(隨時間和溫度的變化)，其激光器驅(qū)動器必須保持最初調(diào)節(jié)的DC工作點。為了補償，通常把自動功率控制(APC)集成在激光器驅(qū)動器內(nèi)。為了檢測有效的激光器輸出功率，一個內(nèi)部監(jiān)控光電二極管把激光器光信號變換為成比例電流并反饋到激光器驅(qū)動器與輸出設(shè)置點比較。任何差別會導(dǎo)致DC偏置電流增大或減小，以便穩(wěn)定在原來的設(shè)置點。

　　另外，還必須補償由時間和溫度引起的光信號強度的變化。這可用其他外部電路或集成的自動調(diào)制控制(AMC)來解決。AMC通常使用APC環(huán)路中監(jiān)控器光電二極管。除這些功能外，系統(tǒng)必須把驅(qū)動器斷開，而不是用中斷輸入端的數(shù)據(jù)接收來停止激光器傳輸。

　　以下給出了針對上述準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化處理，采用Maxim/Dallas器件實現(xiàn)的完整系統(tǒng)。圖4示出T3/E3/STS-1工作的光收發(fā)器信號鏈路。在光接收器端，選用MAX3657做為TIA，AC耦合輸出可減小漂移。MAX3645是LA，帶有信號丟失檢測器。在LA之后的低通濾波器是4階Besel或線性相位LPF，dB頻帶截止點按照波特率的80%選擇。CDR器件需要采用Manchester譯碼，輸出為CMI/PECL差分信號或單端時鐘和數(shù)據(jù)。CMI/PECL差分到單端雙極性時鐘和數(shù)據(jù)變換器單元，對調(diào)理DS3150LIU信號到同軸線發(fā)送是必須的。

　　在光發(fā)送器端，選用帶APC的MAX3667做為LD。也需要單端雙極性到CMI/PECL的差分變換器從DS3150LIU(從同軸線接收信號)取時鐘和數(shù)據(jù)流。在圖4所示的系統(tǒng)中只有T3/E3/STS-1收發(fā)器的一邊。所需的另外一組允許全雙工工作。若光電二極管用APD替代PIN二極管，則MAX1932可提供偏置并可由MAX1968控制。

　　有關(guān)T3/E3/STS-1光纖通信的問題，可聯(lián)絡(luò)電信工程師：telecom.support@dalsemi.com。從www.maxim-ic.com/telexom可獲得更多的DS3150信息。從www.maxim-ic.com/fiber可獲得更多的MAX3657、MAX3645、MAX3647、MAX1832或MAX1968信息?！?BR>