APON中155Mb／s突發(fā)式收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)及測試

摘要：主要研究APON中155Mb/s突發(fā)式光收發(fā)模塊及其測試。對(duì)突發(fā)式發(fā)射模塊中的自動(dòng)功率控制電路提出了采用峰值控制的方法；對(duì)突發(fā)式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(dòng)態(tài)閾值判決方案；設(shè)計(jì)了信號(hào)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(dòng)功率控制 時(shí)鐘恢復(fù) 動(dòng)態(tài)閾值 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(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)寬帶接入乃至最終實(shí)現(xiàn)FYTH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(shí)現(xiàn)；上行信號(hào)為TDMA方式，信號(hào)工作在突發(fā)模式下，是幅度不等、長度不同、時(shí)間間隔也不相同的脈沖串，由于上行信號(hào)的這一特點(diǎn)，突發(fā)式收發(fā)模塊設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)收發(fā)模塊的沒計(jì)有很大不同，因而所采用的測試方法也不同。同時(shí)，由于以往所開發(fā)的突發(fā)式光收發(fā)模塊多在l00Mb／s以下的速率，國外雖對(duì)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(jià)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(jī)以突發(fā)模式工作，即只在分配給它的時(shí)隙內(nèi)才有功率輸出，在其他時(shí)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者施以減少和補(bǔ)償突發(fā)時(shí)延。光發(fā)射模塊由光源、驅(qū)動(dòng)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(hào)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(dòng)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。為減少多路背景噪聲的疊加，采用了信號(hào)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(dòng)電路采用突發(fā)式發(fā)射專用芯片LUBLD55。其控制信好中的framing由系統(tǒng)提供，而overhead信號(hào)則由模塊自行產(chǎn)生。LUBLDl55具有自動(dòng)功率控制功能，在溫度和壽命的范圍內(nèi)，數(shù)字自動(dòng)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(dòng)功率控制電路如圖2所示。在第一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)到來時(shí)，光二吸管的電容Cpd被預(yù)充電到一個(gè)已知的電壓Vpc。這洋在隨后的突發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)到來時(shí)，電容由來自光二極管的電流充電，同時(shí)由數(shù)據(jù)開關(guān)產(chǎn)生的電流脈沖和參考電流源Lref進(jìn)行放電。當(dāng)?shù)诙€(gè)突發(fā)信號(hào)結(jié)束時(shí)，電容的電壓Vx(標(biāo)有X的節(jié)點(diǎn)無限地、并在每兩個(gè)突發(fā)信號(hào)之間進(jìn)行更新以磕免發(fā)射數(shù)據(jù)的干擾。與預(yù)充的電壓Vpc用同步比較器進(jìn)行比較，由比較結(jié)果決定計(jì)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(biāo)準(zhǔn)是由數(shù)字的加／減計(jì)數(shù)器所存儲(chǔ)的，其保持時(shí)間是無限的，并在每兩個(gè)突發(fā)信號(hào)之間進(jìn)行更新以避免發(fā)射數(shù)據(jù)的干擾。 圖2 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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大并產(chǎn)生差分信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用的差分信號(hào)；LUBORAl55主放大器對(duì)信號(hào)功率逐級(jí)放大。同時(shí)，由時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路提取出的時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)對(duì)接收到的突發(fā)式信號(hào)動(dòng)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(gè)由MAXl674組成的升壓電路，將+3．3V升壓到+5V。 圖3 要實(shí)觀交發(fā)式上行信號(hào)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(jī)的快速同步技術(shù)多采用相關(guān)法和多相位時(shí)鐘采樣法。相關(guān)法適合100Mb／s以下的PON系統(tǒng)，而多相位時(shí)鐘采樣法需要硬件和軟件的支持，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。所以本設(shè)計(jì)采用了注入鎖相環(huán)法的同步技術(shù)。如圖4所示。光電探測鋁首先將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由于信號(hào)在傳輸過程中存在延時(shí)，其幅度、相位都發(fā)生了不同程度的改變，因而此時(shí)接收到的是突發(fā)式電信號(hào)。首先對(duì)其進(jìn)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(gè)頻率和相位的信號(hào)作為注入信號(hào)，與所接收到的突發(fā)信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)新的參考信號(hào)，與壓控振蕩器所產(chǎn)生的某一個(gè)基準(zhǔn)頻率通過鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)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(zhǔn)頻率，最終將鎖定狀態(tài)頻率的信號(hào)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。 圖4 155Mb／s突發(fā)式接收模塊的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是上行突發(fā)光接收。由于到達(dá)OLT的突發(fā)信號(hào)其幅度、相位都不同，所以要求接收模塊對(duì)每個(gè)上行突發(fā)塊能夠在極短的時(shí)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(duì)于100Mb／s以下的速率是可取的．但對(duì)于155Mb／s時(shí)不能滿足要求，因此．筆者提出了直流耦合的動(dòng)態(tài)閾值判決方式。 圖5 信號(hào)經(jīng)過前置放大器直流耦合到主放大器，LUBORAl55主放大器動(dòng)態(tài)地建立閾值以接收兩個(gè)連續(xù)的強(qiáng)度不同的信息包。另外，為了保證可用帶寬，還必須進(jìn)行帶寬補(bǔ)償和自動(dòng)閾值控制以確保系統(tǒng)的工作速率為155Mb／s。帶寬補(bǔ)償功能由正負(fù)帶寬補(bǔ)償引腳完成，適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(shí)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(dòng)態(tài)范圍；LUBORA155具有自動(dòng)閾值控制電壓的功能。能夠接收不同的輸入信號(hào)電子。從而建立不同的閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)判決。 經(jīng)過主放大器后的信號(hào)到達(dá)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，其功能由LUBCDRl55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(hào)分為兩路，以LV-PECL的正負(fù)極性數(shù)據(jù)輸入到兩個(gè)振蕩器中。同時(shí)，從系統(tǒng)時(shí)鐘來的時(shí)鐘信號(hào)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(gè)振蕩器中。然后，兩個(gè)振蕩器經(jīng)過一個(gè)或門產(chǎn)生恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)，其原理是從輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)的瞬時(shí)相位中恢復(fù)時(shí)鐘；恢復(fù)的時(shí)鐘與輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)一起再驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器產(chǎn)生恢復(fù)的數(shù)據(jù)信號(hào)。由于此時(shí)恢復(fù)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)有一定的抖動(dòng)，所以要經(jīng)過FIFO與系統(tǒng)時(shí)鐘以及RESET信號(hào)一起消除抖動(dòng)，其原理是由恢復(fù)的時(shí)鐘與輸入信號(hào)中的基準(zhǔn)時(shí)鐘相同步以消除失步。另外，LUBCDRl55的工作特性可實(shí)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。 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(jì) 突發(fā)式發(fā)射和接收模塊因其工作于一個(gè)特定的環(huán)境中，所以不能象一般收發(fā)模塊那樣進(jìn)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(hào)，所有的控制都與這個(gè)控制信號(hào)有關(guān)；同時(shí)還必須為接收模塊產(chǎn)生相應(yīng)的重置信號(hào)以恢復(fù)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，而重置信號(hào)在時(shí)間上必須比數(shù)據(jù)信號(hào)早2個(gè)比特以上，一般是3個(gè)比特。突發(fā)式光信號(hào)模擬產(chǎn)生系統(tǒng)方框圖如圖6所示。 從信號(hào)源取出155Mb／s數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過緩沖器Bufferl變換為兩路ECL電平的電平信號(hào)，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(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過緩沖器Buffer2變換為ECL時(shí)鐘信號(hào)，與數(shù)據(jù)信號(hào)一起作用于包產(chǎn)生器，生成兩個(gè)不同時(shí)隙的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過MUX分成兩路數(shù)據(jù)包。 圖7和圖8 (2)測試結(jié)果 通過測試，采用峰值功率控制方法沒計(jì)的發(fā)射模塊消光比可達(dá)25dB，關(guān)斷光功率小于-43dB；突發(fā)信號(hào)在經(jīng)過接收模塊中的前放和主放大器后到達(dá)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，能很好地還原信號(hào)，信號(hào)波形見圖7和圖3，突發(fā)式接收模塊的靈敏度不小于-33dBm，動(dòng)態(tài)范圍不小于15dB，飽和光功率為-8dBm，響應(yīng)速度≤8bit。 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(jì)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(jì)也與以往不同。本文給出了收發(fā)模塊具體的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)路線并通過測試進(jìn)行了驗(yàn)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(biāo)均達(dá)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。