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

摘要：主要研究APON中155Mb/s突發(fā)式光收發(fā)模塊及其測試。對突發(fā)式發(fā)射模塊中的自動功率控制電路提出了采用峰值控制的方法；對突發(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 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)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)模塊的沒計有很大不同，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l00Mb／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(jī)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者施以減少和補(bǔ)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。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LUBLD55。其控制信好中的framing由系統(tǒng)提供，而overhead信號則由模塊自行產(chǎn)生。LUBLDl55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，光二吸管的電容Cpd被預(yù)充電到一個已知的電壓Vpc。這洋在隨后的突發(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Lref進(jìn)行放電。當(dāng)?shù)诙€突發(fā)信號結(jié)束時，電容的電壓Vx(標(biāo)有X的節(jié)點無限地、并在每兩個突發(fā)信號之間進(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(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前置放大器對信號進(jìn)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；LUBORAl55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MAXl674組成的升壓電路，將+3．3V升壓到+5V。 圖3 要實觀交發(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(jī)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。光電探測鋁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(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(jìn)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(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。 圖5 信號經(jīng)過前置放大器直流耦合到主放大器，LUBORAl55主放大器動態(tài)地建立閾值以接收兩個連續(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；LUBORA155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子。從而建立不同的閾值進(jìn)行動態(tài)判決。 經(jīng)過主放大器后的信號到達(dá)時鐘與數(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)信號分為兩路，以LV-PECL的正負(fù)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(zhǔn)時鐘相同步以消除失步。另外，LUBCDRl55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。 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(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，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。 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Bufferl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。 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)信號在經(jīng)過接收模塊中的前放和主放大器后到達(dá)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3，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。 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(jìn)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(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。