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(hào)是在短距離內(nèi)傳輸，然而，一些應(yīng)用要求更長(zhǎng)的距離。T3/E3/STS-1光纖/銅線變換器把銅線上的信號(hào)變換為在光纖鏈路傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/光纖">光纖信號(hào)。一對(duì)變換器能擴(kuò)展T3/E3/STS-1信號(hào)使其優(yōu)于銅線性能指標(biāo)，所用的T3/E3/STS-1信號(hào)突破樓宇內(nèi)的長(zhǎng)度限制。T3信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度連接是380米，E3信號(hào)長(zhǎng)度連接為440米，STS-1標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)長(zhǎng)度連接是360米，而光纖連接可達(dá)到幾英里。然而，對(duì)于在光纖中傳輸T3/E3/STS-1信號(hào)，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。典型的設(shè)計(jì)包括采用SC或ST連接器和不同波長(zhǎng)(如850nm，1310nm和1550nm)的單?；蚨嗄９饫w。光束波長(zhǎng)將決定工程師是否需要增強(qiáng)光元件設(shè)計(jì)來(lái)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(hào)必須從電信號(hào)變換為光信號(hào)。在接收器中，過(guò)程相反。大多數(shù)設(shè)計(jì)在每個(gè)方向(即TX和RX)用兩根光纖。然而，由于光的獨(dú)特性，可以用光雙工器，在一根光纖上在實(shí)現(xiàn)全雙工連接，兩個(gè)方向采用相同波長(zhǎng)。

　　STS-1是同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)中傳輸?shù)幕締卧?。STS-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(shuō)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(shí)鐘和數(shù)據(jù)一起的線路編碼/譯碼通常采用Manchester技術(shù)。對(duì)于光纖中的光信號(hào)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(cè)來(lái)自光纖的信號(hào)并把光信號(hào)變換回電信號(hào)，在時(shí)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(duì)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(hào)為電流信號(hào)。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(duì)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(duì)電路會(huì)增加更多噪聲而且需要冷卻。

　　光電檢測(cè)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(hào)。TIA在輸入應(yīng)提供大的動(dòng)態(tài)范圍和高過(guò)載容限。TIA噪聲必須降到能提供由于發(fā)射器老化和/或長(zhǎng)傳輸距離使接收光信號(hào)變?nèi)跛仨毜母咻斎腱`敏度。為了避免由于強(qiáng)光信號(hào)出現(xiàn)失真所導(dǎo)致的誤碼，需要高過(guò)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(gè)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(hào)強(qiáng)度。

　　在LA之后是時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)單元。CDR再生原來(lái)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)流，對(duì)來(lái)自LA的輸入信號(hào)執(zhí)行定時(shí)和幅度電平判定。集成時(shí)鐘恢復(fù)電路遇到的問(wèn)題是要滿足抖動(dòng)性能指標(biāo)。當(dāng)幾個(gè)偽隨機(jī)位模板施加在一起時(shí)，可以從眼圖(圖2)看到相應(yīng)的信號(hào)質(zhì)量。

　　因?yàn)镃DR必須接受一定量的輸入數(shù)據(jù)抖動(dòng)來(lái)達(dá)到正常的無(wú)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(dòng)容限的建議。抖動(dòng)傳輸涉及到所允許的抖動(dòng)部分從CDR輸入傳輸?shù)捷敵?，而抖?dòng)的產(chǎn)生由CDR本身生成。在系統(tǒng)的每一級(jí)，恢復(fù)時(shí)鐘能夠傳輸?shù)较乱粋€(gè)再生器，使抖動(dòng)得以累積。線路終端接收器不需要滿足抖動(dòng)傳輸和抖動(dòng)產(chǎn)生性能指標(biāo)，因?yàn)樵偕鷶?shù)據(jù)與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)恢復(fù)，用鎖相環(huán)(PLL)來(lái)同步時(shí)鐘與數(shù)據(jù)流是重要的，這樣可保證時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)字中心。光接收器系統(tǒng)就包含調(diào)節(jié)時(shí)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(hào)異步上升和下降過(guò)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(jiàn)圖3)。在光窗口內(nèi)，信號(hào)得益于每光纖長(zhǎng)度單位較小的色散和較小的衰減。用“激光器驅(qū)動(dòng)器”單元調(diào)制激光二極管或LED(見(jiàn)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(duì)于很長(zhǎng)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(lái)設(shè)置信號(hào)傳輸?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)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(hào)其特性是不同的。

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

　　另外，還必須補(bǔ)償由時(shí)間和溫度引起的光信號(hào)強(qiáng)度的變化。這可用其他外部電路或集成的自動(dòng)調(diào)制控制(AMC)來(lái)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(dòng)器斷開(kāi)，而不是用中斷輸入端的數(shù)據(jù)接收來(lái)停止激光器傳輸。

　　以下給出了針對(duì)上述準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化處理，采用Maxim/Dallas器件實(shí)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(hào)鏈路。在光接收器端，選用MAX3657做為T(mén)IA，AC耦合輸出可減小漂移。MAX3645是LA，帶有信號(hào)丟失檢測(cè)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(diǎn)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(hào)或單端時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。CMI/PECL差分到單端雙極性時(shí)鐘和數(shù)據(jù)變換器單元，對(duì)調(diào)理DS3150LIU信號(hào)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L(zhǎng)D。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(hào))取時(shí)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(wèn)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。■