HFTA-09.0： T3/E3/STS-1 光纖擴展

本應(yīng)用筆記將介紹設(shè)計T3/E3/STS-1光纖到銅介質(zhì)轉(zhuǎn)換器所需的條件。這種設(shè)備將獲取銅信號并將其轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖鏈路傳輸。一對轉(zhuǎn)換器將透明地將T3/E3/STS-1信號擴展到其銅規(guī)格之外。例如，這允許在建筑物內(nèi)長度限制之外使用 T3/E3/STS-1 信號。

介紹

通常，T3/E3/STS-1 信號在短距離內(nèi)傳輸，但某些應(yīng)用需要更長的距離。T3/E3/STS-1 光纖到銅轉(zhuǎn)換器接收銅纜信號并將其轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖鏈路傳輸。一對轉(zhuǎn)換器將 T3/E3/STS-1 信號擴展到銅纜規(guī)格之外，允許 T3/E3/STS-1 信號在建筑物內(nèi)長度限制之外使用。雖然 T3 信號的標(biāo)準(zhǔn)長度為 380m，E3 信號長度為 440m，STS-1 標(biāo)準(zhǔn)信號長度為 360m，但光纖連接可以達(dá)到數(shù)英里。但是，沒有通過光纖傳輸 T3/E3/STS-1 的標(biāo)準(zhǔn)。典型設(shè)計可以包括使用 SC 或 ST 連接器的單模或多模光纖，以及不同的光學(xué)波長，例如 850nm、1310nm 和 1550nm。光學(xué)預(yù)算長度決定了工程師是否需要增強光學(xué)元件設(shè)計以滿足最終用戶的應(yīng)用。

要通過光纖電纜傳輸數(shù)據(jù)，必須首先將信號從電域轉(zhuǎn)換為光域。在接收器處，該過程被逆轉(zhuǎn)。大多數(shù)設(shè)計為每個方向使用兩根光纖束：Tx 和 Rx。然而，由于光的獨特性質(zhì)，可以使用光學(xué)雙工器，以便在一根光纖上設(shè)計全雙工連接，在兩個方向使用相同的波長。本應(yīng)用筆記討論了一種簡單的全雙工系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用兩股單模光纖實現(xiàn)更長的距離。

STS-1 是同步光網(wǎng)絡(luò) （SONET） 中的基本傳輸單元。它是OC-1的銅基版本。STS-1也稱為EC-1。T3 和 E3 都位于同步數(shù)字層次結(jié)構(gòu) （PDH） 中的第三個層次結(jié)構(gòu)。表 1 說明了相應(yīng)的比特率。

表 1.比特率與分層標(biāo)準(zhǔn)

在時分復(fù)用（TDM）系統(tǒng)中，曼徹斯特技術(shù)通常用于時鐘和數(shù)據(jù)一起進(jìn)行線路編碼/解碼。至于光纖上光信號的調(diào)制，激光器/LED發(fā)射器/接收器對二進(jìn)制1使用“亮起”，對二進(jìn)制0使用“燈關(guān)閉”。由于光接收器檢測來自光纖的信號并將其轉(zhuǎn)換回電信號，因此必須在時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)之前放大它們。圖1顯示了光TDM系統(tǒng)的典型接收器和發(fā)射器對的框圖。

圖1.用于光纖TDM傳輸?shù)牡湫徒邮掌?發(fā)射器對。

光接收器性能

在光鏈路的接收端，PIN二極管或雪崩光電二極管（APD）光電探測器將接收到的光轉(zhuǎn)換為電流信號。PIN二極管的工作電源與3.3V其他元件相同，比APD便宜。但是，對于接收到的給定光功率，PIN二極管發(fā)射的電子比APD少，因此如果需要將接收器放置在離發(fā)射器更遠(yuǎn)的地方，APD是更好的選擇。與PIN二極管不同，APD需要一個偏置電路，這可能需要30V至100V范圍內(nèi)的反向工作電壓。除了成本增加之外，APD還會給電路增加更多噪聲，需要冷卻。

光電檢測器將輸出電流輸送到跨阻放大器（TIA）。TIA將該電流轉(zhuǎn)換為電壓，放大該單端電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為差分信號。TIA 應(yīng)在輸入端提供較大的動態(tài)范圍和高過載容限。必須降低TIA噪聲，以提供接收因發(fā)射器老化和/或長傳輸距離而減弱的光信號所需的高輸入靈敏度。需要高過載容限，以避免在存在強光信號時由于失真而導(dǎo)致的位錯誤。TIA的最大增益取決于其工作頻率，只能在很窄的范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化，以確保穩(wěn)定工作。TIA功能之后必須有一個后置放大器，通常稱為限幅放大器（LA）。LA提供輸出電壓擺幅，其最大值與輸入信號強度無關(guān)。

時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù) （CDR） 塊位于 LA 之后。CDR 通過對來自 LA 的輸入信號執(zhí)行定時和幅度電平?jīng)Q策來重新生成原始時鐘和數(shù)據(jù)流。集成時鐘恢復(fù)電路面臨的挑戰(zhàn)是滿足抖動規(guī)范建議。當(dāng)疊加多個偽隨機位模式序列時，可以在“眼圖”中看到信號質(zhì)量（見圖2）。

圖2.“眼圖”說明了數(shù)據(jù)流的質(zhì)量。

由于CDR必須接受一定量的輸入數(shù)據(jù)抖動才能實現(xiàn)正常的無差錯操作，因此線路端接和再生器應(yīng)用中的所有接收器單元都必須符合抖動容限建議。抖動傳輸是指允許從CDR的輸入傳輸?shù)捷敵龅亩秳硬糠?，抖動產(chǎn)生是由CDR本身產(chǎn)生的。在系統(tǒng)的每個階段，恢復(fù)的時鐘能夠傳輸?shù)较乱粋€再生器，從而允許抖動貢獻(xiàn)累積。線路終端接收器不需要滿足抖動傳輸和抖動生成規(guī)范，因為重新生成的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)時鐘同步。

對于數(shù)據(jù)恢復(fù)，重要的是使用鎖相環(huán)（PLL）將時鐘與數(shù)據(jù)流同步，這將確保時鐘與數(shù)據(jù)字的中間對齊。光接收器系統(tǒng)應(yīng)包括調(diào)整時鐘和數(shù)據(jù)之間相位關(guān)系的選項。這將有助于在接收數(shù)據(jù)信號出現(xiàn)不對稱上升和下降轉(zhuǎn)換的情況下最小化誤碼率（BER）。

光發(fā)射機性能

在光鏈路的發(fā)射端，激光二極管或LED將電位序列隱藏為光脈沖。第二和第三光學(xué)窗口通常用于在電信網(wǎng)絡(luò)中通過標(biāo)準(zhǔn)光纜傳輸信息，如圖3所示。在光學(xué)窗口內(nèi)，信號受益于每單位光纖長度的色散和衰減較小。半導(dǎo)體激光管或 LED 由“激光驅(qū)動器”模塊調(diào)制（見圖 1）。

圖3.第一、第二和第三光學(xué)窗口的衰減和色散。

直接調(diào)制半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光二極管，如電吸收、分布式反饋和馬赫曾德型，是一種具有高光譜純度的光源，可以在第三個光學(xué)窗口中工作。因此，激光二極管是超長距離和/或非常高比特率的首選。所有用于直接調(diào)制的半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光管都需要直流偏置電流來設(shè)置工作點，并需要調(diào)制電流來傳輸信號。直流偏置和調(diào)制電流的值取決于半導(dǎo)體激光管的特性，這些特性可能因類型而異。

為了補償激光特性隨時間和溫度的漂移，激光驅(qū)動器必須保持初始調(diào)整的直流工作點。為了補償，激光驅(qū)動器中通常集成了自動功率控制（APC）。為了檢測實際的激光功率輸出，內(nèi)部監(jiān)控光電二極管將激光轉(zhuǎn)換為成比例的電流，并將其反饋給激光驅(qū)動器，以便與輸出設(shè)定點進(jìn)行比較。任何差異都會導(dǎo)致直流偏置電流根據(jù)需要增加或減少，以達(dá)到原始設(shè)定點。

可能還需要補償由時間和溫度引起的光信號強度變化。這可以通過額外的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)路中已經(jīng)存在的監(jiān)控光電二極管。除了這些功能之外，系統(tǒng)還必須能夠通過禁用驅(qū)動器來停止激光傳輸，而不會中斷輸入端的數(shù)據(jù)接收。

特定系統(tǒng)塊

以下部分介紹一個完整的系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)化了上述標(biāo)準(zhǔn)，并在可用的情況下使用Maxim器件。圖4顯示了用于T3/E3/STS-1操作的光收發(fā)器的信號鏈。在光接收器側(cè)，選擇MAX3657作為TIA，其中輸出的交流耦合較大，以減小漂移。MAX3645為LA，包含信號丟失檢測器。LA之后所需的低通濾波器需要是四階貝塞爾或線性相位LPF，其中3dB帶寬設(shè)定點被選為所選比特率的80%。CDR 器件需要使用曼徹斯特解碼并輸出碼標(biāo)記反轉(zhuǎn)/正發(fā)射極耦合邏輯 （CMI/PECL） 差分信號或單端時鐘和數(shù)據(jù)?？赡苄枰狢MI/PECL差分至單端雙極性時鐘和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模塊來調(diào)理DS3150 LIU的信號，以便從同軸線傳輸出去。

在光發(fā)送端，選擇帶APC的MAX3667作為LD。還需要一個單端雙極性至CMI/PECL差分轉(zhuǎn)換器，從同軸線路接收DS3150 LIU的時鐘和數(shù)據(jù)流。圖4中的系統(tǒng)僅顯示了T3/E3/STS-1收發(fā)器的一側(cè)。需要另一組才能允許全雙工操作。有關(guān)具體設(shè)計程序，請參閱相應(yīng)的數(shù)據(jù)表。如果光電二極管使用APD代替PIN二極管，則MAX1932可以提供偏置，并可由MAX1968控制。

圖4.采用Maxim器件的光TDM傳輸收發(fā)器系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷