T3/E3/STS-1光纖擴展

2004年6月A版

引言

　　典型的T3/E3/STS-1信號是在短距離內傳輸，然而，一些應用要求更長(cháng)的距離。T3/E3/STS-1光纖/銅線(xiàn)變換器把銅線(xiàn)上的信號變換為在光纖鏈路傳輸的光纖信號。一對變換器能擴展T3/E3/STS-1信號使其優(yōu)于銅線(xiàn)性能指標，所用的T3/E3/STS-1信號突破樓宇內的長(cháng)度限制。T3信號標準長(cháng)度連接是380米，E3信號長(cháng)度連接為440米，STS-1標準信號長(cháng)度連接是360米，而光纖連接可達到幾英里。然而，對于在光纖中傳輸T3/E3/STS-1信號，沒(méi)有標準。典型的設計包括采用SC或ST連接器和不同波長(cháng)(如850nm，1310nm和1550nm)的單?；蚨嗄９饫w。光束波長(cháng)將決定工程師是否需要增強光元件設計來(lái)滿(mǎn)足終端用戶(hù)的應用。

　　為了經(jīng)光纖發(fā)送數據，首先信號必須從電信號變換為光信號。在接收器中，過(guò)程相反。大多數設計在每個(gè)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(shí)現全雙工連接，兩個(gè)方向采用相同波長(cháng)。

　　STS-1是同步光纖網(wǎng)絡(luò )(SONET)中傳輸的基本單元。STS-1是OC-1銅線(xiàn)基版本。STS-1也稱(chēng)之為EC-1。T3和E3是準同步數字序列(PDH)中的第3分層。表1為有關(guān)波特率說(shuō)明。

表1   波特率與分層標準關(guān)系

    波特率   　　　　 　　分層

    34.368Mbps-E3  　　　PDH

    44.736Mbps-T3  　　　PDH

    51.840Mbps-STS-1    SONET

　　在TDM系統，時(shí)鐘和數據一起的線(xiàn)路編碼/譯碼通常采用Manchester技術(shù)。對于光纖中的光信號調制，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。光接收機檢測來(lái)自光纖的信號并把光信號變換回電信號，在時(shí)鐘和數據恢復前必須放大它們。圖1示出用于光TDM系統的典型接收器和發(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(huì )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，然后轉換為差分信號。TIA在輸入應提供大的動(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(cháng)傳輸距離使接收光信號變弱所必須的高輸入靈敏度。為了避免由于強光信號出現失真所導致的誤碼，需要高過(guò)載容限。TIA的最大增益依賴(lài)于工作頻率，為了保證穩定工作，只有在窄范圍內使工作頻率最佳化。TIA必須接1個(gè)后置放大器，后置放大器通常稱(chēng)之為限幅放大器(LA)。LA給出輸出電壓擺幅，其最大值依賴(lài)于輸入信號強度。

　　在LA之后是時(shí)鐘和數據恢復(CDR)單元。CDR再生原來(lái)的時(shí)鐘和數據流，對來(lái)自L(fǎng)A的輸入信號執行定時(shí)和幅度電平判定。集成時(shí)鐘恢復電路遇到的問(wèn)題是要滿(mǎn)足抖動(dòng)性能指標。當幾個(gè)偽隨機位模板施加在一起時(shí)，可以從眼圖(圖2)看到相應的信號質(zhì)量。

　　因為CDR必須接受一定量的輸入數據抖動(dòng)來(lái)達到正常的無(wú)誤差工作，所以，在線(xiàn)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輸入傳輸到輸出，而抖動(dòng)的產(chǎn)生由CDR本身生成。在系統的每一級，恢復時(shí)鐘能夠傳輸到下一個(gè)再生器，使抖動(dòng)得以累積。線(xiàn)路終端接收器不需要滿(mǎn)足抖動(dòng)傳輸和抖動(dòng)產(chǎn)生性能指標，因為再生數據與系統時(shí)鐘同步。

　　對于數據恢復，用鎖相環(huán)(PLL)來(lái)同步時(shí)鐘與數據流是重要的，這樣可保證時(shí)鐘對準數據字中心。光接收器系統就包含調節時(shí)鐘和數據之間相位關(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(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)標準光纜發(fā)送信息(見(jiàn)圖3)。在光窗口內，信號得益于每光纖長(cháng)度單位較小的色散和較小的衰減。用“激光器驅動(dòng)器”單元調制激光二極管或LED(見(jiàn)圖1)。

　　直接調制半導體激光二極管(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(cháng)的距離和/或非常高的波特率，喜歡用激光二極管。所有用于直接調制的半導體激光器二極管都需要DC偏置電流來(lái)設置信號傳輸的工作點(diǎn)和調制電流。DC偏置和調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(shí)間和溫度的變化)，其激光器驅動(dòng)器必須保持最初調節的DC工作點(diǎn)。為了補償，通常把自動(dòng)功率控制(APC)集成在激光器驅動(dòng)器內。為了檢測有效的激光器輸出功率，一個(gè)內部監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動(dòng)器與輸出設置點(diǎn)比較。任何差別會(huì )導致DC偏置電流增大或減小，以便穩定在原來(lái)的設置點(diǎn)。

　　另外，還必須補償由時(shí)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(dòng)調制控制(AMC)來(lái)解決。AMC通常使用APC環(huán)路中監控器光電二極管。除這些功能外，系統必須把驅動(dòng)器斷開(kāi)，而不是用中斷輸入端的數據接收來(lái)停止激光器傳輸。

　　以下給出了針對上述準則進(jìn)行優(yōu)化處理，采用Maxim/Dallas器件實(shí)現的完整系統。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T(mén)IA，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(xiàn)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差分信號或單端時(shí)鐘和數據。CMI/PECL差分到單端雙極性時(shí)鐘和數據變換器單元，對調理DS3150LIU信號到同軸線(xiàn)發(fā)送是必須的。

　　在光發(fā)送器端，選用帶APC的MAX3667做為L(cháng)D。也需要單端雙極性到CMI/PECL的差分變換器從DS3150LIU(從同軸線(xiàn)接收信號)取時(shí)鐘和數據流。在圖4所示的系統中只有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?！?BR>