浅析突发模式收发器芯片组的设计

1、突发模式收发器芯片组的设计一、 前言由于新型应用和需求的增多，发展迅速，带宽逐渐成为制约用户宽带网性能的关键。采 用（无源）可以解决此关键。它具有高带宽及透明的特点，是一种点对多点的传输和接入技 术。已成为处理控制中心的（Central Ofice ）连接到最终用户的最后里程（the Last Mile ）的首选方案。从图一，无源光纤系统的结构可看出，局端（OLT ）与用户端（ONU ）之间只有光纤，光分路器（Splitters ）等无源器件。节省了光纤资源，无需有源器件和设备，可有效降低 网络成本。同时，因为结构简单，大大节省运营维护成本。目前无源光网络（PON ）已成为光纤到户（Fiber

2、 to the home）主要的网络结构。系统从OLT到ONU为下行方向。下行通信时用模式把所有的数据包汇成一个数据流，通过 光纤采用广播方式传送。在接收端，用户以适当的地址选择获得其所需的数据包。上行通信（从ONU到OLT）是相当困难的，因为多个用户都用同样的光纤进行传送。在任何时刻只允许一个用户能传送数据包到OLT。协议可用来保证上述的条件。也就是要求ONU在没有传送信号时处于关断状态，而在传送信号时要很快打开，这就时需要ONU支持特殊的突发模式发射器与接收器。因此，上行接入是系统设计的关键，而支持突发模式的收发器也就成 为整个系统的重点和难点。LDD为连续工作模式，而跨阻 TIA和限幅放

3、大器LA则需支 ONU ），跨阻放大器TIA和限幅放大器LA支持连续工作模康一；T* Nr'OB'Tf在局端（OLT），驱动器 持突发工作模式。在用户端（ 式，激光驱动器 LDD需支持突发工作模式。从图一和图二可了解到无源光纤网络的一般配置。其中有些芯片需采用突发模式的，如 BM-TIA ，BM-LA和BM-LDD 三种芯片。本文将谈及这三种芯片的原理和特点。重点是突 发模式激光驱动器 BM-LDD。以下主要讲述突发模式跨阻放大器（BM-TIA ）、突发模式限幅放大器（BM-LA）和突发模式激光驱动器（BM-LDD ）与连续工作模式激光驱动器的主要差别。突发模式TIA与突发模式

4、LA1.突发模式TIA和一般TIA的主要差别在于：它必须应对没有直流分量的输入信号（要直流耦合）而且突发间的输出幅度变化要求大于30dB。有关输出基准偏移电压（outputoffset voltage）的问题可以留着待处理其后的BM-LA时再一起解决。也可以用以下所示的图三偏移检测电路来解决。偏移控制：偏移控制电路能逐个地去除突发的输出偏移的机理是，在每次突发到来之前 就把偏移（ofset ）调整好了。这种电路也称为自适阈控制电路”（Adaptive Threshold con trol circuit ）。此电路是如何消除输出偏移电压的？现在我们先不管电流源IOS，当突发信息到来之前，峰值检

5、测器被复位到放大器的两个输出端都输出共模电压。此时差分输出电压为0V。然后，突发的第一位 “ 1到达，VOP上升而VON下降。Vop的峰值存贮在峰值检测器内 并反馈到放大器的输入端。当下一个“0位到达时，峰值检测器的电压值会出现在VON输出端。因为RF 上没有电压降（没有输入电流），没有电压跨接在放大器输入端上，而且也 没有跨接在RF的电压降（没有光电流）。因此，二个输出信号的峰值是相等的即输出偏移（output offset）就消除了。这种突发模式TIA的差分跨阻大约为 2 -RF。啁啾控制（Chatter control ）:对BMTIA，除了偏移控制以外，还有另一个麻烦。即 突发之间的间

6、隔时间太长，长时间没有接收到突发光信号，也就TIA的峰值检测器复位时间维持太长，那么放大器的噪声会与输出信号交迭而产生序列随机码，被称之为啁啾。有一个办法可以解决这个问题，就是人为的利用电流源IOS引进小的偏移电压，见图三中的虚线部分。 此偏置电压必须经大于峰值噪声电压以控制啁啾，但也不能太大，否则会降低灵敏度。2.突发模式LA和连续模式LA有什么差别？图四（a）示出单边连续模式 LA，其输入 信号通过交流耦合网络。数据信号被AC耦合网络的平均直流削波。因为连续模式信号是DC平衡的，其平均值相应于在眼图的垂直中心。假如我们用AC耦合来处理突发模式信号如图四（b）所示的那样，其削波水平依旧是在信

7、号的平均电平之上，但现在的眼图垂直中 心部分会出现许多误码、脉宽畸变以及一些不合需要的后果。在突发模式接收器的 TIA和LA （也可包括）必须是DC耦合，而且这些器件所产生的各种各样的偏移电压也必须是可控制的。就前面所述的 偏移不大的话则无需另加偏移控制电路。相反地，如果BMTIA 而言，如果由 LA而产生的TIA没有偏移控制或是单端输出的话，那么LA就必须具有完成偏移控制的功能。圉五DC狷占的宪忘樽式跟鴨故大盘图五示出一种具有削波控制的单端输出的LA。图中符号VSL代表削波的电平（Slice-level ，可理解为单端输出信号的平均直流）。采用一种脉冲峰与谷检测器来分别地确定输入信号的最大值

8、和最小值。其平均值由与之相匹配的电阻R和R获得，并作为削波电平VSL。此电路总是在垂直眼图的中心削波输入数据信号与输入数据信号的平均值无 关。为了准确地获取每次突发数据信号的脉冲幅度，此峰/谷检测器在每次突发间隔期间必须进行复位。必须牢记，在突发模式系统中，从一次突发到下一次突发，信号幅度发生很大变化情况是常见的。如图一中所示的 Loud/Soft Ratio（响/静比）较大。三、突发模式驱动器激光驱动器有两种工作模式：连续模式激光驱动器，缩写为LDD ;突发模式激光驱动器，缩写为BM-LDD。以下均采用缩写。所谓突发就是突然瞬间发送一批数据信息，发完 就停，且停发时间可长可短，带有随机性。B

9、M-LDD和LDD的主要差别在于：（1 ） BM-LDD要求突发与停止突发期间具有很高的消光比。（2 ） BM-LDD的自动功率控制（APC ）具有保持功能，能确保正确地传送突发的数 据信号。1、突发之间的消光比突发模式发射器通常是用于多用户的。故要求在突发间隔期间不应有的光输出（干扰光）很低。例如，在系统中有 32个用户，某一家的光数据信号输出在共用的传媒中就会受到其 余31家干扰光输出的 污染”这些背景光会减小光输出的消光比。一般情况下，对BMLDD而言，其突发之间的消光比应大于30dB。对突发期间内的消光比 10dB ，和连续模式的LDD发射器的相似。为达到如此之高的消光比，在二次突发之

10、间的偏流应尽可能地低（即工作点选择在刚好 低于激光器阈值电流一点点）或者是零。在一旦突发发射时，偏流可以很快地增加上去，以减少导通延迟和抖动。此外，BMLDD为了在其它任何一家用户的下一次突发发射开始之前 达到30dB的消光比往往在其激光二极管旁并联一个晶体管用来在突发发射结束时很快的 去掉载流子（变暗）。2、自动功率控制为了满足突发工作模式，突发模式激光驱动器BM-LDD采用了具有保持功能的自动功率控制电路（APC）。给自动功率控制电路可以保持上一个突发时序的自动功率控制电路的 直流偏置值，这样在下一个突发序列出现时，可以较快的建立一个稳定的APC回路。以下三种方式可应用于突发模式 APC。

11、（1）.采用峰值检测器如图六所示，从功率监控光电二极管来的电流经 TIA转换为电压，然后峰值检测器检测 出与发射功率相对应的峰值。激光输出功率可调节直到峰值输出电压等于参考电压 VREF 为止。P©w*r Control然而，图六的方法存在着些缺点：1 ）当长时间没有突发发射时，在下一个突发到来之前，模拟峰值检测器的输出会偏离实际上的峰值，会引起输出功率出现差错。2 ）运行在高速码率时，需要用快速的光二极管。3)运行在高速码率时，TIA和峰值检测器的功率消耗是相当突出的。(2 )用一种积分与放电的电路和数字存储器来实现的突发模式APC。Power Corrtrol国七墓于职柚与放电电

12、路和数手存贮的寒友程式APC这种APC可以克服上述的缺点，示于图七。功率水平被贮存在数字可上升/下降的计数器内，计数器所存的计数是不会随时间变化的。在电源开通时，它能保持住精确的功率水平。因此，在突发开始时输出功率的误差就可避免掉。在突发期间，可用突发时钟”信号来增加或减小其功率水平。计数的增减可由上升/下降信号“u/d ”来决定。产生的方法如下：在突发开始之前，电容器 C (节点X)由复位开关SR放电简单的放一下电。在突发发射期间， 光电二极管电流iPD(t)给电容器C充电(积分)，而想要的峰值电流 IREF由发射数据通 过开关SD来调制而产生iREF(t)，即对同样的电容器 C进行放电的放

13、电电流。当突发发射结束的那一刻，电容器被充电产生的电压如下：HE J图7 BM.LDD勒型功能图其中，IPD是光电二极管电流的峰值，突发期间内1的数目(number of ones )， B是码率(bit rate )。比较器将此电压与0V (复位电压)进行比较。从上述公式可见这比 较的结果只受 IPD IREF 影响而与 C、 B 和 n1 无关。如果这个差值是正的，计数器的计 数逐步减小，如果是负的，则计数器的计数就逐渐增加。（3 ）采用数字功率控制器 APC从上述的第二种方法可看到其精确控制功率的技术是和数字化的计数器存贮相关的。 已 涉及点数字技术。数字控制 APC 确实是好办法，以市

14、场上可获得的 BM-LDD 为例作些说 明，它还可以通过对 Enable 和 Disable 功能管脚的设置来实现非突发模式（连续模式）， 以增加芯片的兼容性和节省功耗。BM-LDD 应具有三个主要部件， 高速调制器、 高速偏置驱动器和数字自动功率控制的激 光偏置方块。器件功能示于图八。数字 APC 回路可自动补偿因环境温度和激光器寿命而引 起的激光阈值电流的变化。数字 APC 由 DAC （数字模拟变换）、 （数字信号处理）和 ASP （模拟信号处理）三个部分组成。每当电源关断时，数字 APC 环路就复位。当电源再开通 时，APC环路就自行完成初始化。初始化的时间一般为 2.1 3.72 s与不同的设置状态有关。数字 APC 的突发模式激光驱动器 BM-LDD 可应用于： FTTx 宽带通信系统，无源网络 （PON ）发射器，、和上行发射器。（4）. 某些连续模式的 LDD 经适当的外围电路修改后加上快速模拟开关可用作为突发 模式。（对突发模式应用，激光驱动器与激光二极管必须采用DC 耦合）四、 小结突发模式的特点就是其突发性，二次突发之间的时间间隔可长可短，而且突发还带有随 机性。因此要求 TIA 、LA、LDD 及进入正常工作状态和结束工作状态的过程要快。它和连 续模式有很大的不同，因为两者所采用 APC 方式不同，连续模式基本上就是个