（光学工程专业论文）25gbs突发模式光接收机设计.pdf

z 0 0 0 弋r ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ，签名： 歪显盈 日期：加p 年歹月形日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：王耀堕 导师签名： 日期：沙 摘要 摘要 无源光网络( p o n ) 是当前最热门的高速接入网技术，采用点对多点拓扑结构。 上行传输运用时分多址接入技术( t d m a ) ，多个用户共享一个光线路终端( o l t ) ， o l t 接收的是幅度和相位变化很大的突发信号。在光纤骨干网中，光突发交换( o b s ) 作为实现光分组交换( o p s ) 的前身，极具实用价值和发展前景。在p o n 和o b s 中， 都需要高速处理突发信号，突发模式光接收机( b m r ) 作为其关键技术，一直是研究 的热点。 本文针对传输速率为2 5 g b s 的突发信号进行突发模式光接收机的研究。对比 各种突发模式光接收机技术的优劣，采用目前流行的前馈直流耦合方案。完成b m r 的各部分关键电路设计和仿真，包括p i n 光电二极管电路模型，前置跨阻抗放大 器( t t a ) ，自动增益控制电路( a g c ) ，自动判决电平产生电路( a t c ) ，延时电路，限 幅放大器和复位信号产生电路。最后得到完整的突发模式光接收机电路。 论文特点：在跨阻抗放大器中加入a g c ，扩展动态范围。采用迟滞比较器设 计a g c ，避开一般自动增益电路中使用的r c 结构，在2 5 g b s 速率下能在一个比 特时间内实现增益的调节，复位也只需要一个比特时间，实现及时响应，提高信 道利用率。t i a 通过自动增益电路的调节，其跨阻增益根据输入突发信号的幅值大 小实现7 d b 的调节。采用自适应检波获得判决电平，检波电路包括峰值探测电路 和底部探测电路，分别探测突发信号的顶部和底部电平，通过电阻分压器得到突 发信号的中间电平，有效取消了直流偏移电压，提高限幅放大器输出信号质量。 复位信号产生电路探测突发信号的包络，利用逻辑电路自动产生复位信号，不需 要外围辅助放电电路，使b m r 更具适应性和升级性。延时电路使得复位信号在 b m r 接收完每一个突发包信号后及时对a g c 和a t c 复位至稳态，有效缩短保护 带时间。另外，利用复位信号电路得到的包络信号，通过与门对限幅放大器的输 出信号进行关断，消除保护带内噪声。 在传输速率为2 5 g b s ，对突发模式光接收机进行仿真验证。其性能指标为： 灵敏度2 4 7 d b m ，动态范围2 5 1 d b ，前导码时间1 5 n s ，保护带时间3 0 n s 。 关键词：突发模式光接收机，自动增益控制电路，自动判决电平产生电路，复位 信号产生电路 一 a b s t r a c t n o w a d a y sp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) i st h em o s tp o p u l a rh i g h - s p e e da c c e s s n e t w o r kt e c h n o l o g y , i ta d o p t sp o i n t - t o - m u l t i p o i n tt o p o l o g ys t r u c t u r e t h eu p s t r e a m t r a n s m i s s i o no fp o nu s e st i m e - d i v i s i o n m u l t i p i e - a c e e s s ( t d m a ) p r o t o c o l ，m u l t i p l e s u b s c r i b e r ss h a r et h es a m e o p t i c a l l i n e t e r m i n a t i o n ( o l t ) t h e o l tr e c e i v e s b u r s t - s i g n a l sw h o s ep o w e ra n dp h a s ev a r ys i g n i f i c a n t l y i nf i b e r - o p t i c b a c k b o n e n e t w o r k , o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n 甙o b s ) a s t h ef o r m e ro f o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) h a sh i g h l yp r a c t i c a lv a l u ea n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s b o t hp o na n do b ss y s t e m s s h o u l dq u i c k l yp r o c e s sb u r s t - s i g n a l b u r s tm o d er e c e i v e r ( b m r ) a st h ek e yt e c h n o l o g y o f p o na n do b sw a sb e i n gr e s e a r c h i n gh o t l y f o c u s eo nr e s e a r c h i n gb m rf o rb u r s t - s i g n a la tr a t eo f2 5 g b s t h ea d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g so f e x i s t i n gs c h e m e so f b m r a l es u m m e du pa n dt h ep o p u l a rf e e d f o r w a r d d c - c o u p l e dt o p o l o g yi ss e l e c t e d a l lc i r c u i t so fb m r a r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e dt h a t t h e y a r e ：c i r c u i tm o d e lo fp i np h o t o d i o d e ，p r e - t r a u s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ( t i a ) ， a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i t ( a g e ) ，a u t o m a t i ct h r e s h o l dc o n t r o lc i r c u i t ( a t c ) ， t i m e - d e l a yc i r c u i t ，l i m i t i n ga m p l i f i e ra n dr e s e ts i g n a lc i r c u i t t h e ng e tt h ew h o l ec i r c u i t o f b m r c r e a t i v ep o i n t so ft h i sp a p e r ：a d da g ci n t ot i at oe x t e n dd y n a m i cr a n g e a g ci s d e s i g n e db yu s i n go fah y s t e r e s i sc o m p a r a t o rs oa v o i d i n gu s i n gr cc i r c u i tw h i c hi s a l w a y si nr e g u l a ra g c a g cr e s p o n d si n s t a n t a n e o u s l yb e c a u s es e t t i n ga n dr e s e t t i n gi t j u s tt a k eo n e b i tt i m ea tr a t eo f2 5 g b ss ot h a tt h i st e c h n o l o g yi m p r o v e st h ec h a n n e l u t i l i z a t i o n t i ah a s7 d ba d j u s t m e n tf o rd i f f e r e n tb u r s t - s i g n a la c c o r d i n gt o t h e i r a m p l i t u d ew i t ht h eh e l po fa g c a u t o m a t i ct h r e s h o l dv o l t a g ei so b t a i n e db ya d a p t i v e d e t e c t o rc i r c u i ti n c l u d i n gp e a kd e t e c t o ra n db o t t o md e t e c t o rw h i c hd e t e c tt h ep e a ka n d b o t t o ml e v e lo fb u r s t - s i g n a l ，t h e nb yt h eu s eo far e s i s t i v ed i 啊d e rg e t t i n gt h em i d d l e l e v e lo ft h eb u r s t - s i g n a ls ot h a ta t cc a n c e l st h ed co f f s e tv o l t a g ee f f e c t i v d ya n d i m p m v e ss i g n a lq u a l i t yo fl i m i t i n ga m p l i f i e r r e s e ts i g n a lc i r c u i td e t e c t i n gb u r s t - s i g n a l e n v e l o p ea n dg e tr e s e ts i g n a lb yt h eu s eo fl o g i cc i r c u i t i n t e r n a lr e s e ts i g n a lc i r c u i t m a k eaf r e eo fe x t e r n a lr e s e tc i r c u i t , e n h a n c i n gr e c e i v e r sf l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y 1 i a b s t r a c t t i m e - d e l a yc i r c u i tm a k e st h eb e s tr e s p o n do fb m r t h a ta f t e re a c hb u r s t - s i g n a le n d i n g t h er e s e ts i g n a lj u s tb e g i n st or e s e ta g ca n da t ct os t e a d ys t a t e ，r e d u c i n gg u a r dt i m e i na d d i t i o n , u s ee n v e l o p es i g n a lg e t t i n gf r o mr e s e tc i r c u i ts e p a r a t et w ob u r s tp a c k e t s t h r o u g h aa n d g a t et or e d u c en o i s ed u r i n gg u a r dt i m e s i m u l a t et h ew h o l eb m ra tr a t eo f2 5 g b s ，t h ep e r f o r m a n c eo fd e s i g n e db m ri s g r e a t l yi m p r o v e d s e n s i t i v i t yi s - 2 4 7 d b m ，d y n a m i cr a n g ei s2 5 1d b ，p r e a m b l et i m ei s 15 n s ，g u a r dt i m ei s3 0 n s k e y w o r d s ：b u r s tm o d er e c e i v e r , a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i t , a u t o m a t i ct h r e s h o l d c i r c u i t , r e s e ts i g n a lc i r c u i t 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1p o n 技术1 1 1 2o b s 技术4 1 2 突发模式光接收机研究现状5 1 3 课题目标和内容6 第二章突发模式光接收机技术8 2 1 连续模式信号与突发模式信号8 2 2 突发模式光接收机种类9 2 2 1 交流耦合突发模式光接收机1 0 2 2 2 直流耦合突发模式光接收机1 1 2 2 3 差分光突发模式接收机1 2 2 2 4 全光突发模式光接收机1 3 2 3 本章小结1 5 第三章2 5 g b s 突发模式光接收机关键电路设计1 6 3 1 突发模式光接收机电路结构选择1 6 3 2 光电二极管及其电路模型1 8 3 2 1p i n 光电二极管1 9 3 2 2p i n 光电二极管电路模型2 0 3 3 前置放大器2 2 3 3 1 低阻抗放大器2 2 3 3 2 高阻抗放大器2 2 3 3 3 跨阻抗放大器2 3 3 3 4 前置跨阻抗放大器设计2 4 3 3 5 跨阻抗放大器仿真和分析2 6 3 4 自动增益控制电路2 9 i v 目录 3 4 1 迟滞比较器3 0 3 4 2 迟滞比较器仿真3 2 3 5 前端电路仿真3 4 3 6 前端电路总结3 7 3 7 自动判决电平产生电路3 7 3 7 1 检波电路设计3 8 3 7 2 峰值探测电路设计与仿真3 9 3 7 3 信号底部探测电路设计与仿真4 2 3 7 4 检波电路仿真4 3 3 8 放电电路4 5 3 8 1 复位信号产生电路设计与仿真4 5 3 8 2 延时电路5 1 3 9 主放大器5 l 3 9 1 限幅放大器设计5 2 3 9 2 限幅放大器仿真5 4 3 1 0 本章小结5 4 第四章2 5 6 b s 突发模式光接收机仿真5 6 4 1 跨阻抗放大器响应5 6 4 2 自动判决电平产生电路响应5 7 4 3 复位信号产生电路响应5 9 4 4 噪声消除响应5 9 4 5 本章小结6 0 第五章全文总结与展望6 1 5 1 全文总结6 1 5 2 课题展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 附录6 7 v 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 当今网络中的数据流量几乎以年翻一番的速度增加，某些年度因为经济等诸 多因素的影响其增长率更是迅速，譬如1 9 9 5 年和1 9 9 6 年的增长率就高达1 0 0 0 。 接入网“第一公里一的电子瓶颈限制了高速的全业务接入服务。最有效的解决办 法是采用光纤到家( f i b e r t ot h eh o m e ，硎) 实现宽带接入。无源光网络( p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k p o n ) 因其低廉的价格、提供高速接入、容易升级和维护成为实现 硎的最佳选择。在光纤骨干网中，需要高速的路由和光交换技术应对日益增长 的网络容量和速率。光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g , o b s ) 提供合适的交换 粒度，有效避开电子瓶颈，是最具竞争力的光交换技术。本节针对p o n 和o b s 阐述突发模式光接收机的应用背景。 1 1 1p o n 技术 目前广泛采用的宽带接入方案有数字用户线( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 和 同轴电缆调制解调网络方案。它们的实现相比于拨号接入有了很大的改进。但对 于视频点播、互动游戏、双向视频会议等高带宽高质量需求的传输服务，还不能 提供完整的支持。为了克服这一“瓶颈 ，光纤和光节点单元进一步向用户靠近。 今后高速接入网的发展方向就是把光纤接到终端用户。光纤接入网宽带宽，传输 距离远( 大于2 0 k i n ) ，有效支持融合的话音、视频和数据多业务的网络服务。最 直接的结构就是采用点对点拓扑、光纤直接连接终端和用户【1 1 。不过这样的结构成 本太高，假如说有个用户，平均距离终端的距离为，就需要配置2 n 个光收发 器，n x l 长度的光纤。无源光网络( p o n ) 为点对多点拓扑结构，终端至光网络 单元之间不存在有源器件，都使用诸如光纤、光分路器等无源器件。对于个用 户，p o n 接入网只需要( + 1 ) 个光收发器和大约长度的光纤。p o n 是一种多用 户共享的网络系统，即多个用户共享同一个设备、同一条光缆和同一个光分路器， 能大大地降低成本。与有源光网络相比，p o n 的安装、开通和维护运营成本大为 降低，系统更加可靠、稳定，因此接入网正在大量应用p o n 系统。p o n 应用到接 入网具有以下明显的优势：p o n 延伸了终端和用户间的距离。基于p o n 的本地光 1 电子科技大学硕士学位论文 纤环路能有效覆盖距离为2 0 k i n 的范围，远远超过了d s l 的最大覆盖范围；p o n 最小化了终端到用户的光纤铺设量：p o n 的终端只需要连接一根光纤，一个光线 路终端，这样就能节省耗电量，占用更少的空间；p o n 的终端光纤更接近用户， 所以能提供更宽的带宽；p o n 光纤接入网实现了光纤到楼( f t t b ) 、光纤到家 ( 删) ，甚至是光纤到p c ( f t r p c ) ，从而达到了光纤贯穿所有传输路径的目 的；p o n 的下行采用广播模式，而且通过波分复用就可以叠加其他信道到p o n 上 且不用改变设备电路。采用无源的光分器( 合路器) ，设备可以掩埋在地下，节约 用电量，运营商能够很容易进行维护。p o n 可以很方便地通过波分复用或者是提 高信道传输速率进行升级，因为p o n 结构中的无源器件对于光信号的传输完全是 “透明 的，可以平滑升级。 p o n 的拓扑结构：逻辑上的“第一公里是“点对多点打( p 2 m p ) 网络，也 就是所谓的一个终端服务多个用户。p o n 中的光信号在光线路终端( o p t i c a ll i n e t e r m i n a l ，o l t ) 与光网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t s ，o n u ) 之间传输。如图 1 1 所示。适合用于接入网的拓扑结构有树形、环形和总线形。 下行：连续信号模式 图1 lp o n 传输结构图 p o n 的复用技术：从o l t 传输到光网络单元的信号享用点对多点网络，o l t 拥有整个下行传输带宽。对于p o n 的上行传输，因为o n u 共享一个o l t ，上行 是一个“多点对一点网络。上行的信号经过光分合路器传送到o l t ，为了保证 o l t 不会同时接收到不同o n u 的信号而产生“碰撞，上行方向p o n 必须采用信 道分割机制从而有效且公平地接收来自不同o n u 的信号。一种区分o n u 上行传 输信道的方法是利用波分多址接入( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， 2 第一章绪论 w d m a ) 。具体办法是每个o n u 发送出来的信号使用不同波长的光波传输。 w d m a 方案要求o l t 可以接收多个波长信号，所以要求其配置可调谐光接收机或 者使用接收机阵列。这样就加大了o l t 的设计复杂度和价格。另外一个问题是， 采用w d m a 的p o n 要求网络运营商配置和维护具有不同波长的o n u ，每一个 o n u 必须使用窄光谱激光器，一是价格昂贵，二是当o n u 出现故障时不容易维 护。目前，w d m a 方案的p o n 还不具有足够的竞争力。令一种实现方法是时分 多址接入( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) p o n 。上行信号为了避免碰撞。 每个o n u 必须严格在自己的发送窗口( 时隙) 内发送数据。t d m a p o n 通过改 变时隙长度有效地控制分配给o n u 的带宽，采用统计复用充分利用信道容量。此 方案的一个优点是所有o n u 采用相同的器件且工作在同一个波长。o l t 只需要一 个光接收机，但是需要其具有实时根据不同信号动态调节工作状态。由于o l t 与 各个o n u 之间的距离长短不一，或者是每个o n u 的发射条件不相同。o l t 在不 同时隙接收到光信号功率是各不相同的，o l t 接收的信号是不同时隙具有不同幅 度的突发信号。因此，为了正确接收每个o n u 传输的信号，o l t 必须根据每个 o n u 的信号幅值自动调节判决电平，对每一个突发包信号都能正确接收。解决突 发接收的一个方案是：在o n u 传输的信号有效载荷前面加一定的前导比特，o l t 在接收上行信号时，搜索前导码比特，据此快速获得该码流的相应信息，使得突 发模式光接收机内放大器的自动判决电平产生电路( a u t o m a t i c t h r e s h o l dc o n t r o l ， a r c ) 迅速建立起判决电平，接收电路根据这个判决电平就能快速恢复出正确的数 据。 p o n 的发展：1 9 9 5 年，七大网络运营商组成全业务接入网( 砌ls e r v i c e a c c e s s n e t w o r k ，f s a n ) ，目的是规范宽带接入网。a p o n 是无源光网络的一种，以 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 为传输协议，采用无源光网络技术，传输长度是 固定的a t m 信元。1 9 9 7 年f s a n 向u - t 提交了a p o n 规范。g 9 8 3 1 标准规定 a p o n 为上下行对称的1 5 5 m b i t s 速率。2 0 0 1 年修订增加了下行6 2 2 m b i t s 、上行 1 5 5 m b i t s 非对称的线路速率。为了避免给人们认为a p o n 只能提供a t m 业务的 误解，f s a n 在2 0 0 1 年底将a p o n 改名为b p o n ，意思是能提供各种宽带业务的 p o n ，而不仅仅是a t m 。随着以太网的高速发展，其广泛的运用逐步超越了a t m ， 成为普遍接受的标准，高速g b p s 以太网正在广泛加速实施，1 0 g b p s 以及4 0 g b p s 以太网产品也开始出现。容易管理的以太网正在赢得城域网和广域网领域市场。 考虑到9 5 的局域网都使用以太网，a t m 显然不是连接以太网的最佳选择。2 0 0 1 年，i e e e 成了第一公里以太网研究组研究以太网如何扩展到接入网运用中。e p o n 电子科技大学硕士学位论文 是承接封装成i e e e 8 0 2 3 标准的以太帧的p o n ，工作在标准千兆以太网速率。国 内通信行业技术标准组织一一中国通信标准化协会( c h i n ac o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d sa s s o c i a t i o n , c c s a ) 也随着开展了一系列标准的制定，分别在2 0 0 5 年和 2 0 0 6 年完成了设备技术和测试，2 0 0 7 年完成了互通性的要求和测试方法。由于业 务流量的迅速增大和e p o n 规范的出台，f s a n 组织认识到支持更高速率和改进承 接数据业务效率的必要性【2 】。对于按照b p o n 物理层规范，b p o n 的上行速率难以 达到6 2 2 m b i t s 且基于a t m 的b p o n 承接i p 业务效率低下的原因。f s a n 努力规 范速率超过1 g b i t s 的p o n 系统。2 0 0 3 到2 0 0 4 年间，1 1 r u - t 批准了g p o n 系列规 范，g 9 8 4 2 标准规范了传输速率在1 2 5 g b i t s 和2 5 g b i 讹的物理相关层要求。 1 1 2o b s 技术 现在光网络中有三种流行的光交换技术。光波长交换( o p t i c a lw a v e l e n g t h s w i t c h i n g , o c s ) ，光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g , o p s ) 以及光突发交换 ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 。三种光交换技术对比如表1 1 所述。 表1 - 1 光交换技术对比 光交换技术带宽利用率响应速度光延时复杂度 光波长交换 低慢不需要容易 光分组交换 两快需要困难 光突发交换高快不需要适中 目前使用的光交换方式基本上都是波长交换，即把一个波长上所携带的全部 信息进行一次性交换，在许多场合这样的交换方式显得太“粗 了，或者说粒度 太大。我们希望能够像电交换那样，实现一个光分组的交换，这就是所谓的光分 组交换。o p s 的目的是在光层实现小粒度的分组交换和统计复用，提高带宽利用 率，这样就很适合诸如口那样的突发数据。为满足高速光分组交换，对节点处理 的能力要求非常高，最理想的情况是控制信息也能在光层处理。o p s 的优点是交 换速度很快，能支持t b s 量级以上的高速业务。所涉及的关键技术也较多，如光 分组的产生、同步、缓存、再生。虽然近些年来这些技术得到一定发展，但作为 o p s 的关键器件，例如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件都还没有得到实质性 的突破，o p s 的控制部分还不能在光层上实现，所以现阶段的光分组交换其实是 电控光交换模式。光突发交换：由于光分组交换的技术过于复杂，控制部分仍然 需要在电域上完成，仍然受制于电子器件的处理速度。为此，人们希望通过增加 4 第一章绪论 信令的复杂性来避开光同步和光存储的困难，于是诞生了光突发交换技术。其网 络结构和突发包结构如图1 2 所示。 o b so 呲s w i t c h i n gn o d e b 哪 冈 j 佣一 b p 一+ l ， 盯哪_ l r p l r o f s e t t i m r 蚓i _ 一一 ( a ) o b s 网络结构( b ) 突发数据包结构 图i - 2o b s 网络结构和突发数据包结构 o b s 交换粒度介于波长交换和分组交换之间。数据包不需要经过光电转换， 直接进行光交换。突发控制分组则需要进行光电转换，用电信号对光交换矩阵进 行控制，避开光逻辑器件难以实现的问题。其网络结构如上图( a ) 所示，主要由 边缘节点、网络核心节点和d w d m 链路构成，在o b s 网路的边缘节点，若干m 数据包被组装成突发数据包并产生相应的控制分组，其数据结构如上图( b ) 所示。 控制分组先于数据包发送，控制分组包含数据包的长度，偏执时延和路由等信息。 控制分组到达交换节点后立刻为数据包申请、预留光信道，于是等到数据包到达 交换节点时，网络已经为其准备好了相应的光纤信道让其直接通过，避免了信号 交换的电子瓶颈，实现数据包的全光交换，提高了交换速度。边缘节点要处理不 同数据包的控制分组，需要高速b m r 来完成。o b s 的控制分组在专门的信道中传 输，速率比较低，有足够的带宽满足其要求，对它的电处理很快，充分利用了网 络的带宽。因为去掉了实现难度很大的光缓存器，相应降低了网络的成本和实现 难易度。o b s 是实现光交换的一个不错选择。 1 2 突发模式光接收机研究现状 作为最热门的高速接入网技术的无源光网络和光纤骨干网中的光突发交换的 实现都需要对不同幅值的光突发信号进行高速处理，突发模式光接收机 5 电子科技大学硕士学位论文 ( b u r s t m o d er e c e i v e r , b m r ) 在其中扮演重要角色，对b m r 的研究和实现极具 现实运用价值。b m r 的发展趋势是从简单的交流耦合到直流耦合、差分耦合等新 技术，以及不断提高其通信速率的趋势进行的。衡量b m r 的优劣主要考察几个性 能指标：信号速率、动态范围、接收灵敏度、信道利用率( 前导码时间和保护带 时间) 。表1 2 总结了一部分b m r 实现的性能指标。 表1 - 2 b m r 实现的性能 参考文献速率 灵敏度动态范围年份 i e e e 8 0 2 3 1 2 5 g b s 2 1 d b s c o p 公司 1 2 5 g b s 2 1 d b 文献 1 9 】 1 2 5 g b s2 9 d b m2 6 5 d b2 0 0 5 文献 2 0 】 1 2 5 g b s3 2 d b m2 3 8 d b2 0 0 5 文献 2 l 】 l o g b s1 8 d b m1 6 5 d b2 0 0 8 文献 2 2 】 1 0 g b s1 2 5 d b m1 1 5 d b2 0 0 9 文献 2 3 】 1 2 5 g b s2 6 4 d b m2 1 d b2 0 0 4 文献 2 4 】 l o g b s1 6 d b m1 0 d b2 0 0 9 文献 2 5 】 2 5 g b s2 0 d b m1 9 d b2 0 0 7 文献 2 6 】 1 0 g b s3 1 4 d b2 4 4 d b2 0 0 7 文献 2 7 】 1 2 5 g b s 1 9 d b m 1 7 d b2 0 0 9 1 3 课题目标和内容 针对p o n 和o b s 的发展要求，课题围绕b m r 展开工作。根据突发信号的特 点，分析总结近年来实现b m r 的方案，选择目前最为流行和可行性适中的前馈直 流耦合b m r 展开研究。使其能工作在高速p o n 系统和o b s 系统中。 论文针对传输数率为2 5 g b s 的光突发信号进行b m r 研究。b m r 的每部分关 键电路和整体b m r 的仿真都是在a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 环境下完成的。 论文结构安排如下：第一章介绍了b m r 的应用背景和发展动态。第二章对现有的 b m r 方案进行全面分析，包括a c 耦合b m r 、d c 耦合b m r 、差分耦合b m r 、 全光层b m r 。第三章阐述b m r 关键电路的设计和仿真，包括p i n 光电二极管电 路模型、自动增益控制电路( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，a g c ) 、前置跨阻抗放大器 ( t r a m i m p e d a n c ea m p l i f i e r , t i a ) 、自动判决电平产生电路( a t c ) 、限幅放大器 ( l i m i t i n g a m p l i f i e r , l a ) 、复位信号产生电路等。第四章阐述整体b m r 的仿真结果 和性能，在最恶劣光突发信号( 时域上两个幅值最大的突发包中间夹着幅值最小 6 第章绪论 的突发包) 输入情况下验证b m r 的性能，给出每部分电路的响应和指标。第五章 总结全文，展望b m r 的发展方向。 针对b m r 与传统光接收机的不同，为了实现b m r 的高速，高灵敏度，高信 道利用率，大动态范围。设计的b m r 具有下面几个创新点： ( 1 ) 瞬时自动增益调节。般文献介绍的自动增益实现采用r c 结构检测信 号大小以调节放大器的增益，r c 结构的充放电时间降低了接收机的信道利用率。 为了实现放大器增益的快速变换，所设计的自动增益控制电路采用内部迟滞比较 器，其特点是能在突发包第一个比特调节放大器的增益，也能瞬时复位至稳态。 ( 2 ) 为了进一步减少保护带时间，在前置放大器和主放大器之间加入延时电 路，使复位信号能在b m r 接收完突发包的瞬间对自动增益控制电路和检波电路复 位至稳态。 ( 3 ) 利用接收的突发包产生内部复位信号。一般文献默认复位信号为外加的， 并不对其产生机理进行讨论。所设计的复位信号产生电路跟踪突发包的长度，获 得突发包络信号，在b m r 接收完突发包后自动产生复位信号。 ( 4 ) 检波电路采用顶部检测和底部检测，实时跟踪输入信号的峰值电平和底 部电平，有效取消信号直流偏移电压。 ( 5 ) 利用包络信号对b m r 的输出信号进行关断，去除保护带内噪声。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章突发模式光接收机技术 2 1 连续模式信号与突发模式信号 光接收机的主要功能就是把光纤传送进来的光信号转换成为电信号，在电域 上对信号进行放大、整形、再生，恢复出相位和幅度合适的电信号以供后级电路 处理。光接收机的结构要根据其接收的光信号特点做出合适的设计和调整。这就 非常有必要考察光纤通信系统中传输的光信号。在光纤骨干网和点多点光纤传输 系统中，发射端和接收端处理的是连续模式信号【4 】。而在p o n 系统的上行和o b s 边缘节点的控制分组中，光接收机处理的是突发模式信号。连续模式信号和突发 信号特点如图2 1 所示。连续模式信号拥有固定的幅值和相位( 如图a 所示) ，而 突发模式信号的幅值差异很大，且相位不固定。对于突发信号( 如图b 所示) ，其 参考指标主要为前导码时间，保护带时间，灵敏度和动态范围，b m r 的设计就是 不断改善这几个参数，前导码和保护带时间内不能传输有效信号，要尽量减少其 占用时间，灵敏度为b m r 能接收的最小信号功率，其值越小越好，动态范围反映 了b m r 能正确接收最大信号功率和灵敏度之间的差异，应尽量大，覆盖所有o n u 发射过来的光信号。 一 动j r ； 态 围 ，灵 马 ： i哪警 能使发送的信号 l i n g ) 、分组编码 随机数据流和输 开销额外带宽所 ，一般最长的连 第二章突发模式光接收机技术 “0 一或“1 限制在7 2 b i t s 。美国电信通信系统的s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a l n e t w o r k ) 标准和欧洲及日本的s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 标准的实现 就是运用此技术。分组编码：一段长度的码流被编译成更长的码流，这样数据的 密度和d c 平衡就能得到保证。例如在8 8 1 0 b 编码中，8 - b i t 数据被编译成1 0 - b i t 数据，虽然增加了2 5 的带宽开销，但是连“0 或“1 被限制在5 b i t s 内。两种 技术可以结合使用以改善d c 平衡和信道利用率。通过d c 平衡的数据平均包含相 同数目的“0 和“1 ”，也就是说“0 和“1 信号各占总比特数的5 0 。d c 平 衡信号有一个非常好的优点就是信号的平均幅值刚好介于“0 和“1 中间【5 】。这 个特点使得电路之间的连接利用a c 耦合成为可能，大大简化接收机设计难度。在 连续模式传输系统里，发射端信号利用线路代码技术获得d c 平衡，接收端的设计 就可以利用a c 耦合级间电路。突发模式传输系统里，数据是以突发包为单元传输， 一个突发包发射完直到另一个突发包发射之前必须加入保护带时间，为了提高接 收灵敏度和减少噪声，在保护带时间里发射端必须完全静默。突发包的长度分为 固定和可变两种。a t m 系统里突发包的长度为固定的，一般为5 3 b i t s 并加上一定 前导码。以太网系统里的突发包为不定长( 7 0 1 5 2 4 b i t s ) 。在p o n 系统里，突发信 号是异步到达接收端并且具有相当大的功率变化范围( 高达3 0 d b ) ，所以b m r 要 根据每个突发包动态调节合适的判决电平。突发包有效载荷前加了一定的前导码 让b m r 准备好判决电平。因为终端接收的信号平均幅值( 直流分量) 随时间变化， 为了避免直流偏移的影响，一般不采用a c 耦合方式。另外，异步到达的突发信号 需要特殊快速锁定的c d r ( c l o c kd a t ar e c o v e r y ) 电路。缺少直流平衡并且接收的 是信号幅度变化非常大的突发包，必须设计特殊的放大器和驱动电路来实现突发 模式信号的接收。 2 2 突发模式光接收机种类 传统的光接收机根据接收的信号特点大多采用a c 耦合方案，通过改进电路和 放大器性能，b m r 的实现也可以采用a c 耦合方式，但是其性能不是很理想。通 常利用d c 耦合方式实现b m r 。在光信号进行光电转换之前，利用光放大器件对 光突发信号进行处理，产生了光差分b m r 。另外，还有文献提出了在全光层内实 现的b m r 。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 交流耦合突发模式光接收机 利用小电容实现a c 耦合在高速传输系统中变得越来越重要，对于b m r 设计， 我们希望获得高密度的a c 耦合互联，因为其具有更小电耗和更小芯片面积。利用 a c 耦合可以大大简化接收机放大器的设计难度并且允许有固定的门限电压。但 是，采用传统的a c 耦合光接收机实现突发模式信号的接收有两个主要的问题。首 先，突发包大范围变化的信号功率和插入的保护带时间会产生较大的直流偏移， 称之为基线偏移，它阻止了门限电压设置为0 。其二，信号的时钟相位在突发包之 间和突发信号里有很大的变化，准确的时钟恢复需要非常快的响应。目前实现突 发信号的a c 耦合可先对信号进行编码，利用线路编码减少信号中低频分量，就可 以使用一个小的耦合电容，快速响应不同功率的突发信号。 h 叫 图2 - 2a c 耦合b m r a c 耦合突发模式光接收机的结构如图2 2 所示。它由四部分部分组成：前置 跨阻抗放大器，a c 耦合高通滤波器，匹配滤波器，限幅放大器。a c 耦合使得电 路的级间连接不用考虑直流电平的影响，t i a 输出信号的直流偏移不会被下级电路 放大1 6 。a c 耦合高通滤波器对于突发信号的接收存在两个较大的矛盾，为了接收 低