（光学工程专业论文）高速光突发模式传输关键技术研究.pdf

摘要 摘要 最近几年，光纤通信技术得到了极大的发展，不断有新的技术涌现出来。在光 纤骨干网中，光突发交换( o b s ) 被认为是提高交换能力的最有效的技术之一； 在光纤接入网中，无源光网络( p o n ) 被认为是消除最后一公里瓶颈的最有效技 术。在o b s 和p o n 系统中，都会面对接收、发射突发信号的问题，突发信号与 连续信号相比有很大不同，传统的光收发机无法做出适当的响应，这就需要特殊 的技术一光突发模式收发技术。 首先研究了光突发模式接收机技术。总结了现有的技术放案，选择具有较大 优势的前馈式接收机方案展开研究。针对现有光突发模式接收机的不足，进行了 较大幅度的改进，包括自动产生一定宽度的复位脉冲电路；顶部探测电路( t h c ) 中采用变容二极管以缩短前导码时间，减少检波误差；在跨阻抗前置放大器( t i a ) 后面使用延迟电路缩短前导码时间；在限幅放大器( l a ) 后面连接两个与门关断突 发包信号。结合这些创新点，完成了接收机的完整设计，包括前端光电二极管的 建模、可变增益跨阻抗前置放大器、自动闽值控制电路( a t c ) 以及限幅放大器的完 整设计，并在1 2 5 g b s 速率下进行了仿真。接收机性能得到较大幅度的改进，接 收机灵敏度为2 8 2 d b m ，动态范围2 7 7 d b ，所需前导码时间和保护带时间分别为 3 0 n s 和1 4 0 n s ，与现有的接收机技术相比，均得到了较大幅度的提高。 然后研究了光突发模式发射机技术，首先对光突发模式发射机存在的技术难 点做出了总结，结合光突发模式接收机部分，采用模拟电路方案设计了完整的直 接调制光突发模式发射机。在设计过程中，结合光突发模式接收机部分，对直接 调制光突发模式发射机技术存在的技术难点提出了自己的解决方案，包括将突发 包包络信号加在驱动电路一端，实现了在突发包间隙对驱动电路的有效关断；产 生一定宽度的复位脉冲信号，减少了前导码时间和保护带时间；顶部探测电路中 采用变容二极管缩短前导码时间，减少检波误差；用峰一峰值产生电路快速有效的 控制驱动电流大小。在1 2 5 g b s 速率下仿真结果表明，激光器偏置电流变化范围 可达7 - 7 8 m a ，驱动电流变化范围可达1 5 m a 一5 0 m a ，因此设计的直接调制光突发 模式发射机可以容忍很大程度的温度和外微分量子效率的改变。同时对外调制光 突发模式发射技术进行了研究，设计了良好的外调制器与驱动电路前向匹配方案， 将驱动电路的设计与外调制器输出信号消光比、啁啾联系起来，在5 0 b s 工作速率 摘要 下，消光比达到1 8 d b ，啁啾小于5 6 g h z 。另外，设计了良好的突发包关断电路， 取得了较好的仿真结果。 最后，在1 5 5 m b s 传输速率下，对前馈式接收机进行了实验。首先我们制作 了一个1 5 5 m b s 突发信号源。电路得到了复位脉冲信号，延迟电路有效的缩短了 保护带时间，检波电路取得了较好的检波结果，实验结果表明前导码时间约为 4 0 n s ，保护带时间约为3 8 0 n s 。最后成功的实现了突发信号的等幅输出。 关键词：光突发交换，无源光网络，光突发模式接收机，光突发模式发射机 i i 一竺! 堡竺! a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rc o n n n u n i e a l i o nh a sd e v e l o p e ds i g n i f i c a n t l yi nr e c e n ty e a r s ，a l lk i n d s o ft e c h n o l o g i e sa r ep r o p o s e dt o i m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e i no p t i c a lf i b e r b a c k b o n en e t w o r k s ，o p t i c a lb u r s ts w i t e h i n g ( o b s ) i sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h em o s t e f f e c t i v et e c i u r o l o g i e st oi m p r o v es w i t c h i n gc a p a c i t y i no p t i c a lf i b e ra c c e s sn e t w o r k s ， p a s s i v eo p t i c a ln e 做 o n ( p o n ) i ss e e l 3 , a st h em o s te f f e c t i v et e c h n o l o g i e st oe l i m i n a t e t h eb a n d w i d t hb o t t l e n e c ki nt h el a s tm i l e b o t ht h eo b sa n dp o n s y s t e ms h o u l df a c e t h ep r o b l e mo fr c e e i v e ra n dt r a n s m i t o p t i c a lb u r s tm o d es i g n a l ，c o m p a r i n gw i t h c o n t i n u o u ss i g n a l ，b u r s tm o d es i g n a lh a sm u c hd i f f e r e n c e ，t r a d i t i o n a lt r a n s c e i v e rc a r f f l o t d e a lw i t ht h e mp r o p e r l y , s o m es p e c i a lt e c h n o l o g i e sm u s tb eu s e d t h eo p t i c a lb u r s tm o d e t r a n s c e i v e r f i r s t ，t h et e c h n o l o g yo f o p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e ri ss t u d i e d ，e x i s t i n gs c h e m e sa r e s u m m e du pa n dr e c e i v e r t o p o l o g y b a s eo hf e e d f o r w a r di ss e l e c t e df o rt h e d i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n go p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e r , t h ed e s i g ni si m p r o v e dg r e a t l y , i n c l u d i n gp r o d u c i n gp r o p e rw i d t hr e s e ts i g n a l ，u s i n gv a m c t o ri nt o ph o l dc i r c u i tt o s h o r t e nt h ep r e a m b l et i m ea n dp e a kd e t e c te l t o r ，u s i n gd e l a yc i r c u i ta f t e rt i at os h o r t e n t h ep r e a m b l et i m e ，s e p a r a t et w op a c k e t sp r o p e r l yi nt h eg u a r dt i m eb yt w oa n d g a t e s c o m b i n et h i sn e wm e t h o d s ，t h ed e s i g no f o p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e ri sa c c o m p l i s h e d ， i n c l u d i n gt h ed e s i g no f t h em o d eo f t h ep h o t o d i o d e ，a d a p t i v et r a n 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 ct b x e s h o l dc i r c u i t ( a t c ) ，l i m i t i n ga m p l i f i e r ( l a ) ，也ec i r c u i ta l e s i m u l a t e da tb i tr a t e su pt o1 2 5 g b st h e p e r f o r m a n c eo f t h er e c e i v e rh a sb e e ni m p r o v e d g r e a t l y , t h er e c e i v e rs e n s i t i v i t yi s 一2 8 2 d b m ，d y n a m i cr a n g ei s2 7 7 d b ，t h ep r e a m b l e t i m ei s3 0 n sa n dt h eg u a r dt i m ei s1 4 0 n s ，w h i c ha r ea l li m p r o v e dg r e a t l y t h e n ，t h et e c h n o l o g yo fo p t i c a lb u r s tm o d et r a n s m i t t e ri ss t u d i e d ，f i r s t ，t h e d i f f i c u l t i e so ft h et e c h n o l o g yo fo p t i c a lb u r s tm o d et r a n s m i t t e ra r es m m n a r i z e d , t h e n d i r e c t l ym o d u l a t e do p t i e a lb u r s tm o d et r a n s m i t t e ri sd e s i g n e du s i n ga n a l o gc i r c u i t m e t h o d ，w h i c hi sc o m b m e dw i t ho p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e ra b o v e s o m em e t h o d sh a s b e e np r o p o s e df o rt h ed i s a d w m t a g e so fe x i s t i n gd i r e c t l ym o d u l a t e do p t i c a lb u r s tm o d e t r a n s m i t t e r , i n c l u d i n gp u t t i n gt h eb u r s te n v e l o ps i g n a lo no d ec fi n p u t so ft h ed r i v i n g h i c i r c u i ta tt h ei n t e r v a lo f t w o p a c k e t s ，p r o d u c i n gp r o p e rw i d t hr e s e ts i g n a l ，u s i n gv a r a c t o r i nt h et o p h o l dc i r c u i t ，c o n t r o lt h ed r i v ec u r r e n tu s i n gp e a k p e a kp r o d u c ec i r c u i t t h e s i m u l a t er e s u l t sa tb i tr a t e s u pt o1 2 5 g b s s h o w st h a tt h er a n g eo fb i a sc u r r e n ti s b e t w e e n7 - 7 8 m a ，t h er a n g eo fd r i v ec u r r e n ti sb e t w e e n15 - 5 0 m a ，s ot h et r a n s m i t t e rc a n t o l e r a n tg r e a tc h a n g e so ft e m p e r a t u r ea n de x t e r n a le f f i c i e n c y a n dt h et e c h n o l o g yo f e x t e r n a lm o d u l a t e do p t i c a lb u n tm o d et r a n s m i t t e ri ss t u d i e d ，ag o o dm a t c h i n gc i r c u i t b e t w e e ne x t e r n a lm o d u l a t o ra n dd r i v i n gc i r c u i ti sp r o p o s e d ，t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e n d r i v i n gc i r c u i ta n de x t i n c t i o nr a t i oa n dc h i r pa r es e tu p ，a tb i tr a t e su pt o5 g b s ，t h e e x t i n c t i o nr a t i oi s18 d b ，t h ec h i r pi sl e s st h a n5 6 g h z a l s o ，ap a c k e t - o f fc i r c u i ti s d e s i g n e d ，t h es i m u l a t er e s u l t sa r ew e l l a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n ta b o u tt h ef e e d f o r w a r dr e c e i v e ri sc a r r i e do u ta t15 5 m b s a b u r s t m o d es o u r c ei sd e s i g n e df i r s t t h er e s e ts i g n a li sp r o d u c e ds u c c e s s f u l l nd e l a y c i r c u i ts h o r t e nt h eg u a r dt i m ep r o p e r l y , t h ep e a kd e t e c t o rc i r c u i tw o r k sw e l l ，e x p e r i m e n t s h o w st h a tp r e a m b l et i m ei sa b o u t4 0 n s ，g u a r d i n gt i m ei s3 8 0 n s a tl a s t ，t h ee q u a l o u t p u tf o rd i f f e r e n tp a c k e t si sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，o p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e r o p t i c a lb u r s tm o d et r a n s m i t t e r v 一 ! i 堕堡 0 c s o p s o b s p o n o n u t i a i 。a a g c c d r e d f a t h c b h c a t c a o c r s c c a p d v c c s a p e c p u m q w e a m d w d m e c l o p t o p t o p t c a c a c a 缩略语 c i r c u i ts w i t c h i n g p a c k e ts w i t c h i n g b u r s ts w it c h i n g p a s s i v eo r ) t i c a ln e t w o r k o p t i c a ln e t w o r ku n i t t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e l ? l i m i t i n ga m p lif i e r a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l c 1o c ka n dd a t ar e c o v e r y e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r t o ph o l dc i r c u i t b o t t o mh o l dc i r c u i t a u t o m a t i ct h r e s h o l dc o n t r 0 1 a u t o m a t i co f f s e tc a n c e l f a t i o n r e s e ts i g n a lc r e a t i o nc i r c u i t a v a l a n c h ep h o t od e t e c t o r v o lt a g ec o n t r o lc u r r e n ts o u r c e a u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t m u l t i p l eq u a n t u m w e l le 1 e c t r o a b s o r p t i o nm o d u l a t o r d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g e m i t t e rc o u p l el o g i c v 光路交换 光分组交换 光突发交换 无源光网络 光网络单元 前曼放大器 限幅放大器 自动增益控制电路 时钟和数据恢复电路 掺饵光纤放大器 顶部探测电路 底部探测电路 自动阈值控制电路 自动偏移取消电路 复位脉冲产生电路 雪崩光电二极管 电压控制电流源 自动光功率控制 中央处理器 多量子阱电吸收调制器 密集波分复用 射级耦合逻辑门 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： 盗幽日期：蟛年2 月牙日 关于论文使用授权的说明 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：j 虹 导师签名： 日期：5 年2 月讶日 第一章绪i 仑 第一章绪论 随着光纤网络骨干网的速率迅速增长，对路由器和交换机处理能力的要求也 在不断增加。由于传统的电交换存在电处理瓶颈，因此人们对光网络中如何实现 交换与传输提出了三种新的方案：光路交换( o c s ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) ，光 分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) ，光突发交换( o b s ，o p t i c a ib u r s t s w i t c h i n g ) 。光突发交换是一种居中的方案，融合了o p s 和o c s 的优点，又克服 了缺点，是一种很有发展潜力的交换模式【1 1 。光突发交换网是面向无连接的网络， 具有很好的统计复用性能，能很好地支持i p 业务的突发性；相对光分组网络而言， 光突发交换网可以无需光存储( 也可以有少量的光纤延时线以降低突发分组丢失 率) 和只需要简单的光同步，使得它的可行性大大增加。在光突发交换网中包括边 缘节点和核心节点，如图l 所示。边缘节点主要负责业务的接入、分类、汇聚和 控制分组的生成。核心节点的功能是在接收到控制分组后，根据控制信息、路由 策略和网络的当前状况为突发分组预留资源，并在突发分组到达后，完成对它的 转发。很明显，边缘节点既要发射封装好的突发数据包，同时还要接收幅度不同 的突发信号，这样就不可避免的引入了光突发模式发射及光突发模式接收的问题。 o b sc o r es w i t c h i n gn o d e b 乎 同= 用。 b p 耵1 + 1 。h 啊 r p 1i 二_ o fg e t t i m 剁i i _ l 一一 图l - 10 1 3 s 网络结构图 另外，随着光通信技术的飞速发展，目前骨- - f n 已基本实现光纤化、数字化、 电子科技大学硕士学位论文 宽带化，但处于网络边缘的用户接入网一直发展缓慢，技术落后，这已经成为通 信网从原有的电话、传真、低速数据等业务向结合了可视电话、视频点播、图文 检索等高速数据业务的宽带综合业务发展的瓶颈。当前摆在电信运营商面前的主 要问题是如何建立一个宽带高速、数字化的接入网。由于光纤的传输距离远、抗 干扰强、容量大，因此成为接入网传输介质的首选。无源光网络( p o n ，p a s s i r e o p t i c a ln e t w o r k ) 在光纤接入方式中相对成本低，能平滑升级，因而将是未来的 发展方向吲。在p o n 系统中，如图2 所示，几个光网络单元( o n u ，o p t i c a ln e t w o r k u n i t ) 通过光纤和耦合器共享一个光线路终端( o l t ，o p t i c a l1 i n et e r m i n a l ) 。 在p o n 系统中，上行数据的传输采用时分复用的方式共享上行信道，对于发射上 行数据的光发射机来说，它发射的是突发包信号；对于接收上行数据的接收机来 说，它接收的信号是由于距离发射端距离的不同而使信号幅度和相位都有很大变 化的光突发模式信号。在这种情况下，如果仍然用传统的光发射机、光接收机处 理信号，必然会引起一系列问题，因此，开发满足需求的光突发模式发劓机、光 突发模式接收枧成为发展光接入网的当务之急。 图1 - 2p o n 系统结构图 由于光突发模式收发机具有极佳的现实意义和良好的应用前景，因此成为国内 外研究机构的关注对象，不断有新的报道出现。然而，现在国内还没有开创性的 成果出现，不论是高速还是低速的光突发模式收发机技术，绝大部分都被国外的 研究机构或者公司所垄断，因此，我们有必要研究具有自主知识产权的光突发模 式收发机。 论文主要由三部分组成：光突发模式接收机技术研究、光突发模式发射技术研 究、实验验证。对前两个部分我们均是采用这样一种研究思路，即对现有的技术 第一章绪论 做出全面的归纳总结，寻找最合适的方案，在此基础上针对现有技术方案存在的 各种问题，提出自己的改进方案，并给出光突发模式收发机的详细设计过程和仿 真结果。考虑到各种因素的限制，我们对设计的光突发模式接收机在1 5 5 m b s 的 速率下进行了验证，在第三部分详细的阐述了实现过程及相应结果，同时，扼要 的说明了光突发模式信号的产生问题。在论文的最后，我们对仿真结果、实验结 果、论文创新等问题做出了全面总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章光突发模式接收机技术 2 1 光突发模式接收机与传统接收机的比较 在传统的点对点光纤通信系统中，光接收机一般接收另外一个固定节点发送 的连续模式光信号( 如图2 1 ( a ) 所示) ，并从中检测出电信号。图2 - 2 为传统光接 收机原理框图，光探测器将接收到的光信号转换为电信号，经过跨阻抗前置放大 器( t i a ，t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ) 放大和限幅放大器( l a ，l i m i t i n ga m p l i f i e r ) 放 大后实现等幅输出，图2 2 中的自动增益控制电路( a c r c ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 用于稳定限幅放大器输出信号幅度，时钟和数据恢复电路( c d rc l o c ka n dd a t a r e c o v e r y ) 的功能是用来从限幅放大器输出的信号中提取时钟并恢复出数据。 ( a ) 连续模式光信号 ( b ) 光突发模式信号 图2 - 1 两种模式光信号 图2 - 2传统光接收机原理框图 数据 输出 一 至三茎娄垄茎竖塞堡坚垫查 在点对多点或多点对多点通信系统中，光接收机接收来自不同发送节点的光 分组信号，由于不同发送节点发送的光分组信号功率不同，传输距离不同而引起 的损耗也不同，因而信号幅度变化较大( 如图2 1 ( b ) 所示) ，在这种情况下，光接 收机就不能采用传统的方法，这是因为，传统的光接收机一般采用交流耦合方式， 而突发信号缺少直流平衡分量，信号经过交流祸合后，信号很难实现对称分布， 这样放大就会造成严重的失真；而假如采用直流耦合的方式，由于突发信号幅度 相差很大，存在幅度非常小的信号，因此要求接收机的放大倍数要大，这样就会 出现直流电平随着小信号一起放大，使得放大器饱和而不能工作。因此，必须对 光接收机进行专门的设计，以适应光突发模式信号的要求。衡量光突发模式接收 机的指标有：动态范围、灵敏度、前导码时间( 前导码是指在每一个光突发包的前 部设置的为了对光突发包的数据进行幅度恢复和相位同步的特殊码元) 、保护带时 间( 保护带是指相邻光突发包之间存在的间隔时间区域) ，它们在光突发模式信号 的示意均已被标在图2 - l ( b ) 中，光突发模式接收机的设计主要围绕这几个指标展 丌o 2 2三种不同类型的光突发模式接收机 常见的光突发模式接收机通常有三种：交流耦合光突发模式接收机、直流耦 合光突发模式接收机和差分光突发模式接收机。 2 2 1 交流耦合光突发模式接收机 由前面的分析知道，传统的光接收机主要采用交流耦合法，这种方法经过适 当处理后也可以用于光突发模式接收机，如图2 - 3 所示，t 队得到的电压信号通过 一个高通滤波器后，不同幅度的数据自动的对称的分布在闽值电平的两端，高通 滤波器输出波形如图2 3 所示。然而这种方法存在一个较大的缺点：由于信号要通 过一个高通滤波器，因此低频分量有很大的损失，尤其是在遇到长连“0 ”和连“1 ” 的情况下，信号将发生较大的波形畸变，引起严重的误码，因此，要采用该方法， 就必须对信号进行特殊的线路编码，使得信号尽量不出现长连零和长连一的情况。 同时，使用该方法时，对耦合电容的选择一定要适当，电容值不能过大，否则冲 放电时间过长，前导码时间和保护带时间会大大增加，电容值也不能过小，否则， 低频分量损失过大，严重的增加误码。当然，交流耦合法也有它自身的优点，比 如电路结构相对简单，可以较少考虑直流工作点的漂移，不需要复位电路等。 第二章光突发模式接收技术 在点对多点或多点对多点通信系统中，光接收机接收来自不同发送节点的光 分组信号，由_ 丁不同发送节点发送的光分组信号功率不同，传输距离不同而引起 的损耗也不同，因而信号幅度变化较大( 如图2 1 ( b ) 所示) ，在这种情况下，光接 收机就不能采用传统的方法，这是因为，传统的光接收机一般采用交流耦合方式， 而突发信号缺少直流平衡分量，信号经过交流耦台后，信号很难实现对称分布， 这样放大就会造成严重的失真；而假如采用直流耦合的方式，由十突发信号幅度 相差很大，存在幅度非常小的信号，因此要求接收机的放大倍数要大，这样就会 出现直流电平随着小信号起放大，使得放大器饱和而不能工作。因此，必须对 光接收机进行专门的设计，以适应光突发模式信号的要求。衡量光突发模式接收 机的指标有：动态范围、灵敏度、前导码时问( 前导码是指在每一个光突发包的前 部设置的为了对光突发包的数据进行幅度恢复和相位同步的特殊码元) 、保护带时 间( 保护带是指相邻光突发包之间存在的间隔时间区域) ，它们在光突发模式信g 的示意均已被标在图2 1 ( b ) 中，光突发模式接收机的设计主要围绕这几个指标展 开。 2 2三种不同类型的光突发模式接收机 常见的光突发模式接收机通常有三种：交流耦合光突发模式接收机、直流耦 合光突发模式接收机和差分光突发模式接收机。 2 2 1 交流耦合光突发模式接收机 由前面的分析知道，传统的光接收机主要采用交流耦合法，这种万法经过适 当处理后也可以用于光突友模式接收机，如图2 - 3 所示，t i a 得到的电压信号通过 一个高通滤波器后，不同幅度的数据自动的对称的分布在阈值电甲的两端，高通 滤波器输出波形如图2 - 3 所示。然而这种方法存在一个较大的缺点：由于信号要通 过一个高通滤波器，因此低频分量有很大的损失，尤其是在遇4 长连0 和连“l 的情况下，信号将发生较大的波形畸变，引起严重的误码，因此，要采用该方法， 就必须对信号进行特殊的线路编码，使得信号尽量不出现长连零和长连的情况。 同时，使用该方法时，对耦合电容的选择一定要适当，电容值不能过大，否则_ 冲 放电时间过氏，前导码时间和保护带时间会大大增加，电客值也不自过小，否贱， 低频分量损失过大，严重的增加误码。当然交流耦合法出有它自身的优点，比 如电路结构相对简单，可咀较少考虑直流工作点的漂移，不需要复位电路等。 如电路结构相对简单，可以较少考虑直流工作点的漂移，不需要复位电路等。 一 至三茎娄垄茎竖塞堡坚垫查 在点对多点或多点对多点通信系统中，光接收机接收来自不同发送节点的光 分组信号，由于不同发送节点发送的光分组信号功率不同，传输距离不同而引起 的损耗也不同，因而信号幅度变化较大( 如图2 1 ( b ) 所示) ，在这种情况下，光接 收机就不能采用传统的方法，这是因为，传统的光接收机一般采用交流耦合方式， 而突发信号缺少直流平衡分量，信号经过交流祸合后，信号很难实现对称分布， 这样放大就会造成严重的失真；而假如采用直流耦合的方式，由于突发信号幅度 相差很大，存在幅度非常小的信号，因此要求接收机的放大倍数要大，这样就会 出现直流电平随着小信号一起放大，使得放大器饱和而不能工作。因此，必须对 光接收机进行专门的设计，以适应光突发模式信号的要求。衡量光突发模式接收 机的指标有：动态范围、灵敏度、前导码时间( 前导码是指在每一个光突发包的前 部设置的为了对光突发包的数据进行幅度恢复和相位同步的特殊码元) 、保护带时 间( 保护带是指相邻光突发包之间存在的间隔时间区域) ，它们在光突发模式信号 的示意均已被标在图2 - l ( b ) 中，光突发模式接收机的设计主要围绕这几个指标展 丌o 2 2三种不同类型的光突发模式接收机 常见的光突发模式接收机通常有三种：交流耦合光突发模式接收机、直流耦 合光突发模式接收机和差分光突发模式接收机。 2 2 1 交流耦合光突发模式接收机 由前面的分析知道，传统的光接收机主要采用交流耦合法，这种方法经过适 当处理后也可以用于光突发模式接收机，如图2 - 3 所示，t 队得到的电压信号通过 一个高通滤波器后，不同幅度的数据自动的对称的分布在闽值电平的两端，高通 滤波器输出波形如图2 3 所示。然而这种方法存在一个较大的缺点：由于信号要通 过一个高通滤波器，因此低频分量有很大的损失，尤其是在遇到长连“0 ”和连“1 ” 的情况下，信号将发生较大的波形畸变，引起严重的误码，因此，要采用该方法， 就必须对信号进行特殊的线路编码，使得信号尽量不出现长连零和长连一的情况。 同时，使用该方法时，对耦合电容的选择一定要适当，电容值不能过大，否则冲 放电时间过长，前导码时间和保护带时间会大大增加，电容值也不能过小，否则， 低频分量损失过大，严重的增加误码。当然，交流耦合法也有它自身的优点，比 如电路结构相对简单，可以较少考虑直流工作点的漂移，不需要复位电路等。 电子科技大学硕士学位论文 p 桑 ( a ) 交流耦合接收机原理图 - 持 ( b ) 接收机滤波器输出波形 图2 - 3 交流耦合突发模式接收机 2 2 2 直流耦合光突发模式接收机睁1 4 1 由于交流耦合光突发模式接收机不能对直流和低频分量做出响应，因此往往 采用直流耦合光突发模式接收机。直流耦合突发接收机主要分为两类：反馈式6 吲 与前馈式 9 - l4 1 ，如图2 4 所示。 ( a ) 反馈式接收机 ( b ) 前馈式接收机 图2 - 4 两种数据整形原理框图 反馈式采用差分跨阻抗放大器作为前置放大器，其判决电流( 反馈电流) 为 输入光电流幅度的一半；判决电流由一个专门的电压峰值检测电路检测出其输出 电压的幅度再通过串联一个电阻而产生的，检测电路输入为差分前置放大器的正 向输出；差分前置放大器的两路输出直流耦合到下一级限幅放大器，其最终输出 6 翌= 兰垄窒垄垡塞堡堕堇查 基本为等幅信号。前馈式采用一般的直流耦合放大器作为前置放大器；前置放大 器输出被分为两路，一路输入到峰值检测电路，检出信号幅度的一半作为下一级 限幅放大器的判决电压( 前馈电压) ，另一路直流耦合到限幅放大器的另一个输 入端。限幅放大器的输出经过进一步放大，即可达到等幅输出。比较两种方式， 都采用动态的判决信号，以便使信号在放大过程中最大可能地减小脉冲失真。所 不同的是前者采用电流反馈且判决电流取自于自身的输出；后者采用电压前馈， 其判决电压取自于前一级作用于后一级。由于反馈式采用反馈环路，设计难度相 对较大；另外，也是更为严重的是由于反馈式中判决信号引入到前置放大器的输 入端，而判决信号叠加有各种噪声，这必然使反馈式接收机接收灵敏度下降。 2 2 3 差分光突发模式接收机f 1 5 - 7 j 由于交流和直流耦合光突发模式接收机均不能对信号做出即时相应，需要一 定的前导码和保护带时闻，对相对低速的信号而言，这不算什么，但是对于高速 突发信号而言，这个问题将严重的影响信道开销，造成信道资源的极大浪费。因 此，人们不断寻找能够解决这个问题的方法，光差分检测接收法就是在这种情况 下被提出来的。这种方法的基本原理如图2 5 所示，曼彻斯特编码的信号经过掺饵 光纤放大器( e d f a ，e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 放大后，用耦合器进行平分，其 中一路信号经过半个比特的延迟，两路信号分别入射到两个相同的光电探测器上， 获得的光电流是两路曼彻斯特编码信号的差值，因此，可以得到围绕电平对称分 布的差分曼彻斯特编码信号。这样，就可以采用交流耦合的方式继续对信号进行 处理。然而该方法存在一些难以克服的缺点，比如，半比特的延迟时间难于精确 控制、信号需要特殊编码、时钟与数据恢复电路结构复杂等，因此在现阶段很难 应用。 图2 - 5 光差分接收机原理图 放大器 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 光突发模式接收机技术总结 表1 是总结的近几年国外关于光突发模式接收机的研究情况，其中文献索引 绝大部分是在国际顶级杂志上面刊登的，从这个表格我们可以清楚的看到，国外 对光突发模式接收机的研究相当活跃，到目前为止仍然不断有高质量的文章发表。 其中，前馈式方法最为人们所关注，结合前面对前馈式方法的分析，可以发现前 馈式光突发模式接收机是目前最有前景的高速光突发模式接收机技术。 表2 i光突发模式接收机研究情况 采 用最高工作 最高灵 最大展开研 主要文献 文献优点缺点 方速率敏度动态究国家索引刊登 法( g b s ) ( d b m )范围 时间 ( d b ) 交 1 2 5一2 72 2 9 3 4 2 0 0 3 电路结构信号需编 流 3 4 3 艮韩国 5 简单码，灵敏 法 5 2 0 0 5度低 前 l - 2 54 23 0 美国 6 7 8 1 9 9 5工作速率 稳定性欠 馈 6 7 9 1 0 日本 9 1 0 高、灵敏 佳 法 8 韩国 1 1 2 0 0 5度高 反 2 3 52 7 5 1 2 l 3 1 9 9 0 馈 1 2 1 3 l 4 美国 1 4 稳定性好灵敏度低 法 1 9 9 4 差 】o一3 2 72 5 1 5 】5 1 9 9 8 工作速率信号需要 分 1 5 1 6 1 5 1 6 日本 1 7 编码 法 1 7 2 0 0 4 其 i 2 53 i3 6 美国 1 8 1 9 1 9 9 7 实用性欠 它 1 8 1 9 2 0 曰本 2 0 2l 方法新颖佳 2 0 0 5 第三章光突发模式接收机电路设计与仿真 第三章光突发模式接收机电路设计与仿真 光接收机的作用是检测经过传输的微弱光信号，并放大、整形、再生成原被 传输的信号。对于接收光突发信号的光突发模式接收机，除了满足传统光接收机 所要求的高灵敏度外，还要有较大的动态范围和快速的响应能力。光突发模式接 收机主要包括信号整形、时钟和数据恢复两大部分，本章针对传输速率为1 2 5 g b s 的光突发信号进行了整形电路的设计和仿真。 3 1 光突发模式接收机电路结构选择 由前面的分析我们知道，前馈式光突发模式接收机由于它的优点而最为人们 关注，它的详细电路结构如图3 1 所示。该种类型的接收机一般由以下几部分构成： 光电二极管、跨阻抗前置放大器、顶部探测电路( t h c ，t o ph o l dc i r c u i t ) 、底部探 测电路( b h c ，b o t t o mh o l dc i r c u i t ) 、电阻分压器、限幅放大器组成。其大致的工作 过程是这样的：输入光信号经光电二极管转化成电流信号后输入跨阻抗放大器： 跨阻抗放大器的输出电压信号分成三路，一路输入到顶部探测电路，一路输入到 底部探测电路；顶部探测电路输出的信号和底部探测电路输出的信号经过电阻分 图3 1前馈式光突发模式接收机 电子科技大学硕士学位论文 压器作用后得到了跨阻抗放大器输出信号的判决电平，它和跨阻抗前置放大器的 另外一路输出一起输入到限幅放大器，限幅放大器的输出即为所需的等幅信号。 该接收机在工作时，当一个突发包到达探测电路时，需要对探测电路中的电容进 行充电；在该突发包结束后到下一个突发包到来之前，需要一个复位脉冲信号对 探测电路中的电容进行放电。现有的光突发模式接收机其复位脉冲信号一般是外 加的，在这种情况下，需要通过一系列复杂的软件和硬件在突发包的间隙产生复 位脉冲信号并对其复位时间进行适当控制，这样做不但复位时间难以控制，而且 大大增加了接收系统的复杂程度。现有的光突发模式接收机其顶部探测电路使用 了一个定值电容来进行顶部信号探测，存在大信号时充电时间长和小信号时检波 误差大这一对矛盾，使得较高的信道利用率和较小的误码不能兼得。有人对这种 光突发模式接收机进行了改进【6 】，它通过反馈式复位脉冲信号产生电路自动产生复 位脉冲信号。这种反馈式复位脉冲信号产生电路的输入信号是限幅放大器的差分 输出，它们经过两个包络探测器和比较器电路及一系列用来稳定输出的门电路后 得到所需的复位脉冲信号，然后将这个复位脉冲信号分两路，一路反馈到顶部探 测电路，另路经反相后反馈到底部探测电路，在突发包的间隙对电容进行放电。 然而这种反馈式复位脉冲信号产生电路存在着较大的缺陷：一是限幅放大器输出 的信号需要输入到包络探测器中进行包络探测，使得所需的前导码时间和保护带 时间会相应增加；二是相对整个接收机的输入信号而言，反馈式复位脉冲信号产 光 图3 - 2 整体接收机框图 星三量垄窒叁堡苎堡坚垫里堕堡生皇堕塞 生电路所产生的复位脉冲信号有一定时间的延迟，顶部探测电路和底部探测电路 需要等待复位脉冲信号的到来，从而使得保护带的时间进一步增加，从而降低了 信道利用率；三是复位脉冲信号的宽度没有进行适当控制，使得放电时的过冲较 为严重，这样就会增加前导码的时间，从而进一步降低了信道利用率；四是反馈 式复位脉冲信号产生电路由于引入了反馈机制，使得接收电路不太稳定，容易产 生振荡。 针对以上提到的现有电路存在的缺点，我们对前馈式光突发模式接收机进行 了较大的改进，并对设计的电路进行了仿真。图3 2 为设计的整体接收机框图。它 由光电二极管、跨阻抗前置放大器、延迟电路、自动阈值控制电路( a t c 、a u t o m a t i c t h r e s h o l dc o n t r 0 1 ) 、自动偏移取消电路( a o c ，a u t o m