（电路与系统专业论文）dc10mbps超低速突发模式非均衡码光接收机设计.pdf

摘要 摘要 d c 10 m b p s 超低速突发模式非均衡码光接收机设计 王蓉 导师王志功教授 东南大学 现代社会对通信的依赖性越来越大，作为当代通信领域的关键技术，光系统、光器件以及光电 集成电路等光通信技术已成为国际和国内光纤通信领域的研究重点和应用热点。随着主要光电子器 件成本的不断降低，光纤作为主要媒介的通信传输模式的应用越来越广泛，原有基于同步连续的光 传输模式已不能适应日益扩人的应用需求。 随着宽带互联网接入需求的不断增加，作为解决“最后1 英里”问题的光纤剑户( f i b e r s t o t h e - h o m e ，f t t h ) 的网络宽带化建设迫在眉睫。f 1 丌p 首选的无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，p o n ) 数据传输所具有的突发性和“0 ”“l ”非均衡性对已经非常成熟的基于同步连续均衡传输模式的光接收 机模块提出重人挑战。非均衡性导致传统接收机中交流耦合必须被全直流耦合所代替，而突发性必 然要求光接收机具有高的响应速度，以尽可能减少比特丢失。同时突发模式的光传输通信也向诸如 t 业监控、电力监控和视频监控系统等低速率和长距离、但对可靠性和抗干扰能力要求很高的应用 场合扩展。采用光纤进行数据传输可以发挥光纤传输距离长且极强的抗干扰能力，从而在恶劣的工 业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路，避免冈使用金属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的 危险。因此，突发模式非均衡码的光收发芯片研制具有很高的研究价值和应用前景。 近年来，上业及电力自动化光网连接的需求激增，对光模块的需求不断扩大。由于这种系统处 理的数据流正是突发模式传输的“0 ”“l ”非均衡性码，基于均衡码和连续传输模式设计的通用接收机 模块无法适用。虽然可将数据信号经专用线路编码芯片编为均衡码后再采用通用收发模块处理，但 这样增加了成本和系统开销。目前，专门为此类系统开发的商用芯片数量稀少、价格昂贵。因此国 内主要模块厂商的产品方案基本上都是采用分立结构加比较器的方式实现，造成灵敏度和过载都无 法得剑优化，影响了传输距离和适用范围。且长的连0 信号或无信号发送时，无告警功能。因此， 市场迫切需求一种适用丁该系统应用的价格适中、性能满足要求并带有告警功能的光收发模块。 因此，本文作者与江苏新志光电有限公司合作，创新性地提出了一种可处理非均衡码和突发数 据流传输特性的光接收机系统方案。该方案省却了线路编码，既满足灵敏度设计要求，义通过引入 新型自动增益控制实现过载优化，并能提供长连“0 ”信号或无信号的自动告警功能。 根据t 控电力系统要求，接收到的是非常微弱的电流信号，而输出则需要达到c m o s 们l 数字 信号电平。因此，这是一个典型的数模混合系统。全集成时，模数信号之间的串扰会大大降低光接 收机灵敏度。所以，除了提出全新系统方案外，本课题还详细研究了混合信号单片集成电路的灵敏 度优化方法，重点分析了导致灵敏度降低的两个重要冈素：器件噪卢和数模信号干扰。在此基础上， 提出了电路、版图和印刷电路板三个产品设计阶段噪声的控制和优化方法。由此实现的集成电路测 试达到了优于3 0 d b m 灵敏度的预期指标要求，与没计阶段的仿真分析结果北常吻合。该灵敏度远优 于目前国内分立器件设计的模块，达到甚至超过了国外同类型产品。 该论文课题是由江苏新忐光电公司经过详尽的市场调奄后立项，旨在填补突发模式非均衡码光 接收模块的国内空白。课题中的各种指标及设计要求，均按产品要求提出，并经过客户认证。1 ：作 速率满足上控电力系统目前所有可能的速率要求，即d c 1 0 m b p s 。全直流耦合方式保证了其对于d c 信号的处理能力。芯片各种可能的 ：作方式，环境和工艺角的影响在设计阶段都得剑了充分的仿真 验证。芯片采用华润上华c s m c0 5 9 mc m o s 混合信号工艺流片后，其绑定、封装、印刷电路板的制 作和测试都有严格的产业标准流程控制。芯片测试结果达到了产品要求，得到客户认可，目前已进 入工程批制造阶段，实现了该芯片的产业化设计和市场应用推j “。 该系统虽然是为下控电力系统设计，但它可广泛应用于汽车电子、视频监控等各种速率的非均 衡码的突发模式光传输系统。其创新性结构和优良性能不仅对丁处理突发模式非均衡码的光传输系 统研究和光接收机灵敏度优化具有研究价值，对于实现高性能商用芯片的国产化也具有重大意义。 【关键词】 光接收机，- t 控电力系统，均衡月 均衡码，突发模式，灵敏度，自动增益控制，无光告警，数 模混合系统 i i a b s t r a c t a bs t r a c t d c - - 10 m b psu l t r a - - l o w - s p e e db u r s t - m o d eu n - b a l a n c e d o p t i c a lr e c e i v e rd e s i g n w a n g r o n g s u p e r v i s o r ：p r o f d r w a n gz h i g o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i t hm o r ea n dm o r ed e p e n d e n c eo nc o m m u n i c a t i o n so fm o d e r ns o c i e t y , t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e si n c l u d i n go p t i c a ls y s t e m s ，o p t i c a ld e v i c e sa n do p t i c a l - e l e c t r i c a li n t e g r a t e dc i r c u i t sw h i c ha c t sa s ac o r et e c h n o l o g yi nc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，h a v eb e c o m et h ek e yp o i n to fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nh o t s p o ti n n a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d w i t ht h ec o n t i n u o u sr e d u c t i o no ft h ec o s to fm a i n o p t i c a ld e v i c e s ，t h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ni se x t e n d e di n t om o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o nf i e l d s b u tt h ee x i s t i n g o p t i c a lt r a n s i m i s s i o nm o d eb a s e do ns y n c h r o n o u sc o n t i n u o u st r a n s m i s s i o nm o d ei sn o ts u i t a b l et ot h en e w a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，n l eg r o w i n gd e m a n do nb r o a d b a n di n t e m e ta c c e s sh a sm o t i v a t e dd e v e l o p m e n tf i b e r s t o t h e - h o m e ( f t t h ) w h i c hi su s e dt oc l o s et h eg a po ft r a n s m i s s i o nb a n d w i d t ha tt h e “l a s tm i l e ”f o r 兀1 h ，t h ep e n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) b r i n g sf o r w a r dac h a l l e n g et ot h ec o n v e n t i o n a lo p t i c a lr e c e i v e rb a s e do n s y n c h r o n o u sc o n t i n u o u sb a l a n c e dc o d eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nm o d eb e c a u s et h ei n c o m i n gs i g n a lo fp o ni s b u r s tm o d ea n b a l a n c e dc o d e 1 1 1 el a c ko fr e b a l a n c i n gm a k e si tn e c e s s a r yt od e s i g ns p e c i a ld c - c o u p l e d r e c e i v e r sw h i c hh a sq u i c kr e s p o n s ef o rb u r s t m o d es i g n a la v o i d i n gb i tl o s s t h eb u r s t - m o d eo p t i c a l t r a n s m i s s i o ni sa l s oe x t e n d e di n t ot h el o w - s p e e dl o n g - d i s t a n c ea p p l i c a t i o nw h e r eah i 【g hr e l i a b i l i t ya n d s t r o n ga n t i - j a m m i n ga r er e q u i r e d t h r e ee x a m p l e sa r et h es y s t e m sf o rt h ei n d u s t r ym o n i t o r i n g ，t h ee l e c t r i c p o w e rm o n i t o r i n ga n dv i d e om o n i t o r i n g i ti si n e v i t a b l et ou s eo p t i c a lf i b e rt ot r a n s f e rd a t ai ni n d u s t r ya n d e l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m sb e c a u s eo p t i c a lf i b e rc a nt r a n s f e rd a t af o ral o n g - d i s t a n c ea n dh a v ea s t r o n ga n t i - j a m m i n ga b i l i t yw h i c hc a ns u p p l ys t a b l ea n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i n gc o n n e c t i o n i np o o r i n d u s t r i a lc i r c u m s t a n c et oa v o i dc o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o nc a u s e db ye l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) o fm e t a lc a b l ec o n n e c t i o n t h e r e f o r e ，i ti sv e r yv a l u a b l ea n dp e r s p e c t i v et or e s e a r c ho nt h ec h i p sf o rb u r s t m o d ea n b a l a n c e do p t i c a lt r a n s f e rs y s t e m w i t ht h ep r o l i f e r a t i o no ft h eo p t i c a lc o n n e c t i o nd e m a n di ni n d u s t r ya n de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n g s y s t e m s ，t h ed e m a n do ft h eo p t i c a lm o d u l e si n c r e a s e sg r e a t l y i nt h e s es y s t e m st h ed a t aa r eu n b a l a n c e d b e t w e e n 0 a n d l a n dt h et r a n s f e rm o d ei so fb u r s tw h i c hr e s u l t si nt h ef a c tt h a tt h eu s u a lr e c e i v e r m o d u l e sb a s e do nb a l a n c e dd a t aa n dc o n t i n u o u st r a n s f e rm o d ea r en o ts u i t a b l e a l t h o u g ht h ed a t ac a nb e e n c o d e dt ob eb a l a n c e db yal i n ee n c o d e rs o a st ou s eu s u a lr e c e i v e rm o d u l e st ot r a n s f e rt h e m ，i tw i l l i n c r e a s et h ec o s ta n ds y s t e ms p e n d i n g a tp r e s e n t ，c o m m e r c i a lc h i p sf o rt h i sa p p l i c a t i o na r ev e r ys e l d o m a n dc o s t l y t h u s ，m o s tn a t i o n a lp r o v i d e r so fo p t i c a lm o d u l e sa r eu s i n gd i s c r e t ec o m p o n e n t sa n d c o m p a r a t o r st oa c h i e v ei t ，r e s u l t i n gi ns e n s i t i v i t ya n do v e r l o a du n - o p t i m i z e d ，a n da f f e c t i n gt h et r a n s f e r d i s t a n c ea n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p e m o r e o v e r ，i tc a n ta c h i e v ea s s e r tf u n c t i o n sa i m i n ga tl o n gr u n 0 s i g n a l o rn os i g n a l t h e r e f o r e ，t h eo p t i c a lm o d u l e sw i t hl o wp r i c e ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n da s s e r tf u n c t i o n sf o r t h e s ea p p l i c a t i o n sa l eu r g e n t l yd e m a n d e df o ri n d u s t r ya n de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m s a c c o r d i n g l y , c o o p e r a t i n gw i t l ls i n e c h i po e i cj i a n g s uc o l t d t h i st h e s i sa i m sa td e s i g n i n ga n d r e a l i z i n gan o v e lo p t i c a lr e c e i v e rs y s t e ms c h e m ew h i c hc a nh a n d l eu n b a l a n c e da n db u r s t - m o d ed a t as t r e a m t h i ss y s t e ms c h e m el e a v e so u tt h el i n ec o d e r , a n dc a na c h i e v eh i l g hs e n s i t i v i t y b yu s i n gan o v e la u t og a i n c o n t r o lm e c h a n i s m ，i tc a no p t i m i z eo v e r l o a d m o r e o v e r , i tc a ns u p p l ya u t o m a t i ca s s e r tf u n c t i o nw h e ni t d e a l sw i t hl o n gr u n 0 s i g n a la n dn os i g n a l a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sa n dw o r k i n gs p e e d su s e r 8 c a ns e tt h ea s s e r tt i m et h r e s h o l d i i t n l eo p t i c a lr e c e i v e rs y s t e mr e c e i v e sav e r yw e a kc u r r e n ts i g n a la n do u t p u t sac m o s t t ld i g i t a l s i g n a l t h u s i ti sat y p i c a la n a l o g - d i g i t a lm i x e d s i g n a ls y s t e m t h ec r o s s t a l kb e t w e e nt h ed i g i t a la n dt h e a n a l o gs i g n a lw i l ld e t e r i o r a t et h es e n s i t i v i t ys e r i o u s l yw h e nt h e ya r ei n t e g r a t e do nt h es a m es u b s t r a t e b e s i d e sb r i n g i n gf o r w a r dan o v e ls y s t e ms c h e m e ，t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sa l s or e s e a r c h e sa n da p p l i e sv a r i o u s w a y st oo p t i m i z et h es e n s i t i v i t y a i m i n ga tm i x e d - s i g n a lm o n o l i t h i ci n t e g r a t e ds y s t e m ，i ta n a l y z e st w o p r i m a r yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es e n s i t i v i t ys e r i o u s l y ：t h ed e v i c en o i s ea n dt h ed i g i t a l a n a l o gc r o s s t a l k b a s e da tt h ee l a b o r a t ea n a l y s e s ，t h i st h e s i sa d v a n c e sa n da p p l i e sv a r i o u st e c h n i q u e st oc o n t r o la n do p t i m i z e t h en o i s ei nt h r e ed i f f e r e n td e s i g np h a s e s ：t h ec i r c u i td e s i g n ，t h el a y o u td e s i g n ，a n dt h ep r i n t e d - c i r c u i tb o a r d ( p c b ) d e s i g n t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tas e n s i t i v i t yo fl o w e rt h a n - 3 0 d b mr e a c h e se x p e c t a n t s p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，a n di ti sa l s ov e r yc o h e r e n tw i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h i st h e s i si sf o u n d e db ys i n o - c h i po e i cj i a n g s uc o l t db yd e t a i l e da n ds e r i o u sm a r k e tr e s e a r c h a l l t h es p e c i f i c a t i o n sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h eo p t i c a lr e c e i v e ra r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h e p r o d u c td e m a n d sa n dc o n f i r m e db yc u s t o m e r s i t sw o r k i n gs p e e di sf r o md ct o1 0 m b p s ，c o v e r i n ga l lt h e s p e e dr e q u i r e m e n t so ft h ec u r r e n ti n d u s t r ym o n i t o r i n ga n de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m s f u l l y d c c o u p l e dm a k e s i tc a p a b l et od e a lw i t hd cs i g n a l t h ep o s s i b l ew o r k i n gm o d e s e n v i r o n m e n t sa n dd e s i g n c o m e r so ft h es y s t e mw e r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n a f t e rt a p e o u tu s i n gc s m c 0 5 一【1 1c m o sm i x e d s i g n a l t e c h n o l o g y ，t h eb o n d i n g ，t h ep a c k a g e ，t h ep c bf a b r i c a t i o na n dt h ec h i pt e s t i n ga r em a n a g e db yr i g o r o u s f l o w t h et e s t i n gr e s u l t sr e a c ht h ep r o d u c tr e q u i r e m e n t s a tp r e s e n t t h ep r o d u c ts a m p l e sh a v eb e e nt h r o u g h c e r t i f i c a t i o nb yc u s t o m e r sa n de n t e ri n t om a s sp r o d u c t i o n 。 t h i ss y s t e mi sd e s i g n e df o ri n d u s t r ya n de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m s b u ti tc a nw i d e l ya p p l i e d i nt h eu n b a l a n c e da n db u r s tm o d eo p t i c a lt r a n s f e rs y s t e m sw i t hv a r i o u sw o r k i n gs p e e d ，s u c ha sm o t o r e l e c t r o n i c s ，v i d e om o n i t o r i n ge t c i t sn o v e la r c h i t e c t u r ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c em a k e si tv a l u a b l ef o r r e s e a r c h ，b u ta l s oh a v eag r e a ts i g n i f i c a n c ef o ra c h i e v i n gc o m m e r c i a lc h i p sn a t i o n a l i z a t i o n 【k e y w o r d s lo p t i c a lr e c e i v e r , i n d u s t r ya n de l e c t r i cp o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m s ，b a l a n c e d u n - b a l a n c e dc o d e ， b u r s tm o d e ，s e n s i t i v i t y , a u t o - g a i nc o n t r o l ( a g c ) ，n os i g n a la s s e r t ，d i g i t a l a n a l o g m i x e d s i g n a ls y s t e m i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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 并表示了谢意。 研究生签名：一日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：日 期： 第i 章绪论 第1 章绪论 现代社会对通信的依赖性越米越大，作为当代通信领域的关键技术，光系统、光器件以及光电 集成电路等研究已成为国内外研究的热点。近年来，光网络的巨人商机使诸如a g i l e n t t e c h n o l o g i e s ， h i t a c h ic a b l e ，i b m 和m o l e x 等许多制造商都设计和生产自己的光收发模块。国外的m a x i m 、 m i n d s p e e d 等儿家公司开发的光通信芯片一i 据着市场的很大份额。随着主要光电子器件成本的不断降 低，光传输的应用范围不断扩展剑诸如1 ：业监控、电力监控系统等低速率但长距离和对可靠性与抗 干扰能力要求高的应用场合。开发适用于各种速率的光收发模块已成为市场焦点。除了传统的高速 率、长距离光纤传输应用场合外，新兴的光传输应用领域和系统不断涌现，如光纤到户 ( f i b e r t o - t h e h o m e ，f 1 t h ) 、局域网( l o c a l a r e a - n e t w o r k s ，l a n s ) 等短距离通信、汽车电子 中的车载光通信网络媒体导向系统传输( m e d i ao r i e n t e ds y s t e m st r a n s p o r t ，m o s t ) t e l l 和视频监控以 及前面提剑的_ t 业电力监控系统等。 计算机和自动控制技术的高速发展使丁：业及电力白动化水平达到一个新的高度。通过各种各样 的t 业控制总线系统，众多的t 业设备构成一个既分散又统一的整体。通过转换器，光纤可以与 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、l o o m b p s p j , 太网和令牌网等标准协议接t ：l 相连，从而在恶劣的丁业制造环境中提供 稳定可靠的通信线路，提供高速传输上业控制信号和指令，避免因使用全属电缆线路受电磁干扰而 导致通信中断的危险【l 2 】。因此，随着丁业及电力自动化光网连接激增的需求，对适合这些应用的光 模块需求不断扩大。但由于这些系统处理的数据流和信号传输模式的特殊性，目前这种模块的芯片 级产品数量少，价格贵 1 3 - 5 】。主要的模块厂商所用产品方案还是采用分立结构加比较器来实现，灵 敏度和过载都无法得到优化，影响了传输距离和适用范同。针对长的连“o ”信号或无信号发送无法实 现告警功能。因此市场迫切需求一种价格适中、性能满足要求并带有告警功能的针对该类使用的光 收发模块。 为此，本论文设计和实现了上业电力监控系统用的d c 1 0 m p b s 超低速突发非均衡码光接收机系 统芯片。文中首先描述该系统的特殊性，创新性地提出系统级芯片解决方案。针对接收信号的非均 衡性和突发性特点，既优化灵敏度指标，义通过引入新犁自动增益控制，实现过载优化，能对突发 信号快速响应。并针对长连“0 ”信号或无信号发送，实现告警功能。 绪论部分首先简介了光纤传输系统相关知识，然后提出了本论文的课题背景和研究意义，着重 指出了本课题两大设计难点，最后给出了论文的总体结构安排。 1 1 光纤传输系统概述 信号可以是模拟的或数字的。模拟信号的特征是连续性。原始的语音信号和电视信号是典型的 两种模拟信号。模拟通信系统是对信号进行直接变换和传输的系统，其最大缺点就是信号的质量即 信噪比随着传输距离的增加而降低。这是由于发射机、传输信道，中转器和接收机中的噪卢都会被 迭加到有用信号上，导致传输距离受到限制。克服这一缺点的根本办法就是使用数字传输系统，因 为在数字传输系统中，信号可以在信道中无差错地多次再生，直剑最后在接收机端无差错或以极低 的差错率再生。这就是数字技术在现代远程通信中越来越占据优势的原因。与模拟信号相比，数字 信号在时间上和幅度上都是离散的，冈而能用数字流来描述。原则上任何一种计数制都能用来表示 数据，但在实际上考虑到生成、存储、运算和表达的简单性和技术实现的可行性，二迸制得到广泛 使用。三进制、四进制，或者其它迸制偶尔也会用到。数字通信系统是用来传输和交换数字信号的。 回顾现代通信，数字通信在1 9 世纪就已经随着电报的发明而出现了。2 0 世纪6 0 年代以米，以 晶体管为基础的集成电路技术迅猛发展，推动数字技术取得了惊人的进步。因为数字系统具有优丁二 模拟系统的内在特性，模拟系统的统治地位逐渐被数字系统所取代。计算机的广泛应用促进了数字 通信的飞跃发展。因为计算机中的所有信息，也就是数据都是数字的，冈而数据直接采用数字方式 东南大学博1 ：学位论文 传输毫无疑问是合乎逻辑的【l 6 i 。 数字通信有众多的优点，但也有一些缺点。其中之一就是它所需要的信道带宽。传输数字化信 号比传输该信号的模拟形式需要的带宽要大得多。举例米说，一路标准话音信号直接进行传输时需 要的频带小于4 1 d - i z ，但如果用标准p c m ，即脉冲编码调制的1 f 归零码( n o n - r e t u r n - t o - z e r on r z ) 调制为数字信号，就需要6 4 k h z 的信道宽度。这样，随着电话装机数目的不断增长和电话信号的不 断数字化，将导致现有信道资源的严重匮乏。电视信号数字化将产生一个上百兆比特率的数字信号。 超级计算机之间数据也以几百兆比特率甚至更高的速率进行传输。因此，高速数字通信网需要一个 非常大的信道容量。激光器的发明和光纤的开发对数字电话通信和数据通信来说，无疑是两大革命 性的事件，因为一根光纤的潜在信道容量高达儿百t b s 。如此巨大的信道容量，大量模拟信号转换 成数字信号引起的带宽增加就不成问题了。与铜线和同轴电缆等传输系统相比，光纤传输系统具有 下列明显的优势【l - j ： 1 ) 光纤的通频带很宽，理论可达3 0 亿兆赫兹。 2 ) 无中继段长几十到1 0 0 多公里，而铜线只有几百米。 3 ) 不受电磁场和电磁辐射的影响。 4 1 重量轻，体积小。 5 ) 光纤通讯不带电，使用安全可用丁：易燃，易爆场所。 6 ) 使用环境温度范围宽。 7 ) 抗化学腐蚀，使用寿命长。 1 1 1 光纤传输简介 一个简单的光接收发射模块的基本结构如图1 1 所示。它主要包含一个激光驱动器、一条光纤 信道和一个光接收机前端电路。在光发射部分，数据信号由一个光发射器件例如激光二极管( l a s e r d i o d e ，l d ) 及其驱动器调制到一路光波上。载有信号的光波通过由光纤，中继器构成的光纤信道， 传输到光接收机。在接收机中，光信号首先通过一个光检测器( p h o t o d e t e c t o r ，p d ) 被转换成电信号， 然后被前置放大器和主放大器放大、再生后形成原始的数据信号。 图1 1 光接收发射模块基本结构框图 1 1 2 二进制数据传输 光纤通信大多是数字通信，而且为了处理方便，人部分光纤通信系统都采用对光波进行简单二 进制幅度调制，即二进制二电平码，“有光脉冲”表示“l ”码，“无光脉冲”表示“0 ”码。这些随机二进制 序列( r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ，r b s ) 的“0 ”和“l ”信号中包含了需要传输的信息。在传输过程中， 它们受到光、电领域的各种影响，会产生失真。如果每一个比特的周期是死秒，那么传输的比特率 即为风，等于1 死比特秒。如图1 2 所示。图( a ) 中包含一个非零的平均值，因为逻辑“0 ，是用一个 2 第1 章绪论 零电压或电流来表示的；而图( b ) 中逻辑0 和逻辑“l ”分别州两个人小相等，符号相反的值米表示。 如果逻辑0 和逻辑“1 数目相同，则它包含一个零平均值1 引。 ! 1 口- 一瓦k ii f ( a ) 图 二釜番= b二至于a j = 毛 一kk 1 2 伪随机码序列( a ) 非零平均值( b ) 零平均值 传输数据的随机性使得有可能出现长连0 或长连“1 ”，如图1 3 所示。这种长的电平连续信号加 大了很多光收发电路的设计难度。如交流耦合电路对这种长连续信号就非常敏感。如果连续信号过 长时，会导致码型相关抖动( d a t a - d e p e n d e n tj i t t e r ，d d j ) ，严重时会出现误码。此时交流耦合电容 的选取要特别注意，因为它决定了系统的低频截i 卜频率。所以，各种光通信标准中通常都会规定最 大连“0 ”和连“1 ”个数。例如，一般典犁允许的最大连0 或连“1 ”个数为7 2 比特。为避免超过这个数 目，在发射端，必须对传输数据进行止确的编码。如图1 4 所示为一个长连“0 ”信号应用剑一个交 流耦合的高通系统时，电压下漂示意图。该下漂导致了低频码型相关抖动l i j j 。 长适o 。信号 图1 3 长连信号示意图 码型相关抖动 - - 一_ ： 图1 4 交流耦合造成的低频码型相关抖动 1 1 3 调制机理 光通信中目前大部分使用的调制格式是n r z ，如图1 5 ( a ) 所示。这种调制具有开关键控的形 式：信号连通传输“l ”比特；信号切断传输“o ”比特。当传输“l ”信号( 例如，激光器驱动发光) 时， 将保持一个完整的比特周期死。 在高速或长距离传输中，更多的是采用! j 零码( r e t u r n t o z e r o ，r z ) 调制，如图1 5 ( b ) 所示。 在这种调制中，表示“l ”比特的脉冲只占比特周期的5 0 。相较于非归零码，归零码对信噪比要求低， 受光纤的非线性，色散等影响小，但是因为它的脉冲较短，所以需要的频带更宽，需要更昂贵的激 3 东南人学博 j 学位论文 光器，光检测器等光接收组件的支持。 2 0t h = 纪8 0 年代发展起来的有线电视信号传输通常使用的是一种多级信号调制方式：脉冲幅度 调制( p u l s ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，p a m ) ，如图1 5 ( c ) 所示。在该图中，两个连续比特采用四级 信号之一来编码表示，因此这种调制也称为p a m - 4 。相较于1 f 归零码，p a m - 4 要求更高的信噪比来 实现可靠检测。但是因为它每一个编码速率只有非! 1 零码比特率的一半，所以它需要的带宽要窄【l _ 训。 o0l01o101 il nm f 1n “黻鳓 毒i i n ll 丌| n l i n i i 几l 殷 t 哪 | lr 一：l l 划蝴。嘞 一 - 一_ 一- 厶 t 图1 5 调制机理：( a ) n r z ，( b ) r z ，( c ) p a m - 4 1 1 4 线路编码 在数据比特被调制到光载波上之前，它们还需要预处理一下，这就是通常所说的线路编码，又 称信道编码。这种编码可以确保传输的比特流直流平衡，消除或减少数字电信号中的直流和低频分 量，保持较短的连“0 ”、连“1 ”信号长度和高的“0 ”和“l ”信号转换率，以便于在光纤中传输、接收及监 测i l 1 0 1 。这一点也是传统光接收机采用平均接收光功率强度检测、从而以此调整增益的主要前提。 经过线路编码后，从长时间平均来看，直流平衡的比特流包含有相同数目的“0 ”和“1 ”信号，即“0 ” 和“1 ”信号比特数各占总比特数的5 0 。直流平衡信号的平均值( 直流分量) 在“0 ”、“1 ”信号电平的 中间( 即信号峰峰值的一半) 。这使得电路各模块之间可以使用交流耦合，从而简化设计。线路编 码还控制连“0 ”和连“l ”信号数目为一个较小值。这样可以减小发送信号的低频能量，当使用交流耦 合时，较小的连“0 ”和连“l ”信号数目可以限制基线漂移，即直流漂移。 线路编码的常用方法是引入一定的冗余码。这样的线路编码大致可归纳为三类：扰码二进制码、 字变换码( m b n b 码) 和插入比特码。具体码型的介绍可以在相关文献中找到 i i i 】，此处不再赘述。 1 1 5 传输模式连续和突发 一般而言，有两种通信传输模式：连续( c o n t i n u o u s m o d e ，c m ) 和突发( b u r s t m o d e ，b m ) 。 这两种模式相应的传输信号如图1 6 所示。 图1 6 数据通信模式：( a ) 连续模式( b ) 突发模式 1 ) 连续模式通信 连续通信模式中，数据流稳定不问断的持续发送，如图1 6 ( a ) 所示。通常这种通信模式会采 用某一种线路编码，导致在一段较k 时间周期内，“0 ”和“l ”信号的数目相同，信号是直流平衡的。 这意味着信号平均值在0 和1 信号中间。对于这种通信方式，电路不同模块之间可以采取交流耦 合方式连接。 4 第1 章绪论 2 1 突发模式通信 突发通信模式中，数据流不是稳定持续发送，而是按数据包突发发送。数据包之间可能长时间 不发任何信号，如图1 6 ( b ) 所示，各数据包之间发射的光功率可能也不相同。每个突发数据包的 长度可能