（光学工程专业论文）高速光突发模式接收机技术研究.pdf

电子科技大学研究生毕业论文 摘要 近年来，突发模式的数据传输方式正在越来越多的应用于数字通信系统中。 这些系统通过光纤、无线和同轴电缆等媒质实现点到多点的连接。而在本地接 入方式中，设计人员往往采用时分多址( t d m a ) 的接入方式。这种点到多点 的网络结构和时分复用的工作方式决定了上行信号是以突发的方式传输的。在 这种光纤接入网中，信号的幅度和相位相差很大，传统的光接收机不能快速作 出反应，要想成功的对突发信号进行恢复，就需要特殊的技术一突发模式接收 机技术。 光突发模式接收机技术主要包括两方面：信号幅度的恢复和突发同步，本 论文着重对突发信号幅度恢复进行了研究。针对1 2 5 g b s 的突发信号，对两种 主要的突发接收技术一前馈式和反馈式接收机进行了详细的仿真和分析，包括 光电二极管的建模、直流耦合前置放大器、峰值检波电路以及限幅放大器的设 计和仿真，最终给出了接收机的完整电路。电路完全采用双极晶体管构成，便 于集成。在两种结构的接收机前端的设计和仿真中，首先建立了光电二极管模 型，为了提高动态范围，确定了跨阻抗放大器作为本接收机的前置放大器。峰 值检波采用自适应检波电路，限幅放大器采用两级差分放大器构成。对两种接 收机仿真结果表明：在1 2 5 g b s 的传输速率下，前馈式接收机灵敏度为- 2 1 d b m ， 接收动态范围2 0 d b ，分组信号间隔2 0 n s 。而反馈式接收灵敏度2 0 d b m ，动态 范围1 8 d b ，分组信号保护间隔1 2 n s ，脉宽基本没有失真。 最后，我们在15 5 m b s 传输速率下，对前馈式接收机的单元电路进行了初 步的实验。首先我们制作了一个1 5 5 m b s 突发信号源。测试结果表明：直流耦 合前放在1 5 5 m b s 速率时，接收灵敏度为- 2 4 d b m ，峰值检波电路效率大约7 0 。 关键词光突发模式接收机直流耦合峰值检波自适应判决 电子科技大学研究生毕业论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h eu s eo fb u r s tm o d ed a t at r a n s m i s s i o ni si n c r e a s i n gi nd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e s es y s t e m su s ep o i n t t o p o i n ta n dp o i n t t o m u l t i p o i n t c o n n e c t i o n so v e ro p t i c a lf i b e r , w i r e l e s sa n dc o a x i a lm e d i a t h ee n g i n e e r si nt h e m o s tc o u n t r i e sa r ew o r k i n go nl o c a l a c c e s sa p p r o a c h e su s i n gt i m e - d i v i s i o n - m u t i p l e - a c c e s s s ( t d m a ) t e c h n o l o g y t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e so fp o i n t t o m u l t i p o i n ta n d t h ew o r k i n gm o d e lo ft d m am a k et h eu p s t r e a md a t aw o r ki nb u r s tm o d e t h e d i f f e r e n c ei no p t i c a lp o w e ra n dp h a s ea l i g n m e n tb e t w e e ni n c o m i n gd a t ap a c k e t si s v e r yl a r g e ，t h et r a d i t i o n a lr e c e i v e r se a r ln o th a n d l et h i st y p ed a d ai n s t a n t a n e o u s l y t o r e a l i z eb u r s tm o d er e c e p t i o n 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 eb u r s t m o d eo p t i c a lr e c e i v e ri sa d o p t e di no u rd e s i g n t h e r ea r et w ok e yi s s u e st ob er e s o l v e di nd e v e l o p i n gb u r s t m o d eo p t i c a l r e c e i v e r ：r e s h a p ea n di n s t a n t a n e o u sc l o c kr e c o v e r y s p e c i a la t t e n t i o ni sd e v o t e dt o t h ef i r s ti s s u ei nt h i sp a p e rr e g a r d l e s sw h e t h e rs y n c h r o n i z e ds a m p l i n gi su s e do rn o t b u r s tm o d er e c e i v e r sh a v eb e e nc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ew a yt h et h r e s h o l di ss e t ： af e e d f o r w a r dt y p ea n df e e d b a c kt y p e i nt h i sp a p e r , w ep r o v i d et h eu n i f i e dd e s i g n a n ds i m u l a t i o no ft h et w ot y p e sb u r s tm o d er e c e i v e ra tb i tr a t e su pt o1 2 5 g b s ， w h i c hi n c l u d e dt h ep h o t o d i o d em o d e l ，d e c o u p l e dp r e a m p l i f i e r s ，p e a kd e t e c t o r c i r c u i ta n dt h el i m i t i n ga m p l i f i e r s f i n a l l y , t h et w ot y p eb u r s tm o d er e c e i v e rc i r c u i t s a r ep r e s e n t e dc o m p l e t e l y t h er e c e i v e r ss i m u l a t e dc o u l db ef a b r i c a t e dc o m p l e t e l yi n s i l i c o nb i p o l a rt e c h n o l o g y t h em o d e lo fp h o t o d i o d ei sg i v e ni nt h ep a p e r t o i n c r e a s et h er e c e i v e rd y n a m i cr a n g e ，w ec h o s et i a ( t r a n s - i m p e d a n c ea m p l i f i e r ) a s p r e a m p l i f i e r p e a kd e t e c t o rc i r c u i ti sa f a s ta d a p t i v ed e t e c t o rc i r c u i t ，a n dt h el i m i t i n g a m p l i f i e ri n v o l v e st w os t a g ed i f f e r e n t i a la m p l i f i e r s t h ea n a l y s i sp r e s e n t e di n d i c a t e s ： a tb i tr a t e s1 2 5 g b s ，t h ef e e d f o r w a r dr e c e i v e rs e n s i t i v i t yi s - 2 0 d b m ，d y n a m i c r a n g eu pt o2 0 d b ，t h eg u a r dt i m eb e t w e e nt w op a c k e t si s2 0 n s t h ef e e d b a c k r e c e i v e rs e n s i t i v i t yi s 一2 1 d b m ，d y n a m i cr a n g e1 8 d b ，t h eg u a r dt i m eb e t w e e nt w o p a c k e t si s1 2 n s f i n a l l y , s o m eu n i tc i r c u i t so ft h ef e e d f o r w a r dr e c e i v e rw e r ed e m o n s t r a t e d a n e x p e r i m e n t a l b u r s tm o d es o u r c e d e s i g n e dw a sa l s o i l l u s t r a t e d t h em e a s u r e d s e n s i t i v i t yw a s 一2 4 d b ma t15 5 m b s ，t h ep e a kd e t e c t o re f f i c i e n c yw a sa b o u t7 0 【k e y w o r d s1 b u r s t - m o d eo p t i c a lr e c e i v e r d c - c o u p l e dp e a kd e t e c t o r a d a p t i v ed e c i s i o n 1 i 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：会学 玺 e l 期：p d 年，月够日 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：垒丝 导师签名： 日期：细 墅型丝茎堂塑塞竺兰、业堡苎 t d m a t i a a d s l h f c p o n a p o n e p o n o b s o p s 0 e i c a g c p w d l s l 强n 压a p l l a n e c l v c c s 简略字表 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e h y b r i df i b e r c o a x i a l p a s s i v eo p t i c a in e t w o r k a n “p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k e t h e rp 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 ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a le l e c t r o n i c si n t e g r a t e dc i r c u i t a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l p u l s ew i d t hd i s t o r t i o n i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e w i d ea r e an c t w o r k m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k l o c a la r e an e t w o r k e m i t t e rc o u p l el o g i c v o l t a g ec o n t r o lc u n - e n ts o u r c e 时分多址 跨阻抗放大器 非对称数字用户环路 混合光纤同轴 无源光网络 删无源光网络 以太无源光网络 光突发交换 光分组交换 光电集成 自动增益控制 脉宽失真 码间串扰 广域网 城域网 局域网 射极耦合逻辑 电压控制电流源 电子科技大学研究生毕业论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着光通信技术的飞速发展，目前骨干网己基本实现光纤化、数字化、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，宽带接入市场日益升温i 。 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。在宽带接入方面，有多种技术存在，目前主要有三种实现方式：非对称数 字用户环路a d s l 技术、混合光纤同轴h f c 接入技术、光纤接入技术。目前， 日本等发达国家的大城市商业区正在逐步实现将光纤敷设到大楼，并要尽早实 现光纤到办公室、光纤到桌面。尽管目前各国发展光纤接入网的步骤各不相同， 但光纤到家庭是公认的接入网的发展目标。但是人们也认为，在一个时期内， 光纤到家是不现实的。这就给不同的宽带技术留下了一定的市场空间。除此之 外，一门非常有潜力的新兴光纤接入网技术无源光网络( p o n ，p a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ) 由于具有业务透明性较好、可适用于任何制式和速率的信号、 抗电磁干扰和易于维护等优点，正逐渐受到市场关注。由此，先后出现了a t m 无源光网络( a p o n ) 和以太无源光网络( e p o n ) 。 为了有效利用系统资源一般都采用多路复用多址接入技术，具体主要包 括：频分复用、时分复用和码分复用。其中时分复用是为了提高相同通信资源 的时间利用率，它把时间分为许多时隙，在某一时隙，只能有一个节点向接收 节点发送数据。在时隙分配给发送节点的方案上有固定分配和动态分配两种方 案，在固定分配方案中，如果某一发送节点没有数据传输，则相应的时隙就被 浪费，而动态分配则可以有效利用时间，从而提高资源的利用率【2 】。p o n 是一 种点到多点的光纤接入技术，下行采用时分复用的广播传输方式，上行传输采 用时分多址。上行传输时，对于接收机来说，它所接收的信号来源于不同的发 送节点，其幅度和相位变化很大，信号的突发性很强。无论是a p o n ，还是e p o n 其物理层光纤传输的核心均是上行光突发模式传输和下行广播传输方式。 随着国际和国内标准的日益完善、芯片技术的发展，宽带a p o n 为人们展 现出巨大的市场潜力。国内外著名通信厂商如华为、北邮及朗讯为此召开了技 术研讨会，共同探讨a p o n 的技术发展和市场前景。专家认为，a p o n 作为一 种非常有前途的宽带接入技术，其突出的优势在于：具有良好的网络可靠性， 用于末端网络，大大减少了维护工作量，使运营成本大大降低；具有多分支、 电子科技大学研究生毕业论文 线路和设备共享、带宽共享的特点；支持综合业务接入，能有效解决用户窄带 宽带一体化接入和带宽建设中的q o s 保证问题，并且业务和带宽升级灵活，可 以满足未来业务扩展和用户带宽升级要求。从技术的角度看a p o n 上行采用点 对多点的时分多址技术，局端一根光纤同远端多个光网络单元( o n u ) 相联， 利用无源光分路器将光信号进行功率分配，其关键技术包括：测距和时延补偿 技术、高速突发光电技术、高速突发信号的快速同步以及动态带宽分配技术等 口】。从应用的角度看，由于a p o n 支持综合的业务接入，有不同的组网方式， 同时也可作为一种传输手段来使用，并且可以和其他接入技术结合，应用前景 非常广阔。 我国在“八五”计划期问，初步建成了光纤干线网，“九五”期间，在进一步 完善光纤干线传输网的同时，也加紧改造和建设接入网。总之，能把电信网、 计算机网、有线电视网等各种网络和语言、数字、图片、视像等各类信息综合 在一起的光纤接入网技术已成为未来通信网发展的关键，是今后一段时期内国 际通信技术研究、开发和建设的热点。 近年来，随着技术和因特网的发展，用户对网络带宽的需求不断提高，又 出现了一种新的基于以太网的接入标准技术e p o n ( e t h e m e to v e rp o n ) 。 有迹象表明，1 e e e 的e f m 研究组在着手制定点到多点光网络的e p o n 标准。 有关a p o n 和e p o n 谁胜谁负，引起了很多争论。他们之间的争论本质上说是 核心网中的a t m 和i p 之争在接入网中的继续。对于传统的电信公司，采用的 很可能a p o n ；而对于以数据传输为主要业务的新生电信公司和运营商来说， 可能回倾向于采用e p o n 。因为一般认为a p o n 更能保证质量，并能传送实时 业务；而e p o n 成本较低，更适i p 数据业务的传送1 3 j 。a p o n 和e p o n 都属于 宽带无源光网络( b p o n ) ，他们具有很多无源光网络的共同优点。相信a p o n 和e p o n 将会找到他们的结合点。事实上，主要的a p o n 厂家，也声称能兼容 e p o n 传输。这样，竞争的结果，将很快出现a p o n 和e p o n 两种宽带p o n 标准。相信对应不同标准开发研制的a p o n 和e p o n 两种产品，会相互借鉴、 共同发展，发挥各自的优势，实现全业务接入的梦想1 3 j 。 如今光纤通信全面发展并深入到各个运用领域，人们正在着眼于研究下一 代光纤通信系统的关键技术和宽带光纤接入网，使得光纤网络既有高速宽带的 干线，又有快捷方便的宽带光纤接入到每一个用户。随着d w d m 光传输技术 和设备的成熟以及广泛应用，直接在光层实现业务交换的需求越来越大，未来 的宽带网定位为i po v e ro p t i c a l 已经成为大家的共识，实现全光的交换被认为是 克服电交换速率瓶颈的有效途径。光网络发展的近期目标是可灵活配置的、支 持准静态业务的智能光网络。在标准方面，i t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n ) i e 在出台有关自动交换光网络( a u t o m a t i cs w i t c l l i n go p t i c a ln e t w o r k ， 电子科技大学研究生毕业论文 a s o n ) 的标准。a s o n 的自动交换能力带来的巨大好处主要存在于两个方面： 一方面是它所具有的灵活配置能力能以较小的控制成本换取对业务的灵活支 持，从而极大地降低网络运营商的运营成本；另一方面是它能通过其配置能力 支持光网络提供共享的保护恢复能力。无疑，在未来的几年到几十年，a s o n 将是光网络研究和建设的重点。但a s o n 的固有问题是对动态业务的支持有限， 它不像分组交换网那样具有良好的统计复用能力，其调度能力局限于以一个波 长容量为单位。由于未来的通信业务将以突发性很强的i p 业务为主，通过波长 配置的光网络来支持未来的i p 业务，其网络效率并不高。一种克服光网络对i p 业务的突发性不能很好支持的方法是将电的分组交换技术在光域上延伸，使光 交换粒度以高速传输的光分组为单位，这就是光分组交换网。但光分组交换网 的困难在于技术太复杂，它不仅对光分组交换节点处理能力的要求非常高，而 且必须使用大量的光缓存来解决端口竞争的问题。由于光分组的实时同步和大 规模存储都难以实现，光分组网的实用化前景很不明朗。基于通过增加信令的 复杂性来避开光同步和光存储的困难思路，人们开始重新考虑光突发交换 ( o b s ) 。突发交换其实在2 0 世纪8 0 年代初就已提出，并且陆续有一些文章发表。 不过突发交换概念当时并没有像电路交换与分组交换那样得到普及，这是因为 当时的电话网、数据网技术都己经成熟，没有必要以突发为单位来处理话音或 数据从而改变整个网络。但是随着技术的不断演进发展，在光网络上用突发交 换来提高网络的处理粒度、简化网络对数据包的处理又成了一种很有吸引力的 解决方法。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 ) 和光分组交换( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 技术日益受到人们的关注。o b s 和o p s 系统光传输层 的关键技术仍然为高速光突发模式接收机，它直接关系到网络的速率和带宽利 用率。相对a s o n 而言，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时延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。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， 光突发交换的突发特性不可避免地引入突发接收和突发同步问题。边缘节点接 收到的各突发帧可能来自不同的其它节点，它们的时钟相位和振幅都不相同， 因此每一帧都要进行时钟相位的快速锁定和判决阈值的快速恢复。传统的接收 机采用锁相环技术来恢复时钟，恢复速度约为毫秒级。适合于吉比特速率的突 发接收技术还不成熟，加上一个光波长内的突发数据一般都在g b i t s 的量级， 所以突发接收将是边缘节点要解决的一个难题。因此、无论基于接入网的p o n 电子科技大学研究生毕业论文 的应用需求，还是下一代光网络的交换技术o b s 和o p s 的需求，以及国内外 的发展趋势，研究开发光突发模式接收机都具有极佳的现实意义和应用前景。 1 2 国内外研究动态 光通信的核心技术在于光器件和光电器件技术，许多系统技术的实现是建 立在器件技术进步的基础上的。光器件和光电器件技术的发展方向是光集成 ( p i c ) 和光电集成( o e i c ) ，这也是应用提出的要求【4 j 。例如，从单个的光发 送和接收部件到现在通用的光收发模块，使得进入光通信设备制造的门槛大大 降低。进一步，将光器件和电子电路集成在一起的光电集成，如，将驱动电路 与l d 集成的光发射组件，将光电检测器与前置放大器、限幅放大器、判决电 路等集成在一起的光接收组件等，都是发展的重要方向。 目前光突发模式接收机技术由国外厂家如朗讯和美国光通信公司( 0 c p ) 、 日本等少数发达国家几个公司垄断。其中朗讯公司的产品采用自适应判决门限 的有复位突发式接收机，o c p 的产品采用微分电路，再用施密特触发器判决而 实现的突发式光接收机。研制光突发模式接收机文献资料主要集中在国步 ，国 内还没有开创性的文章出现。为达到大规模生产和降低成本要求，这些国外厂 家无一例外的都采用了光电集成技术，采用c m o s 技术的光突发模式接收机传 输速率达到1 2 5 g b s ”一。同时采用硅晶体管技术的光突发模式接收机传输速率 达到2 g b s 口j 。已开发出采用双异质结晶体管技术，速率超过5 g b s 的光突发 模式接收机【副。就国内来说，华为在2 0 0 1 年开发出了一种1 5 5 m b s 突发接收单 纤双向一体化光模块。采用的是微分判决，由实现电流一电压变换的跨阻放大 器、微分网络和根据微分数据的边缘进行数据判决的电路顺序组成 9 1 。目前国 内对于高速的光突发模式接收机的研究还处于初始阶段。 1 3 课题研究的目的和意义 如果要加快光纤宽带接入网的建设和促进o b s 系统的发展，迫切需要开 发自主知识产权的高性能、低成本的突发式光接收器件。目前的光通信市场竞 争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口密度也越来越高。传统的 激光器和探测器分离的光模块，已经很难适应现代通信设备的要求。为了适应 通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展。今后光收发模 块将向着小型化、低成本、低功耗、高速率、远距离、热插拔方向发展。本课 题是在8 6 3 重大项目一光突发交换关键技术和实验系统( 2 0 0 2 a a l 2 2 0 2 1 ) 的资 助下进行的，研究的是高速突发模式光接收机技术，这是p o n 和o b s 系统的 核心部件。本课题首先对接收机各部分进行了仿真，然后在整体仿真的基础上， 对接收机完成了初步设计，以便对仿真结果进行验证。通过研究，实现1 5 5 m b s 4 一 电子科技大学研究生毕业论文 速率的突发式光接收，为以后研制在市场有广泛应用前景的高速率的突发式光 接收机奠定了坚实的理论和技术基础。 论文首先对当前出现的各种光突发模式接收技术进行了分析归纳和总结； 然后针对光突发模式接收机中的信号整形进行了较为完整的分析和设计。主要 包括三个部分：一是对i 2 5 g b s 的突发式光接收机进行了仿真，理论上验证了 集成实现的可行性。二是考虑到用分离元件，而不是集成电路工艺直接实现 1 2 5 g b s 的困难程度较大，决定用1 5 5 m b s 来验证电路的可行性。三要研制突 发光信号的接收，首先就必须建立突发信号的产生和测试系统，文中扼要说明 了突发光信号的模拟产生。 电子科技大学研究生毕业论文 第二章光突发模式接收机技术 2 1 突发模式光接收机的功能 通信网传输容量的不断扩大以及传输速率的不断提高使得光纤通信成为 现代信息网络的主要传输手段。无论是接入网的p o n ，还是o b s ，作为核心光 电子器件的突发式光接收机的种类越来越多、对其要求也越来越高，复杂程度 也以惊人的速度发展。作为光纤通信系统的重要组成部分，其作用就是将光信 号转换成电信号，然后恢复光载波所携带的信息。传统的光接收机有光电检测 器、前置放大器、主放大器和滤波器等组成，在数字接收机中，还要增加时钟 提取、判决和限幅器( 也可以包括自动增益控制a g c ) 等电路。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，并从中检测出电信号。传统的连续模式的接收机原理框图如图2 1 所示。 光监测器将接收到的光信号转换为电信号，经过前置放大器放大后交流藕合至 主放大器，图中主放限幅放大器( 或a g c ) 电路用于稳定进入判决电路的信号 幅度，时钟恢复电路从接收到的连续的电平信号中提取定时信息，以提供给判 决电路进行门限判决，由于接收到的光信号的幅度几乎不变，所以判决门限为 恒定值。 、 、 囤2 - 1传统的连续模式接收机原理框图 在光接收机中，从光纤来的光信号经过光学耦合装置，射入光电二极管的 感应区。光电二极管( p d ) 将光转化为光电流。光电二极管的输出光电流很小， 必须由低噪声前置放大器转化为电压并加以放大。光电二极管和前置放大器构 成了光接收机的光前端，其性能是决定接收灵敏度的重要因素。主放大器与均 衡器构成了接收机的线性通道，对那些从前置放大器来的信号功率进行放大。 电子科技大学研究生毕业论文 为了使信号获得足够的功率以便驱动判别电路，放大是很有必要的。如果被放 大的信号足够高，该电路就对该信号进行修剪一因此称为限幅器。判决电路是 判断接收信号的逻辑意义的单元，般是一个受输入信号驱动的比较器。时钟 恢复电路从数据流中提取时间信息，帮助判决电路再生规则的、区分明显的数 据和非数据输出。决定光接收机的性能优劣的主要技术指标有接收灵敏度、带 宽、动态范围、误码率或信噪比。因此如何降低接收机输入端的噪声、提高灵 敏度、降低误码率是光接收机所要解决的主要问题。尽管突发模式光接收机在 对突发信号的判决、同步，以及由此造成的突发模式接收机与传统连续模式的 接收机构成会有很大的不同，但基本上都具有光电二极管( p i n 或a p d ) 、前置 放大器、主放大器( 可以包括均衡滤波器等) 、时钟恢复和判决这几个主要的功 能部分。 2 2 光突发模式接收机技术 2 2 1 传统的突发接收技术 判决电路设计中的主要问题是决定其阂值信号电平的大小，阈值信号应该在 接收信号最大电平和最小电平中间。但在实际中，这些最大和最小电平是变化 的，这就向电路的设计者提出了一个挑战。根据建立阂值信号的方法，可以显 著的减少脉冲宽度失真问题( p w d ) 。光接收机将光信号转化为电信号通常采 用四种判决方法1 1o ，n ：固定阙值电路、自动增益控制电路( a g c ) 、边缘检测电 路和电容耦合电路。 1 ) 固定阈值电路：判决最为简单。在这种设计中，判决是通过将接收到的 信号与固定的判决电平比较，而后输出逻辑电平。由于输入信号远非理想波形。 另外，甚至不可能在中间位置找到阈值信号，这两个问题导致了脉冲宽度失真 ( p w d ) ，也是导致了误码率增加的一个因素。但是它也有一个优点：对于任 何接收信号，该电路不需要事先知道输入数据流的负载周期的知识，任何的脉 冲持续时间和比特率都能接收。 2 ) 自动增益控制电路( a g c ) ：具有自动增益控制的判决电路能够优化阈 值信号电平，提供了解决p w d 问题的最好办法。a g c 电路首先找到接收数据 流的平均电平，然后在实际接收信号的中间设置阚值信号。因此，p w d 和误码 率( b e r ) 都最小，因为闽值电平总是实际输入的5 0 。该电路有几个缺陷。 首先，该电路只在5 0 负载周期时工作良好。其次，该电路本身相对复杂，但 是，对于现代集成电路的水平，这显然是一个较小的问题。第三个问题更严重。 为了决定输入信号的平均电平，接收机需要首先累积数据流。换句话说，该电 路有一个启动延迟( 也称为包响应时间) 。对于点对点通信，这不是问题，因为 电子科技大学研究生毕业论文 相同的数据流通常沿同一条路径传输，因此我们只需要累积一次数据就可以了。 但是对于网络应用，在点对多点或多点对多点通信系统中，这是不利的。光接 收机接收来自不同发送节点的光分组信号，如图2 2 和图2 3 所示。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( 2 0 d b ) 。当数据流中本来就有中断时，启动延迟就成为 一个十分严重的问题。这时，设置阈值电平会需要更多的时间。该问题的一个 部分解决方法是在数据包前面加保护字节以使接收机适应不同的入射功率，这 样就降低了通信效率，这在高速系统中显得更为突出。 ( a ) 连续模式光信号 ( b ) 突发模式光信号 图2 2 两种模式光信号 图2 - 3 点对多点通信系统示意图 3 ) 边缘检测电路：该电路根据微分网络输出数据的正负边缘，由旋密特 触发器来判决数据的电平状态，如将上升沿判为“1 ”，下降沿判为0 。对于 一8 一 电子科技大学研究生毕业论文 实际的输入信号，上升沿和下降沿并不是十分对称，因此总存在一定的脉冲宽 度失真。但是它的p w d 比固定阈值电路的小的多。 4 ) 电容耦合电路：各增益级通过电容串联起来，以消除直流电平漂移的 影响，当输入信号开始增大时，从第一级开始逐级钳位，由于增益是差分输入、 差分输出，且通过电容耦合，判决电平始终保持在峰一峰值的5 0 处，因此噪 声和脉宽失真对小信号和大信号引起的误判将减到最小。但要求在电容的时间 常数内，数据的占空比( 指数据流中“】”比特和0 比特的平均比率) 为5 0 ，且仍然有启动延迟。 传统光接收机普遍采用级间交流耦合方式，对于这种交流耦合方式提出了 两种调整方法：基线调整技术和边缘检测技术。在基线调整交流耦合方式的接 收机中，根据信头中信号电平的平均值来调整数据区的信号电平，使之趋向基 线电平，这种方式需要一个信元时钟来控制耦合时间常数，控制较复杂。而交 流耦合的边缘检测方式接收机的原理是由非归零码光信号经光电转换并放大 后，由微分器滤除了信号中的直流分量，经积分后恢复出原始信号。其特点是 不需要插入额外的比特进行阈值确定或振幅调整，但是微分器和积分器增加了 误码率。而对于判决电路，若采用固定判决的方法则存在直流漂移和脉宽失真 ( p w d ) 现象：一般可采用快速a g c 的方法，但这又会造成信号突变时前沿 比特的丢失。 对于突发模式信号，两相邻突发分组信号间有相位突变，甚至达3 6 0 度【1 2 】， 在这种情况下，就要避免使用传统的交流耦合方式。因光接收机在交流耦合之 后，还要对信号进一步的放大，再进行整形和判别输出，而突发信号的不均衡， 其直流成分( 均值) 发生漂移，要影响到后面放大器的直流工作点，使其不能稳 定工作【1 3 j ；此外，判决电路对幅度不均衡信号进行判决时，要么会出现小信号 的丢失，要么会出现大信号的脉宽失真。传统的交流耦合接收机的前置放大器 采用交流耦合，由于高通滤波作用，在长连“1 ”或连0 情况下，信号低频 成分被抑制，造成脉冲形状发生畸变或码间串扰( i s i ) ；而当耦合电容增大时， 虽然高通滤波的截止频率降低了，更低频成分可以通过，相应的可以减少脉冲 畸变或码问串扰，但是由于时问常数增大了，致使接收机不能及时的对突发信 号作出相应，尤其前后分组信号幅度相差很大时更为严重，显然这会造成比特 丢失，误码率增大i l ，见图2 - 4 。当然交流耦合也有优点：可以较少考虑直流工 作点漂移和前放的直流偏移，不需要复位电路，电路结构简单，目前市场上交 流耦合电路模块容易买到 1 6 1 。 电子科技大学研究生毕业论文 a c 稍u 口：e d l i m i t i n g h p fa m m m e t a p a c k e t1删e t i m ep 且曲引2 、 l o w 。f r e q u e t ：c y3 叼 阳厂 d i 螭o f h i n 旷。；。 儿，j i j | 7 d b c h a 叼l n gp r o c e s sc h a i 霉n gp i n e e s s b 图2 4 交流耦台突发模式接收机 以往的接收机更多的采用交流耦合的判决方式，由于采用的是差分输入、 差分输出，而且是通过电容耦合，信号的高电平“1 ”和低电平0 围绕固定 判决阈值对称摆动1 1 4 j ，也就是说判决电平始终在峰一峰值的5 0 处，对低速率 情况是可取的。但在高速率情况下接收机需要快速建立判决阈值，理想的逻辑阈 值应在信号摆幅的中问。另外，交流耦合接收机接收灵敏度总是比直流耦台接 收机灵敏度低 d b 左右【幡。因此在突发模式光接收机的研制中，采用了直流 耦合动态判决方式。 直流耦合突发模式光接收机的判决电平建立方式有两种：一种采用动态峰值 检测，为无阈值复位式接收，即在整个接收期间判决电平随着接收信号的电平变 化而及时得到调整；另外一种是部分峰值检测，为阈值复位式接收，判决电平仅 有信头中的相应开销决定，在分组信号传送期间不变。直流耦合接收机的设计在 于如何得到判决电平，使其快速反映出分组信号的电平变化。峰值电平的检测需 要一定的时间，必须在信头中留出一定比特开销，这样就牺牲了一定的传输容量。 判决电平的波动与噪声的影响，造成了接收机灵敏度的降低和误码率的恶化。无 疑，如果在电路中加一个复位电路，在分组信号的间隔期间对检波电路进行放电， 可以提高传输效率，但是在实际设计中相当困难【1 “。表2 - 1 比较了光突发模式接 收机与传统光接收机的主要不同点。 因此，在分析以上突发模式光接收机传统方案的基础上，对于突发模式接 收机的设计，本论文采用了直流耦合的动态阈值判决方式。这种判决方式对所 接收的突发信号能够进行快速的判决进而正确恢复数据，减少信号丢失和误判 电子科技大学研究生毕业论文 的概率，降低了误码率。 表2 1突发模式接收机与传统接收机的比较 接收机类型传统光接收机突发模式光接收机 耦合方式交流直流 判决门限建立方式固定动态 幅度和时钟恢复时间 “sn s 2 2 2 直流耦合突发接收技术 通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代 信息网络的主要传输手段，在现在的光通信网络中，如广域网( w a n ) 、城域网 ( m a n ) 、局域网( l a n ) 所需要的作为核心光电子器件之一的光接收机的种类 越来越多，要求也越来越高，复杂程度也以惊人的速度发展，需要不断发展相 关技术满足这样的应用要求。目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要 求的体积越来越小。光接收机正朝着小型化、低成本、低功耗、高速率的方向 发展。作为一项新出现的技术，光突发模式接收机如何实现高速率、大动态范 围、低成本是这一研究领域的追求目标。光突发模式接收机所面临的问题主要 有两个：一是信号整形，即在进行时钟和数据恢复前把所有接收到的大小不等 的光突发信号尽可能无脉宽失真地放大到等幅输出；二是突发同步，即时钟和 相位恢复问题。 本论文只讨论信号幅度恢复问题，在光突发模式接收机中，信号整形中的 判决门限是根据当前接收信号幅度的大小动态调整的，目的在于最大限度地减 小脉冲宽度失真，从而降低误码率。动态判决电平是由峰值检波电路根据当前 接收信号的前几位码快速检测出其幅度而建立的。判决电平的建立时间越短， 系统的信号幅度恢复开销就越小，信道利用率就越高。对于信号整形，按照电 路的实现结构主要分为两类：反馈式与前馈式，如图25 所示。信号整形的难 点主要集中在峰值检测上，无论是反馈式还是前馈式，都面临着快速检测接收 信号峰值以建立随信号变化的动态判决电平问题。 2 2 2 1 反馈式 1 9 - 2 1 j 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一个反馈电阻而产生的，检测电路输入为差分前置放大 电子科技大学研究生毕业论文 器的同相输出；差分前置放大器的两个差分输出直流耦合到下一级限幅放大器， 其最终输出基本为等幅信号。 2 2 2 2 前馈式 光电流经前置放大器转化为电压信号后分成两路，一路经快速峰值检波后， 经电阻分压取其一半作为判决电平，输入到限幅放大器的第一级差分放大器的 一个输入端：而前置放大器的另一路输出信号经过延迟单元输入到限幅放大器 的第一级差分放大器另一输入端。经过两级差分放大器的放大，限幅放大器达 到等幅输出。 2 2 2 3 反馈式和前馈式比较 无论是前馈式还是反馈式，都采用了动态的判决信号，以便使信号在放大 过程中最大可能地减小脉宽失真。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置放大器的输出电 压信号。由于反馈式采用反馈环路，工作起来要比前馈式更加稳定，但反馈式 需要一个差分放大器作为前置放大器，而且对差分对管的对称性要求较高，在 采用分立元件的情况下很难做到；另外，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。 一 ( a ) 图2 5 两种突发模式光接收原理图 ( a ) 反馈式突发模式接收机 ( b ) 前馈式突发模式接收机 电子科技大学研究生毕业论文 第三章光突发模式接收机电路设计与仿真 光接收机是一个将光输入信号转化为适当形式的电输出信号的部件。由于 在这里我们所关心的是数字传输，因此可以说光接收机将光脉冲流转化为能够 驱动系统中的电子部件的电脉冲流。从光纤来的光耦合进光电二极管，转化为 光电流。光电流经过前置放大器转化为电压信号同时被前置放大器放大，称之 为i v 转换。然后通过均衡、时钟恢复和判决电路，输出某种适当形式的数据 和时钟信号。接着数据和时钟信号进入缓冲器，在这里它们被转化为能够驱动 后续数字电路的与e c l ( 射极耦合逻辑) 兼容的信号。这样，接收机的输入是 光信号，它的输出是采用特定形式并符合特定电特性的电压信号。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由信号整形、 突发同步和数据恢复三大部分组成，本文对前馈式和反馈式突发模式接收机电 路进行了仿真，并对这两种结构的