突發(fā)模式收發(fā)器芯片組的設(shè)計(jì)

廈門(mén)優(yōu)迅高速芯片有限公司  李維中 劉文濤

摘要: 本文涉及與突發(fā)模式收發(fā)器相關(guān)的突發(fā)模式跨阻放大器、突發(fā)模式限幅放大器和突發(fā)模式激光二極管驅(qū)動(dòng)器（BM-TIA、BM-LA和BM-LDD）的電路原理和特點(diǎn)。

一、 前言
由于新型寬帶應(yīng)用和需求的增多，發(fā)展迅速，帶寬逐漸成為制約DSL用戶(hù)寬帶網(wǎng)性能的關(guān)鍵。采用PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）可以解決此關(guān)鍵。它具有高帶寬及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議透明的特點(diǎn)，是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的光纖傳輸和接入技術(shù)。已成為處理光通信控制中心的（Central Office）連接到最終用戶(hù)的最后里程（the Last Mile）的首選方案。

從圖一，無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可看出，局端（OLT）與用戶(hù)端（ONU）之間只有光纖，光分路器（Splitters）等無(wú)源器件。節(jié)省了光纖資源，無(wú)需有源器件和設(shè)備，可有效降低網(wǎng)絡(luò)成本。同時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

目前無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）已成為光纖到戶(hù)FTTH（Fiber to the home）主要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)從OLT到ONU為下行方向。下行通信時(shí)用TDM模式把所有的數(shù)據(jù)包匯成一個(gè)數(shù)據(jù)流，通過(guò)光纖采用廣播方式傳送。在接收端，用戶(hù)以適當(dāng)?shù)牡刂愤x擇獲得其所需的數(shù)據(jù)包。上行通信（從ONU到OLT）是相當(dāng)困難的，因?yàn)槎鄠�(gè)用戶(hù)都用同樣的光纖進(jìn)行傳送。在任何時(shí)刻只允許一個(gè)用戶(hù)能傳送數(shù)據(jù)包到OLT。TDMA協(xié)議可用來(lái)保證上述的條件。也就是要求ONU在沒(méi)有傳送信號(hào)時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，而在傳送信號(hào)時(shí)要很快打開(kāi)，這就時(shí)需要ONU支持特殊的突發(fā)模式發(fā)射器與接收器。因此，上行接入是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而支持突發(fā)模式的收發(fā)器也就成為整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

  在局端（OLT），激光驅(qū)動(dòng)器LDD為連續(xù)工作模式，而跨阻放大器TIA和限幅放大器LA則需支持突發(fā)工作模式。在用戶(hù)端（ONU），跨阻放大器TIA和限幅放大器LA支持連續(xù)工作模式，激光驅(qū)動(dòng)器LDD需支持突發(fā)工作模式。

從圖一和圖二可了解到無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)的一般配置。其中有些芯片需采用突發(fā)模式的，如BM-TIA，BM-LA和BM-LDD三種芯片。本文將談及這三種芯片的原理和特點(diǎn)。重點(diǎn)是突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器BM-LDD。

以下主要講述突發(fā)模式跨阻放大器（BM-TIA）、突發(fā)模式限幅放大器(BM-LA)和突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器（BM-LDD）與連續(xù)工作模式激光驅(qū)動(dòng)器的主要差別。

二、 突發(fā)模式TIA與突發(fā)模式LA
1. 突發(fā)模式TIA和一般TIA的主要差別在于：它必須應(yīng)對(duì)沒(méi)有直流分量的輸入信號(hào)（要直流耦合）而且突發(fā)間的輸出幅度變化要求大于30dB。有關(guān)輸出基準(zhǔn)偏移電壓（output offset voltage）的問(wèn)題可以留著待處理其后的BM-LA時(shí)再一起解決。也可以用以下所示的圖三偏移檢測(cè)電路來(lái)解決。

偏移控制：偏移控制電路能逐個(gè)地去除突發(fā)的輸出偏移的機(jī)理是，在每次突發(fā)到來(lái)之前就把偏移（offset）調(diào)整好了。這種電路也稱(chēng)為“自適閾控制電路”（Adaptive Threshold control circuit）。

此電路是如何消除輸出偏移電壓的？現(xiàn)在我們先不管電流源IOS，當(dāng)突發(fā)信息到來(lái)之前，峰值檢測(cè)器被復(fù)位到放大器的兩個(gè)輸出端都輸出共模電壓。此時(shí)差分輸出電壓為0V。然后，突發(fā)的第一位“1”到達(dá)， VOP上升而VON下降。Vop的峰值存貯在峰值檢測(cè)器內(nèi)并反饋到放大器的輸入端。當(dāng)下一個(gè)“0”位到達(dá)時(shí)，峰值檢測(cè)器的電壓值會(huì)出現(xiàn)在VON輸出端。因?yàn)镽F’上沒(méi)有電壓降（沒(méi)有輸入電流），沒(méi)有電壓跨接在放大器輸入端上，而且也沒(méi)有跨接在RF的電壓降（沒(méi)有光電流）。因此，二個(gè)輸出信號(hào)的峰值是相等的即輸出偏移（output offset）就消除了。這種突發(fā)模式TIA的差分跨阻大約為2·RF。

啁啾控制（Chatter control）：對(duì)BMTIA，除了偏移控制以外，還有另一個(gè)麻煩。即突發(fā)之間的間隔時(shí)間太長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有接收到突發(fā)光信號(hào)，也就TIA的峰值檢測(cè)器復(fù)位時(shí)間維持太長(zhǎng)，那么放大器的噪聲會(huì)與輸出信號(hào)交迭而產(chǎn)生序列隨機(jī)碼，被稱(chēng)之為啁啾。

有一個(gè)辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題，就是人為的利用電流源IOS引進(jìn)小的偏移電壓，見(jiàn)圖三中的虛線(xiàn)部分。此偏置電壓必須經(jīng)大于峰值噪聲電壓以控制啁啾，但也不能太大，否則會(huì)降低靈敏度。

2. 突發(fā)模式LA和連續(xù)模式LA有什么差別？圖四（a）示出單邊連續(xù)模式LA，其輸入信號(hào)通過(guò)交流耦合網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)信號(hào)被AC耦合網(wǎng)絡(luò)的平均直流削波。因?yàn)檫B續(xù)模式信號(hào)是DC平衡的，其平均值相應(yīng)于在眼圖的垂直中心。假如我們用AC耦合來(lái)處理突發(fā)模式信號(hào)，如圖四（b）所示的那樣，其削波水平依舊是在信號(hào)的平均電平之上，但現(xiàn)在的眼圖垂直中心部分會(huì)出現(xiàn)許多誤碼、脈寬畸變以及一些不合需要的后果。

在突發(fā)模式接收器的TIA和LA（也可包括CDR）必須是DC耦合，而且這些器件所產(chǎn)生的各種各樣的偏移電壓也必須是可控制的。就前面所述的BMTIA而言，如果由LA而產(chǎn)生的偏移不大的話(huà)則無(wú)需另加偏移控制電路。相反地，如果TIA沒(méi)有偏移控制或是單端輸出的話(huà)，那么LA就必須具有完成偏移控制的功能。

  圖五示出一種具有削波控制的單端輸出的LA。圖中符號(hào)VSL代表削波的電平（Slice-level，可理解為單端輸出信號(hào)的平均直流）。采用一種脈沖峰與谷檢測(cè)器來(lái)分別地確定輸入信號(hào)的最大值和最小值。其平均值由與之相匹配的電阻R和R’獲得，并作為削波電平VSL。此電路總是在垂直眼圖的中心削波輸入數(shù)據(jù)信號(hào)與輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的平均值無(wú)關(guān)。為了準(zhǔn)確地獲取每次突發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)的脈沖幅度，此峰/谷檢測(cè)器在每次突發(fā)間隔期間必須進(jìn)行復(fù)位。必須牢記，在突發(fā)模式系統(tǒng)中，從一次突發(fā)到下一次突發(fā)，信號(hào)幅度發(fā)生很大變化情況是常見(jiàn)的。
如圖一中所示的Loud/Soft Ratio（響/靜比）較大。

三、 突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器
激光驅(qū)動(dòng)器有兩種工作模式：連續(xù)模式激光驅(qū)動(dòng)器，縮寫(xiě)為L(zhǎng)DD；突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器，縮寫(xiě)為BM-LDD。以下均采用縮寫(xiě)。所謂突發(fā)就是突然瞬間發(fā)送一批數(shù)據(jù)信息，發(fā)完就停，且停發(fā)時(shí)間可長(zhǎng)可短，帶有隨機(jī)性。BM-LDD和LDD的主要差別在于：
（1） BM-LDD要求突發(fā)與停止突發(fā)期間具有很高的消光比。
（2） BM-LDD的自動(dòng)功率控制（APC）具有保持功能，能確保正確地傳送突發(fā)的數(shù)據(jù)信號(hào)。

1、 突發(fā)之間的消光比
突發(fā)模式發(fā)射器通常是用于多用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)。故要求在突發(fā)間隔期間不應(yīng)有的光輸出（干擾光）很低。例如，在PON系統(tǒng)中有32個(gè)用戶(hù)，某一家的光數(shù)據(jù)信號(hào)輸出在共用的傳媒中就會(huì)受到其余31家干擾光輸出的“污染”。這些背景光會(huì)減小光輸出的消光比。一般情況下，對(duì)BMLDD而言，其突發(fā)之間的消光比應(yīng)大于30dB。對(duì)突發(fā)期間內(nèi)的消光比~10dB，和連續(xù)模式的LDD發(fā)射器的相似。
為達(dá)到如此之高的消光比，在二次突發(fā)之間激光器的偏流應(yīng)盡可能地低（即工作點(diǎn)選擇在剛好低于激光器閾值電流一點(diǎn)點(diǎn)）或者是零。在一旦突發(fā)發(fā)射時(shí)，偏流可以很快地增加上去，以減少導(dǎo)通延遲和抖動(dòng)。此外，BMLDD為了在其它任何一家用戶(hù)的下一次突發(fā)發(fā)射開(kāi)始之前達(dá)到30dB的消光比往往在其激光二極管旁并聯(lián)一個(gè)晶體管用來(lái)在突發(fā)發(fā)射結(jié)束時(shí)很快的去掉載流子（變暗）。

2、自動(dòng)功率控制
 為了滿(mǎn)足突發(fā)工作模式，突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器BM-LDD采用了具有保持功能的自動(dòng)功率控制電路（APC）。給自動(dòng)功率控制電路可以保持上一個(gè)突發(fā)時(shí)序的自動(dòng)功率控制電路的直流偏置值，這樣在下一個(gè)突發(fā)序列出現(xiàn)時(shí)，可以較快的建立一個(gè)穩(wěn)定的APC回路。以下三種方式可應(yīng)用于突發(fā)模式APC。

（1）. 采用峰值檢測(cè)器
如圖六所示，從功率監(jiān)控光電二極管來(lái)的電流經(jīng)寬帶TIA轉(zhuǎn)換為電壓，然后峰值檢測(cè)器檢測(cè)出與發(fā)射功率相對(duì)應(yīng)的峰值。激光輸出功率可調(diào)節(jié)直到峰值輸出電壓等于參考電壓VREF為止。

 然而，圖六的方法存在著些缺點(diǎn)：1）當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有突發(fā)發(fā)射時(shí)，在下一個(gè)突發(fā)到來(lái)之前，模擬峰值檢測(cè)器的輸出會(huì)偏離實(shí)際上的峰值，會(huì)引起輸出功率出現(xiàn)差錯(cuò)。2）運(yùn)行在高速碼率時(shí)，需要用快速的光二極管。3）運(yùn)行在高速碼率時(shí)，TIA和峰值檢測(cè)器的功率消耗是相當(dāng)突出的。

（2）.用一種積分與放電的電路和數(shù)字存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的突發(fā)模式APC。

這種APC可以克服上述的缺點(diǎn)，示于圖七。功率水平被貯存在數(shù)字可上升/下降的計(jì)數(shù)器內(nèi)，計(jì)數(shù)器所存的計(jì)數(shù)是不會(huì)隨時(shí)間變化的。在電源開(kāi)通時(shí)，它能保持住精確的功率水平。因此，在突發(fā)開(kāi)始時(shí)輸出功率的誤差就可避免掉。在突發(fā)期間，可用“突發(fā)時(shí)鐘”信號(hào)來(lái)增加或減小其功率水平。計(jì)數(shù)的增減可由上升/下降信號(hào)“u/d”來(lái)決定。產(chǎn)生的方法如下：在突發(fā)開(kāi)始之前，電容器C（節(jié)點(diǎn)X）由復(fù)位開(kāi)關(guān)SR放電簡(jiǎn)單的放一下電。在突發(fā)發(fā)射期間，光電二極管電流iPD(t)給電容器C充電（積分），而想要的峰值電流IREF由發(fā)射數(shù)據(jù)通過(guò)開(kāi)關(guān)SD來(lái)調(diào)制而產(chǎn)生iREF(t)，即對(duì)同樣的電容器C進(jìn)行放電的放電電流。當(dāng)突發(fā)發(fā)射結(jié)束的那一刻，電容器被充電產(chǎn)生的電壓如下：

 
其中，IPD是光電二極管電流的峰值，突發(fā)期間內(nèi)1的數(shù)目（number of ones），B是碼率（bit rate）。比較器將此電壓與OV（復(fù)位電壓）進(jìn)行比較。從上述公式可見(jiàn)這比較的結(jié)果只受IPD－IREF影響而與C、B和n1無(wú)關(guān)。如果這個(gè)差值是正的，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)逐步減小，如果是負(fù)的，則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)就逐漸增加。

（3）. 采用數(shù)字功率控制器APC
從上述的第二種方法可看到其精確控制功率的技術(shù)是和數(shù)字化的計(jì)數(shù)器存貯相關(guān)的。已涉及點(diǎn)數(shù)字技術(shù)。數(shù)字控制APC確實(shí)是好辦法，以市場(chǎng)上可獲得的BM-LDD為例作些說(shuō)明，它還可以通過(guò)對(duì)Enable和Disable功能管腳的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)非突發(fā)模式（連續(xù)模式），以增加芯片的兼容性和節(jié)省功耗。

   BM-LDD應(yīng)具有三個(gè)主要部件，高速調(diào)制器、高速偏置驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字自動(dòng)功率控制的激光偏置方塊。器件功能示于圖八。數(shù)字APC回路可自動(dòng)補(bǔ)償因環(huán)境溫度和激光器壽命而引起的激光閾值電流的變化。數(shù)字APC由DAC（數(shù)字模擬變換）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理）和ASP（模擬信號(hào)處理）三個(gè)部分組成。每當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)，數(shù)字APC環(huán)路就復(fù)位。當(dāng)電源再開(kāi)通時(shí)，APC環(huán)路就自行完成初始化。初始化的時(shí)間一般為2.1－3.72μs與不同的設(shè)置狀態(tài)有關(guān)。

數(shù)字APC的突發(fā)模式激光驅(qū)動(dòng)器BM-LDD可應(yīng)用于：FTTx寬帶通信系統(tǒng)，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)（PON）發(fā)射器，APON、EPON和GPON上行發(fā)射器。

（4）. 某些連續(xù)模式的LDD經(jīng)適當(dāng)?shù)耐鈬�電路修改后加上快速模擬開(kāi)關(guān)可用作為突發(fā)模式。（對(duì)突發(fā)模式應(yīng)用，激光驅(qū)動(dòng)器與激光二極管必須采用DC耦合）

四、 小結(jié)
突發(fā)模式的特點(diǎn)就是其突發(fā)性，二次突發(fā)之間的時(shí)間間隔可長(zhǎng)可短，而且突發(fā)還帶有隨機(jī)性。因此要求TIA、LA、LDD及CDR進(jìn)入正常工作狀態(tài)和結(jié)束工作狀態(tài)的過(guò)程要快。它和連續(xù)模式有很大的不同，因?yàn)閮烧咚�采用APC方式不同，連續(xù)模式基本上就是個(gè)積分電路反饋，所以反應(yīng)很慢。而突發(fā)模式采用的是脈沖峰值電平檢測(cè)的辦法，也有采用峰谷電平檢測(cè)的辦法。有的電路還采用了峰值和峰谷都檢測(cè)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式電路。應(yīng)達(dá)到如下的要求：

①高的Loud/soft ratio>30dB。②快速地響應(yīng)數(shù)據(jù)包的首位信號(hào)。也就是要求減小其Turn-On和Turn-Off的時(shí)間。從毫秒減小到數(shù)十毫微秒�？捎帽疚乃�提到的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)突發(fā)模式接收器則要求有很高的靈敏度，可接受超低消光比的信號(hào)，靈敏度<-30dBm。

參考文獻(xiàn)
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2） Eduard S¨ackinger et al. “15-mW, 155-Mb/s Power Control and End-of-life Detection”, IEEE J.Solid-State Circuits Vol.35 pp269-275 Feb. 2000.
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