突發(fā)模式收發(fā)器芯片組的設計.

廈門優(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)動器（BM-TIA、BM-LA和BM-LDD）的電路原理和特點。

一、 前言
由于新型寬帶應用和需求的增多，發(fā)展迅速，帶寬逐漸成為制約DSL用戶寬帶網(wǎng)性能的關(guān)鍵。采用PON（無源光網(wǎng)絡）可以解決此關(guān)鍵。它具有高帶寬及網(wǎng)絡協(xié)議透明的特點，是一種點對多點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）連接到最終用戶的最后里程（the Last Mile）的首選方案。

從圖一，無源光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可看出，局端（OLT）與用戶端（ONU）之間只有光纖，光分路器（Splitters）等無源器件。節(jié)省了光纖資源，無需有源器件和設備，可有效降低網(wǎng)絡成本。同時，因為結(jié)構(gòu)簡單，大大節(jié)省運營維護成本。

目前無源光網(wǎng)絡（PON）已成為光纖到戶FTTH（Fiber to the home）主要的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)從OLT到ONU為下行方向。下行通信時用TDM模式把所有的數(shù)據(jù)包匯成一個數(shù)據(jù)流，通過光纖采用廣播方式傳送。在接收端，用戶以適當?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）是相當困難的，因為多個用戶都用同樣的光纖進行傳送。在任何時刻只允許一個用戶能傳送數(shù)據(jù)包到OLT。TDMA協(xié)議可用來保證上述的條件。也就是要求ONU在沒有傳送信號時處于關(guān)斷狀態(tài)，而在傳送信號時要很快打開，這就時需要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)設計的關(guān)鍵，而支持突發(fā)模式的收發(fā)器也就成為整個系統(tǒng)的重點和難點。

 在局端（OLT），激光驅(qū)動器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)動器LDD需支持突發(fā)工作模式。

從圖一和圖二可了解到無源光纖網(wǎng)絡的一般配置。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。重點是突發(fā)模式激光驅(qū)動器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)動器（BM-LDD）與連續(xù)工作模式激光驅(qū)動器的主要差別。

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：它必須應對沒有直流分量的輸入信號（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)輸出基準偏移電壓（output offset voltage）的問題可以留著待處理其后的BM-LA時再一起解決。也可以用以下所示的圖三偏移檢測電路來解決。

偏移控制：偏移控制電路能逐個地去除突發(fā)的輸出偏移的機理是，在每次突發(fā)到來之前就把偏移（offset）調(diào)整好了。這種電路也稱為“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，當突發(fā)信息到來之前，峰值檢測器被復位到放大器的兩個輸出端都輸出共模電壓。此時差分輸出電壓為0V。然后，突發(fā)的第一位“1”到達， VOP上升而VON下降。Vop的峰值存貯在峰值檢測器內(nèi)并反饋到放大器的輸入端。當下一個“0”位到達時，峰值檢測器的電壓值會出現(xiàn)在VON輸出端。因為RF’上沒有電壓降（沒有輸入電流），沒有電壓跨接在放大器輸入端上，而且也沒有跨接在RF的電壓降（沒有光電流）。因此，二個輸出信號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BMTIA，除了偏移控制以外，還有另一個麻煩。即突發(fā)之間的間隔時間太長，長時間沒有接收到突發(fā)光信號，也就TIA的峰值檢測器復位時間維持太長，那么放大器的噪聲會與輸出信號交迭而產(chǎn)生序列隨機碼，被稱之為啁啾。

有一個辦法可以解決這個問題，就是人為的利用電流源IOS引進小的偏移電壓，見圖三中的虛線部分。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，其輸入信號通過交流耦合網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)信號被AC耦合網(wǎng)絡的平均直流削波。因為連續(xù)模式信號是DC平衡的，其平均值相應于在眼圖的垂直中心。假如我們用AC耦合來處理突發(fā)模式信號，如圖四（b）所示的那樣，其削波水平依舊是在信號的平均電平之上，但現(xiàn)在的眼圖垂直中心部分會出現(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)生的偏移不大的話則無需另加偏移控制電路。相反地，如果TIA沒有偏移控制或是單端輸出的話，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VSL代表削波的電平（Slice-level，可理解為單端輸出信號的平均直流）。采用一種脈沖峰與谷檢測器來分別地確定輸入信號的最大值和最小值。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)信號與輸入數(shù)據(jù)信號的平均值無關(guān)。為了準確地獲取每次突發(fā)數(shù)據(jù)信號的脈沖幅度，此峰/谷檢測器在每次突發(fā)間隔期間必須進行復位。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)，信號幅度發(fā)生很大變化情況是常見的。
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)動器
激光驅(qū)動器有兩種工作模式：連續(xù)模式激光驅(qū)動器，縮寫為LDD；突發(fā)模式激光驅(qū)動器，縮寫為BM-LDD。以下均采用縮寫。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)時間可長可短，帶有隨機性。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。

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的網(wǎng)絡。故要求在突發(fā)間隔期間不應有的光輸出（干擾光）很低。例如，在PON系統(tǒng)中有32個用戶，某一家的光數(shù)據(jù)信號輸出在共用的傳媒中就會受到其余31家干擾光輸出的“污染”。這些背景光會減小光輸出的消光比。一般情況下，對BMLDD而言，其突發(fā)之間的消光比應大于30dB。對突發(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。
為達到如此之高的消光比，在二次突發(fā)之間激光器的偏流應盡可能地低（即工作點選擇在剛好低于激光器閾值電流一點點）或者是零。在一旦突發(fā)發(fā)射時，偏流可以很快地增加上去，以減少導通延遲和抖動。此外，BMLDD為了在其它任何一家用戶的下一次突發(fā)發(fā)射開始之前達到30dB的消光比往往在其激光二極管旁并聯(lián)一個晶體管用來在突發(fā)發(fā)射結(jié)束時很快的去掉載流子（變暗）。

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

（1）. 采用峰值檢測器
如圖六所示，從功率監(jiān)控光電二極管來的電流經(jīng)寬帶TIA轉(zhuǎn)換為電壓，然后峰值檢測器檢測出與發(fā)射功率相對應的峰值。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：1）當長時間沒有突發(fā)發(fā)射時，在下一個突發(fā)到來之前，模擬峰值檢測器的輸出會偏離實際上的峰值，會引起輸出功率出現(xiàn)差錯。2）運行在高速碼率時，需要用快速的光二極管。3）運行在高速碼率時，TIA和峰值檢測器的功率消耗是相當突出的。

（2）.用一種積分與放電的電路和數(shù)字存儲器來實現(xiàn)的突發(fā)模式APC。

 這種APC可以克服上述的缺點，示于圖七。功率水平被貯存在數(shù)字可上升/下降的計數(shù)器內(nèi)，計數(shù)器所存的計數(shù)是不會隨時間變化的。在電源開通時，它能保持住精確的功率水平。因此，在突發(fā)開始時輸出功率的誤差就可避免掉。在突發(fā)期間，可用“突發(fā)時鐘”信號來增加或減小其功率水平。計數(shù)的增減可由上升/下降信號“u/d”來決定。產(chǎn)生的方法如下：在突發(fā)開始之前，電容器C（節(jié)點X）由復位開關(guān)SR放電簡單的放一下電。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)通過開關(guān)SD來調(diào)制而產(chǎn)生iREF(t)，即對同樣的電容器C進行放電的放電電流。當突發(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（復位電壓）進行比較。從上述公式可見這比較的結(jié)果只受IPD－IREF影響而與C、B和n1無關(guān)。如果這個差值是正的，計數(shù)器的計數(shù)逐步減小，如果是負的，則計數(shù)器的計數(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)字化的計數(shù)器存貯相關(guān)的。已涉及點數(shù)字技術(shù)。數(shù)字控制APC確實是好辦法，以市場上可獲得的BM-LDD為例作些說明，它還可以通過對Enable和Disable功能管腳的設置來實現(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應具有三個主要部件，高速調(diào)制器、高速偏置驅(qū)動器和數(shù)字自動功率控制的激光偏置方塊。器件功能示于圖八。數(shù)字APC回路可自動補償因環(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)字信號處理）和ASP（模擬信號處理）三個部分組成。每當電源關(guān)斷時，數(shù)字APC環(huán)路就復位。當電源再開通時，APC環(huán)路就自行完成初始化。初始化的時間一般為2.1－3.72μs與不同的設置狀態(tài)有關(guān)。

數(shù)字APC的突發(fā)模式激光驅(qū)動器BM-LDD可應用于：FTTx寬帶通信系統(tǒng)，無源網(wǎng)絡（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?shù)耐鈬�電路修改后加上快速模擬開關(guān)可用作為突發(fā)模式。（對突發(fā)模式應用，激光驅(qū)動器與激光二極管必須采用DC耦合）

四、 小結(jié)
突發(fā)模式的特點就是其突發(fā)性，二次突發(fā)之間的時間間隔可長可短，而且突發(fā)還帶有隨機性。因此要求TIA、LA、LDD及CDR進入正常工作狀態(tài)和結(jié)束工作狀態(tài)的過程要快。它和連續(xù)模式有很大的不同，因為兩者所采用APC方式不同，連續(xù)模式基本上就是個積分電路反饋，所以反應很慢。而突發(fā)模式采用的是脈沖峰值電平檢測的辦法，也有采用峰谷電平檢測的辦法。有的電路還采用了峰值和峰谷都檢測的辦法來實現(xiàn)突發(fā)模式電路。應達到如下的要求：

①高的Loud/soft ratio>30dB。②快速地響應數(shù)據(jù)包的首位信號。也就是要求減小其Turn-On和Turn-Off的時間。從毫秒減小到數(shù)十毫微秒�？捎帽疚乃�提到的方法來實現(xiàn)。對突發(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，靈敏度<-30dBm。

參考文獻
1） Eduard S¨ackinger “Broadband Circuits for Optical Fiber Communication”.
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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