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APON中155Mb／s突发式收发模块的设计及测试
摘要：主要研究APON中155Mb/s突发式光收发模块及其测试。对突发式发射模块中的自动功率控制电路提出了采用峰值控制的方法；对突发式接收模块采用了注入锁相环法的快速同步技术和直流耦合的动态阈值判决方案；设计了信号模拟产生器测试系统检测所研制的收发模块的性能。关键词：突发模式 峰值自动功率控制 时钟恢复 动态阈值
近年来，突发模式的数据传输方式正越来越多地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，其中以ATM为基础的无源光网络(APON)成为快速发展的宽带技术之一。由于APON系统结合了ATM多业务、多比特率的支持能力和PON的透明宽带传输能力，将成为未来实现宽带接入乃至最终实现FYTH的重要方式。
APON系统的核心是在PON上采用TDMA方式传输ATM信元，物理层上下行方向一般采用TDM／TDMA技术。APON系统在下行方向以TDM的连续方式工作，容易实现；上行信号为TDMA方式，信号工作在突发模式下，是幅度不等、长度不同、时间间隔也不相同的脉冲串，由于上行信号的这一特点，突发式收发模块设计与传统收发模块的没计有很大不同，因而所采用的测试方法也不同。同时，由于以往所开发的突发式光收发模块多在l00Mb／s以下的速率，国外虽对155Mb／s收发模块有一些研究并开发出相应的产品，但由于其价格居高不下，因此有必要研究国内自主开发的155Mb／s光收发模块。
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1 突发式光发射模块
APON系统中，光网络单元(ONU)的发射机以突发模式工作，即只在分配给它的时隙内才有功率输出，在其他时间处于关断状态，因此光发射电路要求能够快速地开启和关断，需要采用响应速度快的光源并采取一些者施以减少和补偿突发时延。光发射模块由光源、驱动电路和控制电路三部分组成，具有发射关断和监视输出的功能，如图1所示。图1中的数据和信号由测试系统产生并提供。由于突发式光发射电路是多路轮流发射，突发式发射电路的工作空度比很大，所以自动功率控制(APC)电路不能采用平均功率控制方法，而必须采用峰值功率控制方法来稳定发射光功率。为减少多路背景噪声的叠加，采用了信号到来前4bit的预偏方式，并采用峰值功率控制稳定发射光功率。发射的驱动电路采用突发式发射专用芯片LUBLD55。其控制信好中的framing由系统提供，而overhead信号则由模块自行产生。LUBLDl55具有自动功率控制功能，在温度和寿命的范围内，数字自动控制反馈回路使激光器在突发模式下保持恒定的光功率。自动功率控制电路如图2所示。在第一个突发数据信号到来时，光二吸管的电容Cpd被预充电到一个已知的电压Vpc。这洋在随后的突发数据信号到来时，电容由来自光二极管的电流充电，同时由数据开关产生的电流脉冲和参考电流源Lref进行放电。当第二个突发信号结束时，电容的电压Vx(标有X的节点无限地、并在每两个突发信号之间进行更新以磕免发射数据的干扰。与预充的电压Vpc用同步比较器进行比较，由比较结果决定计数器是提供还是。降低激光器的输出功率。由于所选择的功率标准是由数字的加／减计数器所存储的，其保持时间是无限的，并在每两个突发信号之间进行更新以避免发射数据的干扰。
图2
2 突发式光接收模块
155Mb／s突发式接收模块的基本框图如图3所示。接收电路采用155Mb／s专用芯片LUBORP前置放大器对信号进行放大并产生差分信号，并将光信号转换为系统可用的差分信号；LUBORAl55主放大器对信号功率逐级放大。同时，由时钟和数据恢复电路提取出的时钟和复位信号对接收到的突发式信号动态建立判决阈值以使数据恢复输出。另外由于系统输入电压为3.3V，而前置放大器和主放大器工作电压为5V，所以还需要一个由MAXl674组成的升压电路，将+3．3V升压到+5V。
图3
要实观交发式上行信号正确、快速接收，155Mb／s突发式接收模块需要解决快速比特同步问题。以往接收机的快速同步技术多采用相关法和多相位时钟采样法。相关法适合100Mb／s以下的PON系统，而多相位时钟采样法需要硬件和软件的支持，实现起来较为复杂。所以本设计采用了注入锁相环法的同步技术。如图4所示。光电探测铝首先将接收到的光信号转换为电信号，由于信号在传输过程中存在延时，其幅度、相位都发生了不同程度的改变，因而此时接收到的是突发式电信号。首先对其进行频谱变换，保留频带范围在155MHz左右。外接参考振荡器产生某一个频率和相位的信号作为注入信号，与所接收到的突发信号进行比较产生一个新的参考信号，与压控振荡器所产生的某一个基准频率通过锁相环技术进行相位和频率的比较，通过误差电压值不断调整压控振荡器所产生的基准频率，最终将锁定状态频率的信号送入判决电路。通过判决电路，建立合适的判决阈值，最后恢复输出。
图4
155Mb／s突发式接收模块的另一个关键技术问题是上行突发光接收。由于到达OLT的突发信号其幅度、相位都不同，所以要求接收模块对每个上行突发块能够在极短的时间内建立新的判决阈值。以往接收模块的判决方法多采用交流耦合的判决方式，由于增益是差分输入、差分输出，且通过电容耦合，对于100Mb／s以下的速率是可取的．但对于155Mb／s时不能满足要求，因此．笔者提出了直流耦合的动态阈值判决方式。
图5
信号经过前置放大器直流耦合到主放大器，LUBORAl55主放大器动态地建立阈值以接收两个连续的强度不同的信息包。另外，为了保证可用带宽，还必须进行带宽补偿和自动阈值控制以确保系统的工作速率为155Mb／s。带宽补偿功能由正负带宽补偿引脚完成，适过在它们之间所跨接的5pF电容将输出反馈到输入端、限制了系统的工作带宽，同时限制电路工作速率为155Mb／s并减少了高频噪声。很好地提高了接收模块的灵敏度和动态范围；LUBORA155具有自动阈值控制电压的功能。能够接收不同的输入信号电子。从而建立不同的阈值进行动态判决。
经过主放大器后的信号到达时钟与数据恢复电路，其功能由LUBCDRl55芯片完成。其原理图如图5所示。其工作原理是：通过主放大器处理后的数据信号分为两路，以LV-PECL的正负极性数据输入到两个振荡器中。同时，从系统时钟来的时钟信号通过锁相环回路产生振荡器的偏置电压，并输入到两个振荡器中。然后，两个振荡器经过一个或门产生恢复的时钟信号，其原理是从输入的数据信号的瞬时相位中恢复时钟；恢复的时钟与输入的数据信号一起再驱动触发器产生恢复的数据信号。由于此时恢复的时钟和数据信号有一定的抖动，所以要经过FIFO与系统时钟以及RESET信号一起消除抖动，其原理是由恢复的时钟与输入信号中的基准时钟相同步以消除失步。另外，LUBCDRl55的工作特性可实现首比特同步，并能消除经过主放大器后波形中的毛刺现象。
3 突发式光收发模块的测试系统
(1)测试系统设计
突发式发射和接收模块因其工作于一个特定的环境中，所以不能象一般收发模块那样进行测试。系统模拟器的核心是产生发射模块的控制信号，所有的控制都与这个控制信号有关；同时还必须为接收模块产生相应的重置信号以恢复时钟和数据，而重置信号在时间上必须比数据信号早2个比特以上，一般是3个比特。突发式光信号模拟产生系统方框图如图6所示。
从信号源取出155Mb／s数据和时钟信号，数据信号经过缓冲器Bufferl变换为两路ECL电平的电平信号，分别送到数据包产生器和多路分离复用的电子开关(MUX)；时钟信号经过缓冲器Buffer2变换为ECL时钟信号，与数据信号一起作用于包产生器，生成两个不同时隙的数据包，经过MUX分成两路数据包。
图7和图8
(2)测试结果
通过测试，采用峰值功率控制方法没计的发射模块消光比可达25dB，关断光功率小于-43dB；突发信号在经过接收模块中的前放和主放大器后到达时钟和数据恢复电路，能很好地还原信号，信号波形见图7和图3，突发式接收模块的灵敏度不小于-33dBm，动态范围不小于15dB，饱和光功率为-8dBm，响应速度≤8bit。
155Mb／s突发式收发模块由于其工作速率比较高，因此其设计与传统的突发式收发模块有很大不同，因而其测试系统的设计也与以往不同。本文给出了收发模块具体的设计思想和设计路线并通过测试进行了验证。测试结果表明所研制的光收发模块相应的技术指标均达到预定要求，能够很好地满足155Mb／s的APON系统的性能要求。
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