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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(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 )系統的結構可看出，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。節省了光纖資源，無(wú)需有源器件和設備，可有效降低網(wǎng)絡(luò )成本。同時(shí)，因為結構簡(jiǎn)單，大大節省運營(yíng)維護成本。 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 )結構。系統從OLT到ONU為下行方向。下行通信時(shí)用TDM模式把所有的數據包匯成一個(gè)數據流，通過(guò)光纖采用廣播方式傳送。在接收端，用戶(hù)以適當的地址選擇獲得其所需的數據包。上行通信（從ONU到OLT）是相當困難的，因為多個(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)能傳送數據包到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)有傳送信號時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，而在傳送信號時(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(gè)系統的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 在局端（OLT），激光驅動(dòng)器LDD為連續工作模式，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支持連續工作模式，激光驅動(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)模式激光驅動(dòng)器（BM-LDD）與連續工作模式激光驅動(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：它必須應對沒(méi)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(wèn)題可以留著(zhù)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)的輸出偏移的機理是，在每次突發(fā)到來(lái)之前就把偏移（offset）調整好了。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？現在我們先不管電流源IOS，當突發(fā)信息到來(lái)之前，峰值檢測器被復位到放大器的兩個(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， VOP上升而VON下降。Vop的峰值存貯在峰值檢測器內并反饋到放大器的輸入端。當下一個(gè)“0”位到達時(shí)，峰值檢測器的電壓值會(huì )出現在VON輸出端。因為RF’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(gè)麻煩。即突發(fā)之間的間隔時(shí)間太長(cháng)，長(cháng)時(shí)間沒(méi)有接收到突發(fā)光信號，也就TIA的峰值檢測器復位時(shí)間維持太長(cháng)，那么放大器的噪聲會(huì )與輸出信號交迭而產(chǎn)生序列隨機碼，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和連續模式LA有什么差別？圖四（a）示出單邊連續模式LA，其輸入信號通過(guò)交流耦合網(wǎng)絡(luò )。數據信號被AC耦合網(wǎng)絡(luò )的平均直流削波。因為連續模式信號是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(lái)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，但現在的眼圖垂直中心部分會(huì )出現許多誤碼、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(lái)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據信號與輸入數據信號的平均值無(wú)關(guān)。為了準確地獲取每次突發(fā)數據信號的脈沖幅度，此峰/谷檢測器在每次突發(fā)間隔期間必須進(jìn)行復位。必須牢記，在突發(fā)模式系統中，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(jiàn)的。 如圖一中所示的Loud/Soft Ratio（響/靜比）較大。 三、 突發(fā)模式激光驅動(dòng)器 激光驅動(dòng)器有兩種工作模式：連續模式激光驅動(dòng)器，縮寫(xiě)為L(cháng)DD；突發(fā)模式激光驅動(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)送一批數據信息，發(fā)完就停，且停發(fā)時(shí)間可長(cháng)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(dòng)功率控制（APC）具有保持功能，能確保正確地傳送突發(fā)的數據信號。 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(hù)的網(wǎng)絡(luò )。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系統中有32個(gè)用戶(hù)，某一家的光數據信號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BMLDD而言，其突發(fā)之間的消光比應大于30dB。對突發(fā)期間內的消光比"10dB，和連續模式的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(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)序列出現時(shí)，可以較快的建立一個(gè)穩定的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，從功率監控光電二極管來(lái)的電流經(jīng)寬帶TIA轉換為電壓，然后峰值檢測器檢測出與發(fā)射功率相對應的峰值。激光輸出功率可調節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(zhù)些缺點(diǎn)：1）當長(cháng)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 )引起輸出功率出現差錯。2）運行在高速碼率時(shí)，需要用快速的光二極管。3）運行在高速碼率時(shí)，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字存儲器來(lái)實(shí)現的突發(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字可上升/下降的計數器內，計數器所存的計數是不會(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”信號來(lái)增加或減小其功率水平。計數的增減可由上升/下降信號“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（節點(diǎn)X）由復位開(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)射數據通過(guò)開(kāi)關(guān)SD來(lái)調制而產(chǎn)生iREF(t)，即對同樣的電容器C進(jìn)行放電的放電電流。當突發(fā)發(fā)射結束的那一刻，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1的數目（number of ones），B是碼率（bit rate）。比較器將此電壓與OV（復位電壓）進(jìn)行比較。從上述公式可見(jiàn)這比較的結果只受IPD－IREF影響而與C、B和n1無(wú)關(guān)。如果這個(gè)差值是正的，計數器的計數逐步減小，如果是負的，則計數器的計數就逐漸增加。 （3）采用數字功率控制器APC 從上述的第二種方法可看到其精確控制功率的技術(shù)是和數字化的計數器存貯相關(guān)的。已涉及點(diǎn)數字技術(shù)。數字控制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Enable和Disable功能管腳的設置來(lái)實(shí)現非突發(fā)模式（連續模式），以增加芯片的兼容性和節省功耗。 BM-LDD應具有三個(gè)主要部件，高速調制器、高速偏置驅動(dòng)器和數字自動(dòng)功率控制的激光偏置方塊。器件功能示于圖八。數字APC回路可自動(dòng)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。數字APC由DAC（數字模擬變換）、DSP（數字信號處理）和ASP（模擬信號處理）三個(gè)部分組成。每當電源關(guān)斷時(shí)，數字APC環(huán)路就復位。當電源再開(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與不同的設置狀態(tài)有關(guān)。 數字APC的突發(fā)模式激光驅動(dòng)器BM-LDD可應用于：FTTx寬帶通信系統，無(wú)源網(wǎng)絡(luò )（PON）發(fā)射器，APON、EPON和GPON上行發(fā)射器。 （4）. 某些連續模式的LDD經(jīng)適當的外圍電路修改后加上快速模擬開(kāi)關(guān)可用作為突發(fā)模式。（對突發(fā)模式應用，激光驅動(dòng)器與激光二極管必須采用DC耦合） 四、 小結 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(cháng)可短，而且突發(fā)還帶有隨機性。因此要求TIA、LA、LDD及CDR進(jìn)入正常工作狀態(tài)和結束工作狀態(tài)的過(guò)程要快。它和連續模式有很大的不同，因為兩者所采用APC方式不同，連續模式基本上就是個(gè)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(lái)實(shí)現突發(fā)模式電路。應達到如下的要求： ①高的Loud/soft ratio>30dB。②快速地響應數據包的首位信號。也就是要求減小其Turn-On和Turn-Off的時(shí)間。從毫秒減小到數十毫微秒�？捎帽疚乃岬降姆椒▉�(lái)實(shí)現。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。 |
