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无线电电子与电气工程百科全书 光纤线路和通信。 无线电电子电气工程百科全书
在这方面，传输数据的通信基础设施正在迅速发展。 为了支持这些说法，可以引用以下数字：从1993年到1998年，互联网上的页面数量从50百万增加到50万。 从 1998 年到 2001 年的三年时间里，连接到网络的用户数量从 143 人增加到 700 亿人。 计算机园区的发展和个人计算机处理器能力的增强产生了对通过互联网和传统通信线路（可视电话、电话、传真服务）进行大量数据传输的需求。 支持上述要求的 MAXIM 接收器/发送器芯片组允许在 SDH/SONET 光传输系统中进行光/电转换。 SDH 是高速光纤的欧洲标准。 SONET 是一种标准，定义了速度、信号和接口，用于以大于 XNUMX 吉比特/秒的速率进行同步数据传输。 通过光纤网络。 网络设备制造商向市场提供参数改进的新产品。 但对具有更高数据传输性能的设备的需求正在增加。 铜线的数据传输速度已达到极限，而进一步提高是由于光纤电缆。 光缆的物理特性可以显着扩展数据传输速率的范围。 光纤线路的机会既用于本地网络，也用于国家之间的广泛数据网络。 这些网络的进一步扩展有望满足消费者对高速和高质量信息传输的需求。 要通过光通道传输数据，必须将信号从电转换为光，通过通信线路传输，然后在接收器处转换回电信号。 这些转换发生在收发器设备中，该收发器设备包含电子元件和光学元件。 光纤收发器 传输技术中广泛使用的时分多路复用器 (TDM)（一种在连接到多路复用器的低速线路之间划分对高速通道的访问时间的设备），可让您将传输速率提高到 10 Gb/s . 现代高速光纤系统提供以下传输速度标准。
波分复用 (WDM) 或谱分复用的新方法使提高数据传输密度成为可能。 为此，使用每个流在不同波长的传输，通过单个光纤通道发送多个多路复用信息流。 WDM 接收器和发射器中的电子元件与时分系统中使用的电子元件不同。 考虑在具有时分 TDM 的光传输系统中收发器的操作。 光接收器 光接收器检测通过光纤电缆传输的信号并将其转换为电信号，然后将其放大和进一步整形，以及时钟信号。 根据设备的波特率和系统特性，数据流可以从串行转换为并行。 图上。 图1显示了收发器以串行或并行形式对信号的转换、发送和接收，以及时钟信号的形成。
PIN 光电二极管 (PIN) 或雪崩光电二极管 (APD) 接收光信号，并通过调制电导率或改变电势，可以将接收到的光信号转换为电信号。 PIN 光电二极管是一种相对便宜的器件，工作电压与整个电子器件相同。 然而，它的灵敏度远低于雪崩光电二极管。 因此，可以增加基于APD的发射器和接收器之间的距离。 当然，这一切都不是免费的——APD 光电二极管需要（取决于类型）30 到 100 伏的电源电压。 此外，APD 会产生更多噪声，成本高于 PIN 光电二极管，并且需要冷却。 来自光电探测器的信号被馈送到电流控制电压放大器（跨阻放大器 - TIA）。 在 TIA 中接收到的不对称电压被放大并转换为后续级操作所需的差分信号。 TIA 必须同时提供高过载能力和高输入灵敏度（高动态范围）。 由于发射机老化或较长的通信链路，光信号可能会衰减。 因此，为了将 TIA 的灵敏度提高到最低限度，必须降低自身噪声。 另一方面，需要高过载能力来避免由于强光信号失真而导致的误码。 TIA 放大器可实现的最大跨导取决于工作频率。 为了保证稳定性和所需的带宽，只能在较窄的范围内优化增益。 对于低功率光信号，这种限制会使放大器的输出信号不足以进行进一步处理。 为了放大 1 h 2 mV 范围内的小电压，在 TIA 放大器之后放置另一个放大器，在大多数情况下是限幅放大器 (LA)。 该放大器还包括一个低信号指示器，当输入信号低于用户定义的外部设置阈值时会提醒您。 这样当信号接近阈值时，指示标志不改变其值，比较器执行滞后。 接收器中限幅放大器之后的关键组件是时钟和数据恢复 (CDR) 电路。 CDR 执行定时，决定输入信号的幅度电平，并输出恢复数据流的时间和幅度。 保持同步恢复功能的方式有多种（外部SAW滤波器、外部控制时钟信号等），但只有综合方式才能降低成本和工作量。 国际电信联盟 - 电信标准部门 (ITU-T) 定义了对准入、传输和振荡产生的限制。 限幅放大器输出端的信号质量通常很差，主要是由于光传输系统中的组件不完善。 因为 CDR 方案必须接受输入数据中的一定量的抖动才能实现正常、无差错操作，所以所有接收器设备都必须遵守 ITU-T 抖动容限指南。 除了抖动效应，噪声和脉冲失真也会降低控制裕度的相位。 这使接收信息的同步和读取每个位的逻辑电平变得复杂。 锁相环 (PLL) 系统的使用是将时钟与数据流同步以确保时钟信号与信息字的中间对齐的重要部分。 为了进一步优化接收数据信号转换的不对称上升和下降的误码率 (BER)，系统必须包括时钟到数据相位控制的选择。 从 CDR 恢复的数据和时钟的串行流通常进入串并转换单元（解串器）。 其转换速度取决于比特率和与 CMOS 系统组件的兼容性（在速度方面）。 光发射机 光纤系统中的光发射器将系统的 CMOS 组件提供的电数据序列转换为光数据流。 如图所示。 如图 1 所示，发射器由带时钟合成器（取决于系统设置和比特率）的并串转换器、驱动器和光信号源组成。 对于通过光纤通道传输信息，使用了两个重要的波长范围：1000 h 1300 nm，称为第二光学窗口，和 1500 h 1800 nm，称为第三光学窗口。 在这些范围内 - 每单位电缆长度（dB / km）的线路中的最小信号损失。 各种光源可用于光传输系统。 例如，发光二极管 (LED) 通常用于低成本局域网中以进行短距离通信。 然而，宽光谱带宽和无法在第二和第三光学窗口的波长下工作不允许在电信系统中使用 LED！ 与 LED 不同，具有高光谱纯度的光调制激光发射器可以在第三个光学窗口中运行。 因此，对于超长距离和WDM传输系统，成本不是主要考虑因素，但高性能是必须的，使用激光光源。 对于光通信链路，各种类型的直接模拟半导体激光二极管对于短、中、长传输具有最佳的性价比。 这些设备可以在第二和第三光学窗口中运行。 所有用于直接调制的半导体激光二极管通常都需要直流偏置电流来设置信号传输的工作点和调制电流。 偏置电流和调制电流的大小取决于激光二极管的特性，并且可能因类型而异，并且在同一类型中可能彼此不同。 在设计发射器单元时，必须考虑这些特性随时间和温度变化的范围。 对于经济上更有利可图的非冷却型半导体激光器来说尤其如此。 因此，激光驱动器必须提供足够范围内的偏置电流和调制电流，以允许具有多种激光二极管选择的不同光发射器在不同温度下长时间工作。 为了补偿激光二极管性能的下降，使用了自动功率控制（APC）装置。 它使用光电二极管将激光器的光能转换为成比例的电流并将其提供给激光驱动器。 根据该信号，驱动器向激光二极管输出偏置电流，使光输出保持恒定并与原始设置匹配。 这保持了光信号的“幅度”。 APC 电路中的光电二极管也可用于自动调制控制 (AMC)。 除了这些功能之外，系统必须能够通过阻止驱动器来停止激光传输，但输入端的数据接收不得中断。 通过添加触发器或锁存器（作为激光驱动器或并串转换器的一部分），可以通过在此数据流到达激光二极管驱动器的输出之前重新定时来提高振荡效率。 时钟恢复和串行化需要合成时钟脉冲。 该合成器也可以集成到并串转换器中，通常包括锁相环电路。 合成器必须保证数据传输的抖动尽可能小。 因此，合成器在光通信系统的发射机中起着关键作用。 图上。 图 2 和图 3 分别显示了接收器和发送器的同步传输模块 (STM4)。
如上所述，电信光学系统的所有组件都必须符合 ITU-T 建议。MAXIM 生产的芯片组允许设计人员开发具有竞争力的收发器设备。 所有产品均基于高速双极技术，p-n-p晶体管的传输频率为6,4 GHz，n-p-n - 8,7 GHz。 对于亚微米双极工艺，npn 晶体管的传输频率为 27 GHz。 正在生产的用于 STM 4 的 IC 使用 +3,3V 电源。 前置放大器 TIA 放大器 (MAX 3664) 将来自光电二极管传感器的不对称电流转换为不对称电压，该电压被放大并转换为差分信号。 输入电流为 100 A (p-p)，输出具有高达 900 mV (p-p) 的差分振荡。 低输入噪声是通过仔细的 IC 设计和将带宽限制在 590 MHz 和 1,1 pF 的输入电容来实现的。 使用单个低噪声 pin 二极管时，典型输入灵敏度为 -32 dBm 光功率。 使用 3,3 V 电源时，功耗仅为 85 mW。 数据同步和恢复 (CDR) MAX 3675 芯片必须从接收到的数据流及其时钟中恢复时钟信号。 MAX 3664 和 MAX 3675 这两个 IC 构成了接收器光电模块的基础，而在 300V 时功耗小于 3,3mW。 模拟输入灵敏度为 3 mV 峰峰值。 阻塞丢失报警功能和输入信号功率传感器与限幅放大器相结合。 RSSI 引脚上的功率传感器 - 接收信号强度的指示器 - 输出与输入功率成比例的电压。 时钟恢复所需的锁相环电路也完全集成到 MAX 3675 中，不需要外部时钟参考。 串并转换单元 (DEMUX) 为配合各种系统接口方案，MAXIM 提供了 MAX 3680 和 MAX 3681 串并转换器。 MAX 3680 将 622 Mbps 的串行数据流转换为 78 Mbps 的 165 位字流。 数据和时钟输出与 TTL 兼容。 功耗 - 3,3V 供电时为 3681 mW。 MAX 622 将串行数据流 (155 Mbps) 转换为 265 Mbps 四位字流。 其差分数据和时钟支持具有低压差分信号 (LVDS)。 功耗 - 3,3V 电源时为 XNUMX mW。 通过 SINC 引脚驱动，您可以相对于时钟信号稍微调整数据输出。 并串转换器 (MUX) MAX3691 芯片将四个 155 Mbps LVDS 数据流转换为 622 Mbps 串行数据流。 必要的发送时钟使用板载锁相环合成，包括压控振荡器、环路滤波器放大器和仅需要外部时钟参考的相位检测器。 使用 3,3V 电源，功耗为 215 mW。 串行数据输出由正射极耦合逻辑差分电平 (PECL) 信号提供。 激光成型机 (LD) LD (MAX 3667) 的主要任务是为激光二极管的直接调制提供偏置电流和调制电流。 为了灵活性，差分输入接受 PECL 数据流以及在 Vcc = 320V 时高达 0,75mV 峰峰值的差分电压摆幅。 通过改变 BIASSET 引脚和地之间的外部电阻，偏置电流可以在 5 到 90 mA 之间调整，调制电流可以通过改变 MODSET 引脚和地之间的电阻在 5 到 60 mA 之间调整。 内部温度稳定的电压基准可确保稳定的偏置和调制电流。 为避免损坏 MAX 3667，BIASSET、MODSET 和 APCSET 引脚不得接地。 内部安全电路将总输出电流限制在大约 150 mA。 MAX 3667 需要一个 3,3V 单电源供电。 作为 MAX 3667 的替代品，MAX 3766 五伏激光驱动器可提供 155 Mbps 至 1,25 Gbps 的数据速率。 MAX 3766 包含 MAX 3667 提到的所有属性，但带宽更宽。 该 IC 具有扩展的激光安全条件，并且通过单个外部电阻器，“光幅度”在温度和激光斜率变化时保持不变。 本文介绍了 MAXIM 针对光收发器的综合解决方案。 您可以在 maxim-ic.com 上查看用于光学/电气组件的制造设备范围及其特性。 在那里您还可以了解光纤通信电子单元中使用的98个基本设备的技术参数。 可以在 rtcs.ru 网站上找到关于 MAXIM 制造的产品的相当详细的俄语材料选择，Rainbow Technologies 是 MAXIM 在独联体国家的官方经销商。 作者：A. Shitikov，ashitikov@rainbow.msk.ru； 出版：radioradar.net
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