Волоконно оптическая система связи

В связи с этим стремительно развивается инфраструктура коммуникаций, по которым передаются данные. В подтверждение этим словам можно привести следующие цифры - за период с 1993 по 1998 год число страниц в Интернете увеличилось с 50 штук до 50 миллионов. За три года, с 1998 по 2001 год, число пользователей, подключенных к Сети, увеличилось со 143 до 700 миллионов человек. Рост компьютерного парка и увеличение мощности процессоров персональных компьютеров создало спрос на большие объемы передачи данных как по Интернету, так и по традиционным линиям связи: видеофон, телефон, услуги факса. Набор микросхем, выпускаемый фирмой MAXIM для приемника/передатчика, поддерживающих вышесказанные требования, позволяет проводить оптические / электрические преобразования в SDH / SONET оптических системах передачи. SDH - европейский стандарт на волоконно - оптические средства для скоростной передачи данных. SONET - стандарт, определяющий скорости, сигналы и интерфейсы для синхронной передачи данных при скорости более одного гигабита / сек. по волоконно - оптической сети.   

Фирмы производители сетевого оборудования поставляют на рынок новые, с улучшенными параметрами изделия. Но потребность в приборах с большей производительностью передачи данных всё возрастает. Скорость передачи данных по медным проводам подошла к своему пределу, и дальнейшее увеличение происходит за счет оптоволоконных кабелей. Физическая природа оптоволоконных кабелей позволяет существенно расширить диапазон скорости передачи данных. Возможности оптоволоконных линий используются как в локальных сетях, так и в обширных сетях передачи данных между странами. Ожидается дальнейшее расширение этих сетей для удовлетворения потребительских запросов в высокоскоростной и высококачественной передаче информации.    

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и, затем в приемнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приемопередатчика, который содержат электронные блоки наряду с оптическими компонентами.   

Волоконно - оптические приемопередатчики   

Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени (TDM) (устройство, разделяющее время доступа к скоростному каналу между подключенными к мультиплексору низкоскоростными линиями), позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно - оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.

   Новые методы мультиплексного разделения длины волны (WDM) или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.    

Рассмотрим работу приемопередатчиков в оптической системе передач с разделением времени TDM.   

Оптические приемники   

Оптические приемники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно - оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный. На рис. 1 представлено преобразование, передача и приём сигнала приемопередатчиком в последовательном или параллельном виде, а также формирование синхросигнала.

Рис. 1. .Электронно-оптический приемопередатчик   

P-I-N - фотодиод (PIN) или  лавинный фотодиод (APD) получают световой  поток сигнала и путем модуляции  удельной электропроводности или  изменением потенциала дают возможность  конвертировать полученный световой  сигнал в электрический. PIN фотодиод  относительно дешевый прибор  и работает с тем же самым  напряжением питания, что и все  электронное устройство. Однако  его чувствительность намного  меньше, чем у лавинного фотодиода. Поэтому расстояние между передатчиком  и приемником на основе APD может  быть увеличено. Конечно, все это  не бесплатно - APD фотодиоды требуют (в зависимости от типа) питающее  напряжение от 30 до 100 Вольт. К тому  же APD создает большие шумы, стоит  дороже, чем PIN - фотодиод и требует  охлаждения.   

Сигнал с фотодетектора поступает на усилитель напряжения, управляемый током (transimpedance amplifier - TIA). Асимметричное напряжение, полученное в TIA, усиливается и преобразовывается в дифференциальный сигнал, необходимый для работы последующих каскадов. TIA должен обеспечивать как высокую перегрузочную способность, так и высокую входную чувствительность (большой динамический диапазон). Оптические сигналы могут быть ослаблены из - за старения передатчика или длинного канала связи. Поэтому для увеличения чувствительности TIA до минимума должен быть уменьшен собственный шум. С другой стороны, высокая перегрузочная способность требуется, чтобы избежать разрядных ошибок, связанных с искажениями от сильных оптических сигналов.   

Максимально достижимая крутизна усилителя TIA зависит от рабочей частоты. Чтобы гарантировать устойчивость и требуемую полосу пропускания коэффициент усиления может быть оптимизирован только в пределах узкого диапазона. При маломощном оптическом сигнале это ограничение может сделать выходной сигнал усилителя недостаточным для дальнейшей обработки. Чтобы усиливать небольшие напряжения в диапазоне 1 ч 2 mV, после усилителя TIA ставят еще один усилитель, который в большинстве случаев является усилителем-ограничителем (LA). В этот усилитель также включен индикатор малого сигнала, который предупреждает, когда поступающий сигнал падает ниже определенного пользователем порога, устанавливаемого извне. Чтобы при сигнале близком к порогу флаг индикатора не менял свое значение, компаратор выполняется с гистерезисом.   

Ключевой компонент, который следует за усилителем-ограничителем в приемном устройстве - это схема восстановления синхронизации и данных (CDR). CDR выполняет тактирование, принимает решение об уровне амплитуды поступающего сигнала и выдаёт время - и амплитуду- восстановленного потока данных. Есть несколько способов поддержания функции восстановления синхронизации (внешний ПАВ - фильтр, внешний контрольный синхросигнал и т.д. ), но только комплексный подход может снизить и стоимость и объем работ.   

Международный союз Телесвязи - сектор стандартов Телесвязи (ITU - T) определяет ограничения на допуск, передачу и генерирование колебания. Качество сигнала на выходе усилителя ограничителя обычно низкое, главным образом из-за не идеальных компонентов в оптической системе передачи. Поскольку схема CDR для достижения нормальной, свободной от ошибок работы, должна принять некоторое количество колебаний входных данных, все устройства приемника должны исполнять рекомендации ITU - T по допуску на неустойчивую синхронизацию.    

Помимо эффектов колебания (jitter) шум и искажение импульса также уменьшают фазу запаса регулирования. Это усложняет синхронизацию полученной информации и считывание логического уровня каждого бита. Использование системы фазовой автоподстройки частоты (PLL) - неотъемлемая часть в синхронизации генератора тактовых импульсов с потоком данных, чтобы гарантировать выравнивание синхросигнала с серединой информационного слова. Для последующей оптимизации частоты передачи бита ошибки (BER) при асимметричном повышении и падении переходов сигнала полученных данных, система должна включить выбор регулирования фазы зависимости синхроимпульсов и данных. Последовательный поток восстановленных данных и синхроимпульсов от CDR поступает, обычно, в блок преобразования последовательного кода в параллельный (deserializer). Скорость преобразования его зависит от скорости передачи битов и совместимости (по скорости) с КМОП - компонентами системы.   

Оптический передатчик   

Оптический передатчик в волоконно - оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых КМОП компонентами системы, в оптический поток данных. Как показано на рис. 1, передатчик состоит из параллельно - последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала.   

Для передачи информации по волоконно - оптическому каналу используют два важных диапазона волн: 1000 ч 1300 нм, называемый вторым оптическим окном, и 1500 ч 1800 нм, известный как третье оптическое окно. На этих диапазонах - наименьшие потери сигнала в линии на единицу длины кабеля (dB / км).   

Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды (LED) часто используются в дешевых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи!    

В отличие от светодиода, оптически - модулируемый лазерный передатчик с высокой спектральной чистотой может работать в третьем оптическом окне. Поэтому для ультра дальних и WDM систем передачи, где стоимость - не главное соображение, а высокая эффективность обязательна, используют лазерный оптический источник. Для оптических каналов связи различные типы прямо - моделируемых полупроводниковых лазерных диодов имеют оптимальное отношение стоимость / эффективность для коротких, средних и длинных передач. Приборы могут работать и во втором и в третьем оптических окнах.   

Все полупроводниковые лазерные диоды, используемые для прямой модуляции, обычно имеют потребность в постоянном токе смещения, чтобы установить рабочую точку и ток модуляции для передачи сигнала. Величина тока смещения и тока модуляции зависит от характеристики лазерного диода и может отличаться от типа к типу и друг от друга у одного типа. Диапазон изменения этих характеристик со временем и температурой должен учитываться при проектировании блока передатчика. Особенно это касается экономически более выгодных неохлаждаемых типов полупроводниковых лазеров. Отсюда следует, что драйвер лазера должен выдавать ток смещения и ток модуляции в диапазоне достаточном, чтобы разные оптические передатчики с широким выбором лазерных диодов могли работать в течение длительного времени и при разной температуре.    

Для компенсации ухудшающихся характеристик лазерного диода используют устройство автоматического управления энергией (APC). Здесь используется фотодиод, который преобразовывает световую энергию лазера в пропорциональный ток и подает его в драйвер лазера. Исходя из этого сигнала, драйвер выдает ток смещения в лазерный диод, чтобы световая мощность оставалась постоянной и соответствовала первоначально установленной. Так поддерживается "амплитуда" оптического сигнала. Фотодиод, который находится в схеме APC, также может использоваться при автоматическом управлении модуляцией (АМС).   

Дополнительно к указанным функциям система должна быть способной останавливать лазерные передачи, блокируя драйвер, но прием данных на входе при этом не должен прерываться.   

Добавив триггер или защелку (как часть лазерного драйвера или параллельно - последовательного преобразователя), эффективность колебания может быть улучшена восстановлением синхронизации этого потока данных прежде, чем он достигнет выхода драйвера лазерного диода. Восстановление синхронизации и преобразование в последовательную форму требуют синхроимпульсы, которые должны синтезироваться. Этот синтезатор также может быть интегрирован в параллельно - последовательный преобразователь и, обычно, включает схему фазовой автоподстройки частоты. Синтезатор должен гарантировать передачу данных при возможно низком колебании. В результате, синтезатор играет ключевую роль в передатчике оптической системы связи.   

На рис. 2 и 3 представлены синхронные транспортные модули (STM4), соответственно, приемника и передатчика.

Рис. 2. Оптоэлектронный приемник данных.

Рис. 3. Оптоэлектронный передатчик данных.   

Как указывалось выше, все компоненты оптической системы для телесвязи должны выполнять рекомендации ITU - T. Выпускаемый MAXIMом набор микросхем позволяет проектировщикам разработать конкурентно способные приемопередающие устройства. Все изделия основаны на быстродействующей биполярной технологии, когда частота передачи для р-n-р транзистора составляет 6,4 ГГц, а для n-р-n - 8,7 ГГц. Для субмикронного биполярного процесса частота передачи n-р-n транзистора составляет 27 ГГц. Выпускаемые микросхемы для STM 4 используют источники питания + 3,3В.   

Предусилитель    

Усилитель TIA (MAX 3664) преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал. При входном токе 100 А (двойная амплитуда) на выходе имеет дифференциальные колебания до 900 мB (двойная амплитуда).   

Низкий входной шум достигнут тщательным проектированием интегральной микросхемы и ограничением полосы пропускания частотой 590 МГц при входной емкости 1,1 pF. При использовании одного p-i-n диода с малым шумом типовая входная чувствительность соответствует -32 dBm оптической мощности. При питании 3,3 В потребляемая мощность всего лишь 85 мBт.   

Синхронизация и восстановление данных (CDR)   

Микросхема MAX 3675 должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Две микросхемы MAX 3664 и MAX 3675 служат основой оптоэлектронного модуля приемника, при этом потребляемая мощность составляет менее 300 мBт при питании 3,3В.