袁丹

（武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070）

引 言

在傳統(tǒng)的演播環(huán)境中都是用同軸電纜傳輸未壓縮數(shù)字視頻信號，而3GSFP光發(fā)射模塊的設計實現(xiàn)能使光纖代替同軸電纜進行信號傳輸。SFP光發(fā)射模塊又稱小型可熱插拔光發(fā)射模塊，它的作用是通過模塊內(nèi)的發(fā)射組件TOSA將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，使得信號可以用光纖進行傳輸。

當前，國內(nèi)外光發(fā)射模塊市場以2.5G為主，10G光發(fā)射模塊和40G光發(fā)射模塊也在迅速地發(fā)展。對于傳輸高清數(shù)字視頻信號的SFP光發(fā)射模塊，僅支持速率為1.485Gbps的1080i和720p視頻信號，3GSFP的研究則針對全高清1080p視頻信號，最高速率達2.97Gbps。

本文研究了3GSFP光發(fā)射模塊，其作用是將速率為2.97Gbps的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成光信號，用光纖傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同軸電纜傳輸，不僅大大地節(jié)約了基礎設備的資金投入，同時也給管理員維護升級帶來了便利。

1 光發(fā)射模塊基本原理

這里的3G指的是3GSDI串行鏈路標準。串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）是ITU－R BT.656以及移動圖像和電視工程師協(xié)會（SMPTE）提出的串行鏈路標準，在演播環(huán)境中通過75Ω同軸電纜來傳輸未壓縮的數(shù)字視頻。該標準的第一版是SMPTE 259M。隨著1080i和720p等高清視頻標準的出現(xiàn)，對接口進行了調(diào)整以處理更高的1.485Gbps數(shù)據(jù)速率，由SMPTE 292M進行定義。幸運的是，為了支持1080p和數(shù)字影院等分辨率更高的圖像質(zhì)量，SMPTE批準了名為SMPTE 424M［1］的新標準，SDI數(shù)據(jù)速率達到了2.97Gbps，這一標準也稱為3G SDI。

3GSFP光發(fā)射模塊的設計要滿足SFP MSA多源協(xié)議［2］和SFF－8472協(xié)議［3］的要求。該發(fā)射模塊主要由 TOSA及LD驅(qū)動電路組成。TOSA即光發(fā)射組件，包括激光器LD和光電二極管PD，其作用是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，而LD驅(qū)動電路用于驅(qū)動控制LD。首先，輸入模塊的電信號由LD驅(qū)動電路接收，并調(diào)制到LD的驅(qū)動電流上，驅(qū)動激光器發(fā)出帶有數(shù)據(jù)調(diào)制信號的激光。LD驅(qū)動電路具備自動功率控制（APC）功能，可通過檢測背光二極管產(chǎn)生的光電流來實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過APC環(huán)路，LD驅(qū)動電路可動態(tài)調(diào)節(jié)LD驅(qū)動電流的大小。

作為發(fā)射模塊的重要功能部件的選擇，必須依據(jù)各類型光源器件的特點和匹配性能需求來進行選擇和設計。常用光源的半導體發(fā)光器件主要有3種：LED發(fā)光管、FP激光器、DFB激光器。它們各自特點如下：LED發(fā)光管輸出光功率低、發(fā)散角大、光譜寬、調(diào)制速率低、價格低廉，適合短距離通信；FP激光器輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜較窄、調(diào)制速率高，適合中距離通信；DFB激光器是在FP激光器的基礎上采用光柵濾光器件使其只有一個縱模輸出，性能優(yōu)于FP激光器，成本較高，用于長距離通信。

3GSFP光發(fā)射模塊主要用于在演播室環(huán)境中傳輸高清視頻信號，傳輸距離不會超過10km。綜合考慮，選擇1310nm FP型激光器作為TOSA的激光器。

在LD驅(qū)動電路的設計上，采用MCU加外圍電路的方式。MCU芯片采用ADN2873，該款芯片完全符合SFF－8472要求，工作速率為50Mbps～4.25Gbps，內(nèi)帶自動功率控制環(huán)路，3.3V供電，滿足3GSFP光發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)速率要求。

2 光發(fā)射功能的主要性能研究

在光發(fā)射模塊中，激光二極管是半導體器件。溫度升高時，它的閾值電流增大，光功率－電流曲線斜率就降低。光功率－電流（PI）曲線如圖1所示。

圖1 光功率－電流（PI）曲線

設計光發(fā)射模塊最重要的指標是模塊的平均光功率和消光比［4］。要使所設計的光發(fā)射模塊工作穩(wěn)定，就要保證平均光功率和消光比維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

平均光功率PAVG用公式表示為：

其中，P1表示高電平時最大光功率，P0表示低電平時最小光功率。APC環(huán)路通過調(diào)節(jié)偏置電流變化可以維持PAV的穩(wěn)定。

消光比ER的公式：

要想穩(wěn)定ER就要知道P1和P0。在知道平均光功率PAVC的情況下，由于光幅度功率PP－P是最大光功率與最小光功率的差值（即 PP－P＝P1－P0），因此，P1和 P0可以用PAVG和PP－P表示，即消光比的穩(wěn)定與平均光功率和光幅度功率有關，在驅(qū)動電路中通過調(diào)節(jié)調(diào)制電流變化維持PP－P穩(wěn)定。

ADN2873內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADN2873內(nèi)置APC自動功率控制環(huán)路，外接MPD背光二極管后形成一個閉環(huán)反饋回路。當輸出平均光功率變化時，流過MPD二極管的電流也相應地發(fā)生變化，APC環(huán)路根據(jù)這種變化相應調(diào)整偏置電流大小，達到穩(wěn)定平均光功率的目的。在ADN2873中，反饋電流IMPD就是引腳PAVSET到地的電流。設計時PAVSET外接電阻，反饋電流IMPD等于PAVSET端電壓與該電阻的比值，而PAVSET端電壓是芯片內(nèi)部固定電壓（為1.2V），所以只需要知道外接電阻的大小就能確定IMPD的大小。APC電路根據(jù)IMPD的變化自動調(diào)節(jié)偏置電流，保證平均光功率穩(wěn)定。

圖2 ADN2873內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

同樣，在引腳ERSET外接電阻RERSET。由圖2可知，標準電壓1.2V經(jīng)過了100倍的放大，那么調(diào)制電流IMOD＝1.2V×100／RERSET。RERSET是熱敏電阻，當模塊溫度改變時，熱敏電阻改變電阻值以補充激光器隨溫度影響的變化，通過校準溫度系數(shù)值來穩(wěn)定調(diào)制電流，從而達到維持消光比穩(wěn)定的目的。

3 測試結(jié)果及分析

測試中用模擬的pathological圖樣信號作為測試信號［5］，給3GSFP光發(fā)射模塊提供2.97Gbps的pathological圖樣信號，測試溫度為常溫25℃，供電電壓為3.3V，選用4.25G濾波器。發(fā)射光眼圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射光眼圖

從圖3可以看到清晰的眼圖，同時可以讀出峰峰抖動值為72.11ps，上升時間為123.4ps，下降時間為135.7ps，上升最大時間不得超過165ps，下降最大時間不得超過180ps，即所設計的3GSFP光發(fā)射模塊可滿足傳輸3G SDI信號的要求。

［1］移動圖像和電視工程師協(xié)會.SMPTE 424M—2006for Television－3Gb／s Signal／Data Serial Interface［S］.

［2］SFF Committee.Small Form－factor Pluggable Transceiver Multi Source Agreement，2000.

［3］SFF Committee.SFF－8472Specification for Diagnostic Monitoring Interface for Optical Transceivers.Rev 10.4，2009－01－30.

［4］陳曉鵬，王亞飛.4.25Gb／s光收發(fā)模塊性能研究［J］.光通信技術，2006（7）.

［5］Giacomo Losio.Video SFP Requirements，2009.