吳仲華，吳禮章

（1.皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 六安237012；2.中國(guó)電子科技集團(tuán) 第八研究所，安徽 淮南232001）

1 引言

在光纖視頻跟蹤過(guò)程中，有時(shí)光纖要處于放線狀態(tài)，在此過(guò)程中信道損耗會(huì)變化急劇，導(dǎo)致接收端檢測(cè)到的信號(hào)幅度隨機(jī)波動(dòng)較大，用一般接收機(jī)接收時(shí)，容易產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)字視頻信號(hào)及其它高速信號(hào)被錯(cuò)誤解析。因而需要有高靈敏度和寬的動(dòng)態(tài)范圍、且同時(shí)必須能快速跟蹤信號(hào)變化的接收組件，迅速恢復(fù)出信號(hào)邏輯電平，取得信號(hào)傳送碼。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的光接收組件進(jìn)行分析，本文提出了一種滿足大動(dòng)態(tài)變化光信號(hào)接收技術(shù)方案，在信道光損耗連續(xù)變化情況下，該方案具有響應(yīng)速度快和信號(hào)輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光收發(fā)組件用于高速雙向數(shù)字信號(hào)傳輸，對(duì)于一般通道而言，都要求接收組件靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大且系統(tǒng)的誤碼率小。在本系統(tǒng)中，光接收組件設(shè)計(jì)主要考慮影響因素是由于光纖放線過(guò)程中，導(dǎo)致傳輸?shù)墓庑诺罁p耗變化急劇，恢復(fù)的電信號(hào)幅度存在漂移特點(diǎn)，因而要求產(chǎn)品不僅具有寬動(dòng)態(tài)范圍和高靈敏度，還需要具有對(duì)接收信號(hào)快速反應(yīng)能力。

圖1 接收組件框圖

如圖1所示，接收組件主要由光探測(cè)器、前置放大器（TIA）和限幅放大器（LA）組成［1］。前置放大器實(shí)現(xiàn)小信號(hào)前置放大，影響接收模塊系統(tǒng)性能。限幅放大器主要用于將較小的電壓信號(hào)放大到一個(gè)邏輯電平，從而來(lái)滿足后端時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的要求。在接收模塊中，限幅放大器不會(huì)太大影響到系統(tǒng)的性能，如靈敏度、飽和度等，一般主要由前置放大器決定。限幅放大器主要由緩沖電路、漂移補(bǔ)償電路及多級(jí)放大器等構(gòu)成，要求即使在最小的輸入信號(hào)下，放大器的輸出仍能夠達(dá)到滿擺幅。

跟蹤系統(tǒng)傳輸?shù)墓饨?jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)在幅度上連續(xù)變化，但相位是連續(xù)的。經(jīng)前置放大和限幅放大后，送到后端的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)單元（CDR）。根據(jù)接收信號(hào)幅度的變化特點(diǎn)，不能采用連續(xù)穩(wěn)定信號(hào)的接收方式，需要對(duì)常用的接收方式進(jìn)行處理。

3 交流（AC）耦合接收

在光纖通信中，根據(jù)前置放大器和限幅放大器之間的耦合方式進(jìn)行分類，信號(hào)接收方式有兩種：直流耦合方式和交流耦合方式［2］。直流耦合接收方式能對(duì)不同的突發(fā)包做到快速響應(yīng)，正確判決數(shù)據(jù)，且靈敏度代價(jià)小，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。在相對(duì)較小的接收信號(hào)波動(dòng)下，采用交流耦合方式也能滿足接收要求，同時(shí)簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低成本。

傳統(tǒng)的光接收機(jī)接收主要采用交流耦合法，應(yīng)用于幅度連續(xù)波動(dòng)的信號(hào)接收時(shí)，需對(duì)交流耦合電路進(jìn)一步改進(jìn)才可以使用。這里考慮的問(wèn)題不僅有傳統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定接收信號(hào)所遇到的問(wèn)題，還有接收過(guò)程中信號(hào)幅度差異過(guò)大導(dǎo)致的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的主要思想是采用截止頻率較高的交流（AC）耦合，加快信號(hào)電平的恢復(fù)時(shí)間，同時(shí)要考慮導(dǎo)致的抖動(dòng)和基線漂移對(duì)靈敏度的影響。這里電容起耦合和濾波作用。接收到的光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)幅度和信道損耗變化有關(guān)，直流成分和信號(hào)的幅度成正比。接收的信號(hào)從頻域上進(jìn)行分析，接收到的高速數(shù)據(jù)流可以看成是高頻信號(hào)，數(shù)據(jù)流平均信號(hào)的變化可以認(rèn)為是低頻信號(hào)，因此，利用電容耦合接收的數(shù)據(jù)信號(hào)，相當(dāng)于使用高通濾波器來(lái)濾除低頻信號(hào)，通過(guò)高頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)交流耦合的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以用“0”電平作為門(mén)限電壓的信號(hào)，從而完成判別門(mén)限恢復(fù)。

圖2 交流耦合原理圖

圖2所示是交流耦合原理圖，圖中畫(huà)出了前置放大器（TIA）的輸出波形、經(jīng)耦合電容后的輸出波形和限幅放大器（LA）的輸出波形（對(duì)于接收的幅度連續(xù)快速波動(dòng)的信號(hào)，這里對(duì)信號(hào)采用分段式分析，假定信號(hào)是由一系列不同幅度的信號(hào)包構(gòu)成），耦合電容C和電阻R1實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高通濾波器，TIA得到的電壓信號(hào)通過(guò)高通濾波器后，不同幅度的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)地對(duì)稱分布在閾值電平的兩端。由于耦合電容濾除了信號(hào)中的直流分量，此時(shí)閾值電平可直接看作為零電平。

對(duì)于耦合接收方式，主要是由電容C的取值確定。電容的大小決定其充放電時(shí)間的長(zhǎng)短，要使其對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行快速反應(yīng)，需要小的電容，這樣耦合電容充放電時(shí)間短，反應(yīng)時(shí)間提高，但此時(shí)因?yàn)榈皖l截止頻率fc＝1/2πRC，小電容會(huì)使低頻截止頻率增加，濾除的低頻內(nèi)容就會(huì)越多，引起嚴(yán)重的誤碼，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致誤碼率增加，尤其是在遇到長(zhǎng)連“0”和連“1”的情況下，信號(hào)將發(fā)生較大的波形畸變。所以要對(duì)電容和傳輸碼型進(jìn)行合理的選擇。

耦合電容C的計(jì)算方法如下：

（1）首先，從允許的信號(hào)低頻失真來(lái)估算最小的耦合電容值。由前面討論知道交流通路可以等效為一個(gè)高通濾波電路。所以存在低頻截止頻率公式：

其中：R為電容前輸出電阻和電容后面輸入的電阻的和。

（2）對(duì)于接收的幅度連續(xù)快速波動(dòng)的信號(hào)，若對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段進(jìn)行分析，可以認(rèn)為是有一系列信號(hào)幅度的不同的包構(gòu)成，同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中選用了每字節(jié)都進(jìn)行接收同步方式的特點(diǎn)，使得可以希望在足夠短的時(shí)間內(nèi)，快速實(shí)現(xiàn)邏輯電平檢測(cè)，這段恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)短，主要是由耦合電容充放電的時(shí)間以及包之間的幅度差決定的。放松恢復(fù)時(shí)間要求，可以選擇較大的耦合電容，提高恢復(fù)時(shí)間要求，必須選擇較小的耦合電容。對(duì)于保護(hù)時(shí)間的估計(jì)，可以假定在最壞情況下，在最大功率的信息包后緊跟著最小功率的信息包，此時(shí)恢復(fù)時(shí)間與截止頻率，大小光幅度之間的關(guān)系如下：

其中：fc為截止頻率；Δt為恢復(fù)時(shí)間。

采用交流耦合的最大好處，克服了直流耦合方式中的偏移和復(fù)位的影響，但是交流耦合電路的時(shí)間常數(shù)（即充放電時(shí)間）會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)不能對(duì)變動(dòng)較大的光功率的信號(hào)進(jìn)行快速反應(yīng)，其次是高通濾波電容的引入，濾除了數(shù)據(jù)中的低頻內(nèi)容，這樣會(huì)導(dǎo)致信號(hào)劣化而引起碼間干擾，特別是長(zhǎng)連“1”和長(zhǎng)連“0”信號(hào)時(shí)的衰變，提高接收靈敏度代價(jià)，需在降低基線漂移、抖動(dòng)和電平恢復(fù)時(shí)間之間折中選擇。在為解決這個(gè)問(wèn)題而選用合適的耦合電容的同時(shí)，還需要使用適當(dāng)?shù)膫鬏敶a型。

4 傳輸碼型

適用于光纖傳輸?shù)木幋a有多種，這里采用8B/10B短編碼。即每個(gè)8位二進(jìn)制碼被轉(zhuǎn)化為10位二進(jìn)制碼。作為分組碼，8B/10B碼型有很高的轉(zhuǎn)換密度，從而可以保證比特流中數(shù)據(jù)的充分傳輸，并且頻譜中的低頻分量很小。這樣，在AC耦合系統(tǒng)中，編碼數(shù)據(jù)的頻譜已知，所以可以使用一個(gè)適當(dāng)?shù)鸟詈想娙輥?lái)確保快速響應(yīng)，而不使低頻數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，從而得到低成本、高靈敏度的AC耦合接收機(jī)。

圖3為交流耦合接收時(shí)，在相同信噪比、截止頻率相同的情況下，從圖中可以看出編碼數(shù)據(jù)的誤碼率遠(yuǎn)低于非編碼數(shù)據(jù)（PRBS）［3－4］。這主要是因?yàn)榫幋a后的數(shù)據(jù)減少了信號(hào)中的低頻成分，在對(duì)于相同的低頻截止頻率，信號(hào)能量被濾除的占信號(hào)總能量較少，信號(hào)的信噪比受到的影響小，所以誤碼率優(yōu)于偽隨機(jī)序列。

選用8B/10B碼型還有如下幾個(gè)方面的好處：

（1）減少直流電平的變化，提高再生判決的穩(wěn)定性。

（2）較少平均光功率的變化，在帶自動(dòng)功率控制的光源中，提高輸出光功率的穩(wěn)定性。

（3）減少高、低頻分量，可以減少碼間干擾，減少光接收機(jī)的噪聲帶寬，提高光接收機(jī)的靈敏度。

（4）能給接收端提供足夠的定時(shí)信息，避免長(zhǎng)0和長(zhǎng)1碼出現(xiàn)。

圖3 隨機(jī)和編碼數(shù)據(jù)的誤碼率及接收光功率關(guān)系對(duì)比圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的接收模塊用于視頻傳輸系統(tǒng)，利用帶有可調(diào)光衰減器的光纖作為傳輸介質(zhì)，快速變動(dòng)光衰減器，利用圖像顯示器、光功率計(jì)和示波器測(cè)試得出：在傳輸速率達(dá)到600Mbps時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到32dB，光功率按照正常工作中的衰減變化速率變化，接收?qǐng)D像完好，如圖4所示。

圖4是利用光纖傳輸一段足球視頻，在接收端分別采用本文的交流耦合方式和8B/10B編碼技術(shù)與普通的接收方式獲得的視頻效果對(duì)比圖，由圖（a）、（b）的視頻效果可以看出本文的接收技術(shù)要優(yōu)于普通的接收技術(shù)。

圖4 本文的接收方法和傳統(tǒng)的接收方法視頻效果對(duì)比圖

6 結(jié)論

作為用于連續(xù)波動(dòng)光信號(hào)的光接收器，采用交流耦合方式，應(yīng)用8B/10B編碼傳輸，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本，系統(tǒng)使用后工作正常，主要通信指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］J.W.Kwon，J.H.Lee，J.M.Baek，et al.AC－coupled Burst－mode OLT SFP Transceiver for Gigabit Ethernet PON Systems［J］.IEEE Photon.Technol.2005，7（21）：58－64.

［2］P.Ossieur，Y.C.Yi，J.Bauwelinck，et al.DC－coupled 1.25－Gbit/s Burst－mode Receiver with Automatic Offset Compensation［J］.Electron.Lett.2004，3（5）：83－91.

［3］S.Han，M.S.Lee.Burst Mode Penalty of AC2coupled Optical Receivers Optimized for 8B/10BLine Code［J］.IEEE Photon.Technol.Lett.2007，4（9）：127－132.

［4］S.Han，M.S.Lee.AC－coupled Burst－mode Optical Receiver Employing 8B/10BCoding［J］.Electron.Lett.2008，32（11）：391－397.