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北京邮电大学硕士学位论文 相干光通信系统中接收机的研究 摘要 相干光接收机具有灵敏度高，中继距离长，选择性好，通信容量 大，具有多种调制方式等众多优点，最近几年，因为光器件和数字信 号处理技术的进步，相干接收机又再次成为研究的热点。 论文中设计了在相干接收中用于处理基带信号的高灵敏度宽带 光接收机。论文采用了高灵敏度的p i n t i a 和时钟抖动小的 l a c d r ，相应得选取了p t c m 9 6 5 0 0 2 和a d n 2 81 2 芯片来构建宽带 高灵敏度光接收机。经过精心的原理图和p c b 板设计，以及硬件调 试工作后，最终测得宽带高灵敏度光接收机的速率范围在1 g b p s 2 7 g p b s ，并测得它在速率1 g p b s ，1 2 5 g p b s ，2 5 g b p s ，2 7 g p b s 时的 灵敏度分别为2 4 8 d b m ，2 3 5 d b m ，2 2 7 d b m ，2 1 7 d b m 。 论文中介绍了相干检测的原理和相干解调方案，并对采用异步解 调方案的外差平衡相干接收机进行了仿真设计，研究激光器线宽、本 振光功率和调制速率对相干接收机性能的影响。仿真结果表明激光器 的线宽越窄，本振光功率越大，调制速率越低，相干接收机的灵敏度 越高；反过来，相干接收机的灵敏度则越低。 论文还设计了用于相干接收机中对中频进行放大的，高增益，宽 带，低噪声放大器。论文采用了渐变线和放大芯片a m m p 6 2 2 0 来构 建中频放大器的设计方案，通过调整渐变线的尺寸，即宽度和长度， 来改善放大芯片的增益平坦度。论文对中频放大器进行仿真，仿真结 果表明合理的渐变线设计确实能改善放大器的增益平坦度。最后根据 仿真设计对放大器进行了p c b 板设计，经硬件调试后，最终测宽带 低噪声放大器的带宽为6 g h z 1 4 g h z ，增益为2 0 d b ，在6 g h z 到 1 2 g h z 内，增益平坦度维持在l d b 以内。 关键词：光接收机，相干光，灵敏度，低噪声 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h eo p t i c a lr e c e i v e r i nc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a b s t r a c t t h ec o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e rd o e sn o to n l yh a v eah i g hs e n s i t i v i t y , al o n gr e l a y d i s t a n c e , ag o o ds e l e c t i v i t y , a n dah i g l lc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y , i ta l s os u p p o r t s m u l t i p l em o d u l a t i o nm o d e s t h ec o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e rh a sb e e na t t r a c t i n gm o r e a t t e n t i o na g a i n , w h e no p t i c a ld e v i c e sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c l m o l o g i e sh a v e g a i n e dh u g ei m p r o v e m e n t si nr e c e n ty e a r s sp a p e l d e s c r i b e st h ed e s i g no fa l lo p t i c a lr e c e i v e rw i t hw i d c - b a n da n dh i g h s e n s i t i v i t y t i l i so p t i c a lr e c e i v e ri su s e df o rp r o c e s s i n gb a s e - b a n ds i g n a li nc o h e r e n t r e c e i v i n g 1 kp i n t 执w i t hh i 曲s e n s i t i v i t ya n dt h el a - c d rw i t hl o w i t t e rw e r e c h o s e nt oc o m p o s et h eo p t i c a lr e c e i v e ra n dt h ec h i pp t c m 9 6 5 0 0 2a n da n d2 812 w e r es e l e c t e d t h eo p t i c a lr e c e i v e rw a sc a r e 如l l vd e s i g n e dw i t hb a s i cd i a g r a m sa n d t h ep c bd e s i g nw a sd e b u g g e da n dt e s t e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h eo p t i c a lr e c e i v e r a c h i e v e dag o o dp e r f o r m a n c e i tc a nr e c e i v et h eo p t i c a ls i g n a lw i t hh i g hm o d u l a t e f r e q u e n c yf r o m1 g b p st o2 5 g b p sa n dt h es e n s i t i v i t ye a r lr e a c h - 2 4 8 d b m ，一2 3 5 d b m ， 2 2 7 d b m ，- 2 1 7 d b ma t1 g p b s ，1 2 5 g p b s ，2 5 g b p s ，2 7 g p b sr e s p e c t i v e l y i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fc o h e r e n td e t e c t i o na n dt h ec o h e r e n td e m o d u l a t i o n s c h e m e sw e r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g n e dh e t e r o d y n ec o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e rw i 廿l b a l a n c e dd e t e c t i o na n da s y n c h r o n o u sd e m o d u l a t i o ns c h e m e sh a sb e e ns i m u l a t c dt o d e m o n s t r a t eh o wl i n e w i d t ho fl a s e r , p o w e ro fl o c a ll a s e ra n dm o d u l a t ef r e q u e n c y i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tn a r r o wl i n e w i d t ho fl a s e r , h i g hp o w e ro fl o c a l l a s e ra n dl o wm o d u l a t e f r e q u e n c yg e n e r a t eac o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e rw i t hh i g hs e n s i t i v i t y i nt h i sp a p e r , t h eh i g hg a i n , w i d eb a n da n dl o wn o i s ea m p l i f i e rw a sd e s i g n e dt o a m p l i f yt h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a li nc o h e r e n to p t i c a lr e c e i v e r 砀et a p t r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h ea m p l i f y i n gc h i pa m m p 6 2 2 0w e r ea d o p t e di nt h ed e s i g n s c h e m e t h eg a i nr i p p l eo ft h ea m p l i 助n gc h i pc a l lb ei m p r o v e db ya d j u s t i n gt h es i z e o ft h et a pt r a n s m i s s i o nl i n e s i n c l u d ei t sw i d t ha n dl e n g t h , w h i c hi sa l s op r o v e db yt h e s i m u l a t i o n f i n a l l yt h ep c bo ft h ea m p l i f i e rw a sd e s i g n e db a s e do nt h eo p t i m i z e d s i m u l a t i o na n dw a st e s t e da f t e rd e b u g g i n g t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eb a n d w i d t ho f t h ea m p l i f i e ri sf r o m6 g h zt o14 g h z ；t h eg a i ni s2 0 d b ；a n dt h eg a i nr i p p l ek e e p s b e l o wld bf r o m6 g h zf r o m12 g h z k e y w o r d s ：o p t i c a lr e c e i v e r , c o h e r e n to p t i c a l ，s e n s i t i v i t y , l o wn o i s e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究】二作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中1 i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同二 作的同志对本研究所做的仃 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：簦叠： 一 日期：渺g 弓、f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位沦文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。小保密论 文注释：本学 c i = 沦文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 望窭二 嫩好j j i 一。、 闩期：) 仂8 弓r 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 相干光通信系统 1 1 1 背景介绍 第一章绪论 在七十年代，损耗为2 0 d b 的光纤问世后，人们最先研制并付以使用的 i m d d ( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ，强度调i t i o 直接检i t l 9 ) 方式的光纤 通信。由于这种方式具有简单、经济、易于调整等优点，而且也能满足当前要求， 所以在七十年代人们忽视了对光纤相干光通信方式的研究。 到了七十年代末期，随着光纤通信的发展，为了得到更大容量、更长距离的 光通信系统，人们开始把注意力转到光纤相干光通信方面来。其中，日本t k i m u r a 领导的小组做了开拓性的工作，率先发表了一批理论性和实验性论文【l - 3 】。 八十年代初，他们第一个完成了相干光通信的演示实验【2 1 其后，光纤相干光通 信的研究日益俱增。 到八九十年代，相干光通信已成为研究的热点。a t & t 及b e l l 公司于1 9 8 9 和1 9 9 0 年在宾州的罗灵一克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了1 3 p m 和 1 5 5 p m 波长的1 7 g b s f s k 现场无中继相干传输实验，相距3 5 公里，接收灵敏 度达到4 1 5 d b m l 4 1 。n t t 公司于1 9 9 0 年在濑户内陆海的大分一尹予和吴站之间 进行了2 s g b p b s 的c p f s k 相干传输实验，总长4 3 1 公里【4 】。 已经证明，与i m d d 通信方式比较，相干光通信方式的主要优点是灵敏度 高、选择性好【5 】。它在0 8 - 0 9 p m 波长范围可提高灵敏度1 0 - 2 0 d b m ，在1 5 1 6 i _ t m 波长范围可提高1 0 - - - , 2 5 d b m l 6 j 。由于选择性的提高，可借助频分复用方法 增加通信信道，提高光纤传输信息容量也较容易实现。已经证明，如果结合光放 大器，这种光纤相干光通信的无中继通信距离可达数千公里之上，显而易见，这 对目前的i m d d 通信方式来说，实在是一个望尘莫及的指标。 然而由于掺铒光纤放大器( e d f a ) 和波分复用( w d m ) 技术的出现，使得相干 光通信技术的发展缓慢下来1 7 - 8 1 。在这段时期，光通信系统的灵敏度和信息容量 已经不再是研究的热点，长距离通信的商业动力和商业活动都开始急剧减退。然 北京邮电人学硕士学位论文 而，采用i m d d 通信方式的w d m 系统经过十多年的广泛应用和发展后，相干 光通信技术将再次复苏的征兆开始出现：在数字通信方面，提高c 带放大器的 放大能力，克服有害的光纤色散效应，增加空间通信的距离和容量成为光通信系 统中的重要考虑因素【9 】；在模拟通信方面，灵敏度和动态范围是系统的关键参数。 而这些系统的重要考虑因素和关键参数都能利用相关光通信得到很大的改善。 在长距离光纤和空间数字传输系统中，异步d p s k 和d q p s k 已经使用非常普 遍，这标志着采用相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋判，而灵敏度和频 谱效率是这种趋势的核心。在选择检测方案时还需考虑的因素包括物理层的安全 可靠性和网络的自适应性，两者都能得益于相干光通信中采用的幅度，频率和偏 振编码技术。相干模拟传输与非相干传输相比，也同样具有很大的优势，其中在 动态范围方面最为显著。虽然模拟通信不及数字通信应用广泛，但是模拟传输在 很多军事应用上由很重要的作用。 近年来，光器件的研究取得了很大的进步，这也为进一步深入研究相干光通 信系统提供了良好的契机。这些进步包括激光器的功率，线宽和噪声，以及光电 探测器的带宽，功率容量和共模抑制比都得到了很大的改善【l 。同时微波电子器 件性能的提高和数字处理技术的进步【_ 7 】也使得比直接检测更具优势的相干检测 更容易被采用。目前研究人员已经意识到相干检测在未来通信领域里更具吸引 力。尤其是在空间光通信传输方面，相干检测更是引起了人们极大的兴趣，因为 空间光通信传输依赖于高功率激光器和高灵敏度接收等技术【l2 1 。采用相干检测技 术的星间光通信的数据流量相当于甚至超过整套微波转发设备的数据流量【i 引。而 且，光通信比微波通信能量更集中，使通信更加安全。将单一的光通信系统替代 整套的微波转发设备，可使空间通信设备的复杂性大大降低，同时它的重量和能 量损耗也会大大减少。 1 1 2 相干光通信的主要优点 相干光通信最主要的优点是相干检测能改善接收机的灵敏度。在相干光通信 系统中，经相干混合后的输出光电流的大小与信号光功率和本振光功率的乘积成 正比。由于本振光功率远大于信号光功率，从而使接收机的灵敏度大大提高。以 1 3 1 6 p m 波段为例，i m d d 接收机需要约为1 0 0 0p h o t o n s b i t 以达到l 旷的误 码率，而相干接收机要达到相同的误码率仅需1 0 - - 2 0 p h o t o n s b i t 甚至更少，可以 达到接近散粒噪声极限的高性斛1 3 】，并因此也增加了光信号的传输距离。可见， 相干探测的高灵敏度使相干接收机更适合于弱光信号的探测，而直接探测体制 仅适宜于较强光信号的探测。接收机的高灵敏度也增加了光信号的传输距离。 相干光通信的另一个主要优点是可以提高接收机的选择性。在直接探测中， 2 北京邮电大学硕士学位论文 接收波段较大( - - 一1 0 0 n m ) ，为抑制杂散背景光的干扰，探测器前通常需要放置窄 带滤光片，但其频带仍然很宽。在相干外差探测中，探测的是信号光和本振光的 混频光，因此只有在中频频带内的杂散光才可以进入系统，而其它杂散光所形成 的噪声均被中频放大器滤除。可见，外差探测对背景光有着良好的滤波性能。此 外，由于相干探测优良的波长选择性，相干接收机可以使频分复用系统的频率间 隔达到1 0 0 m h z ，取代传统光复用技术的大频率间隔( 2 0 0 g h z ) 【1 3 】，具有以频分 复用实现更高传输速率的潜在优势。 在直接检测系统中，只能使用强度调制方式对光波进行调制。而在相干光通 信中，除了可以对光波进行幅度调制外，还可以进行频移键控或相移键控，如二 进制相移键控、差分相移键控、连续相频键控等，具有多种调制方式，利于灵活 的工程应用，虽然这样增加了系统的复杂性和光损耗，但是相对于i m d d 只响 应光功率的变化，相干探测可探测出光场的振幅、频率、位相携带的所有信息， 因此相干探测是一种全息探测技术，这是i m d d 体制不具备的。 1 1 3 相关光通信的关键技术 相干光通信和i m d d 方式相比虽有很多优点，但它也有几个方面的技术难 题需要攻克。 1 外光调制技术 由于半导体激光器对光载波的某一参数直接调制时，总会附带对其他参数的 寄生振荡，如a s k 直接调制伴随着相位的变化，而且调制深度也会受到限制。 另外，还会遇到频率特性不平坦及张弛振荡等问题，因此，在相干光通信系统中， 除f s k 可以采用直接注入电流进行频率调制外，其他都是采用外光调制。 外光调制是根据某些光电或声光晶体的光波传输特性随电压或声压等外界 因素的变化而变化的物理现象而提出的。外光调制器主要包括三种，它们分别是 利用光电效应、声光效应和磁光效应制成的调制器 1 4 】。采用以上外调制器，可 以完成对光载波的振幅、频率和相位的调制。目前对外光调制器的研究比较广泛， 如利用铌酸锂( l i n b 0 3 ) 马赫干涉仪或定向耦合式的调制器可实现a s k 调制，利 用量子阱半导体相位外调制器或l i n b 0 3 相位调制器实现p s k 调制等【1 5 】。 2 稳频技术 在相干光通信中，激光器的频率稳定性是相当重要的。如对于零差检测相干 光通信系统来说，若激光器的频率( 或波长) 随工作条件的不同而发生漂移，就很 难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。外差相干光通系统也是如 此。因此只有保证光载波振荡器和光本振振荡器的高频率稳定性，才能保证相干 光通信系统的正常工作。 北京邮电大学硕士学位论文 激光器的频率稳定主要由三种【l 5 】： ( 1 ) 将激光器的频率稳定在某种原子和分子的谐振频率上； ( 2 ) 利用光生伏特效应、锁相环技术、主激光器调频边带的方法实现稳频； ( 3 ) 利用半导体激光器工作温度的自动控制、注入电流的自动控制等方法实 现稳频。 3 频谱压缩技术 在相干光通信中，光源的频谱宽度也是非常重要的。只有保证光波的窄线宽， 才能克服半导体激光器量子调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。而且，其线 宽越窄，由相位漂移而出产生的相位噪声越小。 为了满足相干光通信对光源谱宽的要求，通常采取谱宽压缩技术。主要由两 种实现方法【1 5 】： ( 1 ) 注入锁模法，即利用一个单模工作的频率稳定、谱线很窄的主激光器的 光功率，注入到需要宽度压缩的从激光器，从而使激光器保持和主激光器一致的 谱线宽度及稳定性； ( 2 ) 外腔反馈法。外腔反馈法是将激光器的输出通过一个外部反射镜和光栅 等色散元件反射回腔内，并用外腔的选模特性获得动态单模以及依靠外腔的高q 值压缩谱线宽度。 4 偏振保持技术 在相干光通信中，相干探测要求信号光束与本振光束必须有相同的偏振方 向，也就是说，两者的电矢量方向必须相同，才能获得相干接收所能提供的高灵 敏度，否则，会使相干探测灵敏度下降。因为在这种情况下，只有信号光波电矢 量在本振光波电矢量方上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。若 失配角度超过6 0 0 ，则接收机的灵敏度几乎得不到任何改善，从而失去相干接收 的优越性。因此，为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采用光波 偏振稳定技术。目前，主要有两种方法：一是采用“保偏光纤，使光波在传输 过程中保持光波的偏振态不变。但保偏光纤与普通单模光纤相比，其损耗较大， 价格比较昂贵；二是使用普通单模光纤，在接收端采用偏振分集技术【1 6 】。 5 中频放大技术 在相干光通信中，中频放大的技术也是非常重要的。因为中频信号的频率是 本振光与信号光的差频，而通常本振光的频率很高，所以中频放大器是一个宽带 高频放大器。又由于它位于接收机的最前端，这就要求它是低噪声的，并且噪声 系数越小越好。为了抑制后面各级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，但 为了不使后面的混频器过载，产生非线性失真，它的增益又不宜过大。放大器在 工作频段内应该是稳定的。同时，它所接收的信号是很微弱的，所以中频放大器 4 北京邮电大学硕士学位论文 必定是一个小信号放大器。而且由于受传输路径的影响，信号的强弱又是变化的， 在接收信号的同时又可能伴随许多强干扰信号输入，因此要求放大器有足够的线 型范围，而且增益最好是可调节的。最后，中频放大器一般通过传输线直接和滤 波器相连，放大器的输入端必须和他们很好的匹配，以达到功率最大传输或者最 小的噪声系数，并保证滤波器的性能。 除了以上关键技术外，对于本振光和信号光之间产生的相位漂移，在接收端 还采用相位分集接收技术以消除相位噪声；为了减小本振光的相对强度噪声对系 统的影响，可以采用双路平衡接收技术；零差检测中为了保证本振光与信号光同 步而采用的光锁相环技术，以及用于本振频率稳定的a f c 等。 1 2 相干光通信系统中的接收机 光接收机的任务是把发送端通过光纤传来的微弱光信号检测出来，然后放大 再生成原来的电信号。对光接收机的基本要求是：应具有较高的灵敏度，以适应 长距离通信的要求；应具有较大的动态范围，以适应各种通信距离的要求。光接 收机作为光纤通信系统的关键器件之一，其性能直接影响系统的传输距离和误码 率等传输指标。 根据检测方式的不同，光接收机大致分为两类：直接检测接收机和相干接收 机。因为直接检测光接收机结构简单，成本低，所以得到普遍采用，但是它灵敏 度不高，频带利用率低，不能充分发挥光纤通信的优越性。但相干接收机具有灵 敏度高，中继距离长，选择性好，通信容量大，具有多种调制方式等众多优点， 因此具有良好的应用前景。 相干接收机与直接检测接收机相比，最主要差别是增加了本地振荡光源。相 干接收机的组成框图如图1 - 1 所示。本振光与接收的信号光经光耦合器混合在一 起，这时信号从光载频( 在1 5 5 9 a l 时约为2 0 0 1 h z ) 下变频到微波载频( 通常只 有几g h z ) ，随后经光检测器探测到信号的中心频率对应于中频名，它是信号光 与本振光的频率差。然后中频信号经中频放大器放大后再进行解调，就可以得到 基带信号输出。如果信号光与本振光的频率相等，即扉= o ，这种检测称为“零 差检测。若信号光与本振光的频率不同，即名o ，则称为“外差检测 。 信 信号 图1 - 1 相干接收框图 不过，相干接收机比直接检测接收机更容易受到强度噪声的影响。因为在相 5 北京邮电大学硕士学位论文 干接收机中，本振光的相对强度噪声可以对系统产生较大的影响，随着本振光功 率的增大，相对强度噪声也增加，信噪比会下降，除非增加信号光功率可以补偿 接收机噪声的增加。为降低强度噪声对系统的影响，可采用平衡接收的方法，如 图1 2 所示。从耦合器输出的两个支路光信号强度相等，相位相反。当两个探测 器上的光电流相减时，其中的直流分量被完全消掉，而强度噪声主要与光电流中 的直流份量有关，这样强度噪声基本上可以消除。采用平衡相干接收技术的难点 在于要选取两只性能几乎完全相同的光电探测器，并且要采用光延时线使两个支 路光信号同时到达光电探测器，这样才能保证经两光检测器探测的光电流大小相 等，相位相反的前提条件。 信号 信号光 3d b 叫光探测器卜j 。 处理 本振光 耦合器 1 3 论文主要工作 图1 - 2 平衡相干接收 本文的主要研究内容是设计了用于相干接收中处理基带信号的高灵敏度宽 带光接收机，对影响平衡相干接收机的性能的因素进行了仿真分析，以及仿真分 析并设计了相干接收机中的中频放大器。 本文第二章首先根据高灵敏度宽带光接收机设计要求，讨论了光接收机的设 计方案。随后根据设计方案中选取的芯片的电气特性，设计光接收机的原理图。 在原理图的指导下设计光接收机的p c b 板，并分析在光接收机p c b 设计中需要 重点考虑的因素。最后搭建实验平台，对光接收机进行硬件调试，最终由示波器 和误码仪测量实验结果。 本文第三章首先研究了相干检测的原理，分析了相干接收机的优越性，并讨 论了同步和异步两种相干解调方案。随后对采用异步解调的平衡相干光接收机进 行了仿真实验，定性分析了激光器的带宽，本振光功率和调制速率对光接收机性 能的影响。然后研究了相干接收机中的中频放大器设计方案，提出采用渐变线来 改善放大芯片的增益平坦度的方法。紧接着仿真分析渐变线对放大器性能的影 响，验证了通过合理调整渐变线的尺寸，可以显著提高放大芯片的增益平坦度。 最后按照仿真结果最优的渐变线尺寸，设计了中频放大器的p c b 板，最终利用 网络分析仪测量实验结果。 本文第四章对论文工作进行了总结并对其中的不足提出了改进意见。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章高灵敏度宽带光接收机的设计 从图1 1 可知，在相干接收机中，当信号光和本振光混频后的中频信号经过 放大和频带转换后，需要对解调出基带信号进行信号处理，恢复出原始信号。为 了深入研究对基带信号的处理，本文设计了应用于此方面的高灵敏度宽带光接收 机。 2 1 方案设计 由于要求接收机的速率在1 g b p s - - 2 7g b p s 的范围内，为了设计这样的宽带 光接收机，选用的组成光接收机的光电探测器( p i n ) ，前置放大器( t i a , t r a n s i m p e d a n t ea m p l i f i e r ) ，主放大器( l a ，l i m i t i n ga m p l i f i e r ) ，和时钟恢复 模块( c d r , c l o c kd a t er e c o v e r y ) 对信号的响应速率必须达到2 7 g p b s 。具体来 说，p i n 要能接收调制速率为2 7 g p b s 的光信号，t i a ，l a 及c d r 要能对速率 为2 7 g b p s 的电信号进行处理；其次，为了使光接收机具有灵敏度高的优越性能， p i n 必须要有较高的响应度，t i a 引入的噪声要尽可能小，而且有一定的动态范 围，c d r 的时钟抖动也必须小；最后，这些芯片及器件的输入输出电平方式要 能互相匹配，并且最好都采用相同的电源以简化设计。 基于以上考虑，本设计选取由武汉邮电科学研究院( w ) 生产的p i n 和 t i a 集成的光电探测器，型号为p t c m 9 6 5 0 0 2 ；它能接收最高速率达2 7 g s 光 信号，响应度为o 8 5a w ，灵敏度有2 3d b m ，3 3 v 单电源供电，c m l ( 差分) 电平输出，输出电平为2 7 5 m v 。同样，本设计还选取a d v a n t a g ed e v i c e ( a d ) 公司制造的集成l a 的c d r 芯片，型号为a d n 2 8 1 2 ；它能恢复1 2 3 m b s 到2 7 g b s 连续速率信号，超出s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ，同步光纤网) 对抖动 传递产生容限的要求，运放的灵敏度为6 m v ，不需要外加参考时钟，提供c m l 电平输入输出，3 3 v 单电源供电。( 以上给出的芯片及器件的指标参数均为典 型值。) 因此，光接收机的原理框图设计如下： 广 p 广r 啼d a t u 竹纠p i n - t i a 目l a - c d rb 罢簋 i | _ 叫厂7 l l 八r l 一jnl j + c l k - n 图2 - 1 接收机设计原理框图 7 北京邮电大学硕士学位论文 之所以选择集成t i a 的p i n 型光电探测器和集成l a 的c d r 芯片，一是可 以简化设计，再则是能使光接收机各组成部分的兼容性更好，引入的噪声更小。 这样，通过对选取芯片及器件的精心设计，所研制成的光接收机能对 1 g b p s 2 7 g b p s 光信号进行光电转换，并将电信号放大，最终恢复出原始信号。 而且该光接收机的灵敏度的极限值能达到2 3 d b m 。整个光接收机采用单一电源 3 3 v ，器件及芯片之间采用c m l 电平输入输出方式，不需要任何电平转换。 2 2 原理图及p c b 设计 2 ，2 原理图设计 图2 2 光接收机原理图 光接收机的原理图设计如上图所示。原理图设计主要分为两个部分，一个是 针对p i n t i a 的设计，一个是针对l a c d r 的设计。由于p i n - t i a 特别容易受 到外界噪声的影响，因此在对它的原理图的设计过程中，给予它单独的“干净 的地平面，使它与其他地平面分离开来，而仅通过磁珠相连。由于p i n 需要一个 5 v 的反偏电压，所以采用了变压芯片l m l 0 8 5 ，它能将5 v 电压转换为3 3 v 电 压，只要将它的输入管脚接5 v 电源，输出管脚即为3 3 v 电压，这样只使用了 一个电源就能满足p i n 所需的5 v 反偏电压，又能满足芯片其他所有电源管脚所 需的3 3 v 电压。原理图为l a c d r 芯片的输出端设计了并联端接电路，以便与 北京邮电大学硕士学位论文 光接收机的输出接口更好的匹配。此外还为l a c d r 设计了l o s ( l o s so f s i g n a l ) 电路。l o s 电路是当输入信号幅度低于某- - f - j 限值发出警报( 亮起红灯) 的电 路，它既可以帮助排除电路故障，又能防止输出信号产生啁啾。原理图对整个电 路板的电源管脚都进行了高低频滤波处理。 2 2 2p c b 设计 高速信号有着更短的跳变时间，跳变时间越短意味着在高频范围包含的能量 越多。因此，高速器件和信号将辐射出更多的能量以至于产生更多的高频噪声。 所以，在高速系统中噪声的产生是考虑的主要方面。文中需要设计的光接收机具 有高速率，高灵敏度的特点，因此电路板设计是否恰当对噪声影响很大。高速信 号相应的高速边沿速率会导致振铃，反射和串扰。如果不加以抑制，这种噪声能 够严重得降低接收机的性能。所以除了合理的电路设计和高速元件选择外，运用 高速板设计技术对光接收机及其接口电路进行仔细的设计同样是接收机制作成 功和接收机能否正常工作的关键环节。 为了使接收机成功实现其性能指标，在高速板设计时应该从以下几个方面考 虑。 1 电源分配网络 高速板设计中最重要的考虑就是电源分配网络。为了得到低噪声电路，电源 分配网络必须是低噪声的。同时，电源分配网络必须为板上产生和接收的所有信 号提高返回路径。 ( 1 ) 作为功率源的电源分配网络 电源分配网络的目的是将电源准确地传送到板上每个器件的电源管脚，无论 它和电源入口处相对位置如何，设计的目标就是尽可能地减少电源分配网路的阻 抗。电源分配网络对系统噪声影响很大。可以利用电源总线网或是电源平面把电 源分配到整个电路板上。 考虑到设计的光接收机要具备宽带、高速的特点，因而在p c b 设计中采用 了多层电路板设计，利用电源平面来分配电源。设计的p c b 板一共有四层，如 图2 3 所示。线路层是t o p 和b o t t o m ，地层是g n d ，电源层是v c c ( 3 3 v ) 。在 进行p c b 设计时，分别将诸器件的电源和地管脚连接到电源层和底层。由于电 源平面遍及了p c b 板的全面积，它的直流电阻非常小。在电源平面上保持了v c c ， 并把它均匀的分配到各个器件上。电源平面也提高了一个近似无限的电流库，提 高了防止噪声以及屏蔽电路上逻辑信号的能力。在电源平面上，电流通路没有受 到限制，噪声电流被扩散开。电源平面的这种低阻抗特性使得电源平面比电源总 线平稳得多。 9 北京邮电大学硕士学位论文 t o p g n d v c c b o t t o m 图2 - 3p c b 板分层结构 由于p i n 光电二极管还需要一个5 v 的反偏电压v p d ，于是采用了电源总线 网分配电源v p d ，将电源电压v p d 和地g r o u n d 连接到p i n t i a 上。g r o u n d 是 为p i n t i a 单独划分的地层，以隔离外界对噪声敏感的p i n t i a 的影响。电源 总线网分配电源是一种价格便宜的馈电方法，它的走线应尽可能的宽，但是受到 电路板密度的限制，最好只在不需要均匀分配电源的应用场合使用。 ( 2 ) 线路噪声滤波 电源层本身并不能消除线路噪声，除了电源分配设计外，专门的滤波是需要 的。在光接收机及其应用板上这是由旁路电容器来完成的。 在紧靠电源线进入电路板的位置安放一个0 1 廿到1 0 心的电解电容器，它 不仅滤除来自电源的低频噪声，而且当电路中许多输出开关同时动作时，还可提 供额外的瞬态电流。 p c b 板上的元件还会在线路中添加高频噪声，为了在器件处滤除高频噪声， 应尽可能靠近每对电源和地安装一个l n f 到0 0 1 肛去耦电容器。 实际电容器由于本身的结构和所使用的绝缘材料不同，有着不同的等效串联 电感( e c l ) ，为了达到高频滤波的目的，必须使用低e c l 的电容器。在实际设计 中，对于光接收机这样的高速高密度小型电路板，通常采用陶瓷贴片电容器。 任一电容器都有一个有限的有效频率工作范围，因为电路板上同时存在高、 低频噪声，所以希望扩展这个工作范围。当将一个大电容值，低e c l 电容器和一 个小电容值，非常低的e c l 的电容器并联是，就能够做到这一点。这样可以显 著地扩展有效滤波频率范围。 因此对光接收机进行p c b 板设计时，在所有芯片及器件的电源管脚附近都 采用0 1 心和1 i l f 的陶瓷贴片电容对电源的高低频噪声进行滤波。 ( 3 ) 作为信号返回路径的电源分配网络 电流回路是每个设计中不可避免的部分。电源分配网络不仅为系统提供电 源，还为系统中的所有信号提供返回路径，这样电源分配系统就可以消除许多高 速噪声问题。 在高速设计中，考虑得最多的是信号跳变沿产生的能量。每当信号跳变时， 会产生交流，此交流需要一个封闭的回路。即如图2 - 4 ( a ) 和( b ) 所示，返回路径需 要由地或电源提供的完整的回路，这个回路能够由图2 似c ) 来表示。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 ( a )彻 a cg n d a cg n d ( c ) 图2 - 4 电流回路 每一电流回路皆含有电感，可以被认为是单匝线圈组。它们会加重振铃、串 扰和辐射。电流回路电感以及相联系的问题随着回路尺寸的加大而增加，因此较 小电流回路的尺寸可以减小这一问题。电源平面未给电流流动施加自然限制，这 样，返回信号能够沿着最靠近信号线的最小阻抗路径流动，这样可得到最小可能 的电流回路。这也是设计中采用电源平面的重要原因之一。 虽然电源平面比电源总线优越，但如果设计不当，这种优越性可能失效。尤 其是当返回信号自然路径断裂时，会迫使返回信号沿着断裂边沿流动，导致回路 尺寸加大。因此，在对p i n t i a 分割单独的地层时就注意了这一点。 2 传输线及其端接 通常当信号的传输延迟t 大于原始信号的跳变沿昧四分之一时，由于反射 和辐射的原因，会引起信号明显退化。为了减小这种退化，就应当将信号线当传 输线处理。并且，在传输线终点处需用匹配阻抗端接。不正确的端接传输线会导 致反射，使信号失真，在线路负载处的信号会产生振铃，从而损坏系统的性能、o ( 1 ) 信号传输线设计 事实上，对于光接收机这样的高速的装置，板上的所有高速信号线都作传输 线处理。前置放大器和主放大器之间的信号线需使用可控阻抗传输线，这时用特 性阻抗端接信号线是很重要的。它可以防止反射信号进入前置放大器的输出。光 接收机和其应用板上接收器间的端口电路信号线也应同样处理。 可控信号传输线有两种：带状线和微带线。带状线虽然抗噪声能力强，但是 比较隐蔽，不容易利用，所以在设计中采用了微带线。由p i n - t i a 和l a c d r 的电气参数可知，高速信号管脚的输入或输出阻抗均为5 0 f l ，这就要求信号传输 线的特性阻抗也应为5 0 f l 才能与其匹配，从而减少反射，使能量利用效率最大， 产生的噪声最小。由于p i n t i a 和l a c d r 的输出信号线均采用了差分线结构， 所以它的差分阻抗应为1 0 0 ( 1 。差分线的结构示意图如图2 5 所示，h 是微带线与 地层之间的距离，w 是微带线的宽度，s 是差分线之间距离，d 是差分线与旁边 地之间的距离，t 是铜的厚度。设计中采用了高速r o g e r s 4 0 0 3 板材，介电常数为 3 3 8 ，所以当h = 8 m i l ，w = 1 0 5 m i l ，w l = 1 1 5 m i l ，t = 2 m i l ，d = 4 5 m i l ，s = 9 m i l ，e r = 3 3 8 时， 由阻抗计算软件计算得差分线的阻抗为9 7 3 3 f l ，误差在1 0 以内，实现了传输 线特性阻抗匹配的要求。 北京邮电大学硕+ 学位论文 烈 sd 睁 r - 、j - 1 lj w i 图2 - 5 差分线结构 ( 2 ) 信号传输线的正确端接 走线阻抗( z o ) 必须等于源阻抗( 磊) 或负载阻抗( 乙) 。阻抗失配会引起信号 在走线上来回反射，会在负载处造成电平上下摆动的振铃电压。 因此，必须采用一种技术来消除、至少减少这种反射。“端接 运用于沿着 传输线端接一个传输信号到线路的特性阻抗。通常，负载的输入阻抗一般很高， 输出驱动器阻抗很低。因此，有两种端接方法：较小z 。到z 0 来消除负载反射， 这时通过并联端来实现的；或增加磊到磊来消除源端的第二次反射，这是通过 串联端接来实现的。 v c e 回每 悃 【j n l ， ( a ) 并联端接( b ) 串联端接 图2 - 6 传输线的端接 在本设计中数据信号和时钟信号的输出电路中应用了戴维南并联端接电路， 如图3 - 4 ( a ) 所示，两电阻形成了一个戴维南电压分配器。戴维南电路被端接到特 性阻抗为z o = 5 0 f 2 ，即电阻局和是的并联等于z o 。考虑差分线的特性阻抗存在 一定的误差，令r = 1 6 9 f l ，咫= 1 0 0 q 。 3 串扰 串扰是平行走线问信号的有害耦合。串扰分两种：容性串扰和感性串扰。容 性串扰是指信号线间信号的容性耦合，当信号间距离彼此太近时就会发生。感性 串扰是指不希望有的互感器主次线圈间的信号耦合，互感器的线圈即为板上的电 流环。设计中采用了以下几种方法减小串扰： ( 1 ) 因为感性和容性串扰随着负载阻抗的增加而增加，所以，所有对串扰敏感的 线路应该以线路阻抗值端接。在光接收机的信号输出电路就采用了将1 6 9 f 2 和风= 1 0 0 并联端接的措施，这样既减少了输出端的反射，又有利于减少串 扰。 ( 2 ) 图2 7 示出了走线间隔和走线高度对走线耦合感应的影响，可以看出保持信 号线间足够的间隔可以减少信号线间能量容性耦合。同时走线高度限制在高 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 于地线平面1 0 r a i l 以内，也会显著减少串扰。因此本设计中，微带线的走线 高度为8 r a i l ，就是出于这种考虑。 乏缱栩曩 图2 - 7 走线间隔和走线高度对走线问耦合的影响旧 ( 3