第8章TDMA无源光网络接入技术

1、宽带光接入技术 原荣 编著1 第第 8 章章 TDMA无源光网络无源光网络 接入技术接入技术 上行同步技术上行同步技术 突发模式发射突发模式发射 突发模式接收突发模式接收 测距测距 G.983.1规定的测距法规定的测距法 宽带光接入技术 原荣 编著2 8.1 上行同步技术上行同步技术 8.1.1 前言 8.1.2 相关同步技术 8.1.3 门控振荡法 8.1.4 数字环路振荡法 宽带光接入技术 原荣 编著3 8.1.1 前言前言 同步是数字通信的前提。同步有载波同步、比特（位）同同步是数字通信的前提。同步有载波同步、比特（位）同 步、字节同步、信元同步、帧同步和网同步等。在整个网步、字节同步、

2、信元同步、帧同步和网同步等。在整个网 络中，比特同步是其他同步的基础，同步失败不仅导致本络中，比特同步是其他同步的基础，同步失败不仅导致本 信元丢失，还会使帧同步丢失，造成全网通信中断。所以信元丢失，还会使帧同步丢失，造成全网通信中断。所以 比特同步在数字通信的信息传送和提取中占有十分重要的比特同步在数字通信的信息传送和提取中占有十分重要的 地位。地位。 由于由于PON是基带传输系统，所以不存在载波同步。在是基带传输系统，所以不存在载波同步。在 APON系统中，下行帧同步通过下行系统中，下行帧同步通过下行PLOAM信元中的帧信元中的帧 头信息获得，上头信息获得，上/下行信元同步采用信元定界实现

3、，因为下行信元同步采用信元定界实现，因为 下行方向信息流是连续的，所以下行比特同步可以使用传下行方向信息流是连续的，所以下行比特同步可以使用传 统的锁相环实现。但是上行比特同步由于其突发性变得相统的锁相环实现。但是上行比特同步由于其突发性变得相 对困难。对困难。 宽带光接入技术 原荣 编著4 图图8.1.1 PON系统各系统各ONU采用采用TDMA突发模式接入突发模式接入 传输是突发模式，必须采用测距程序控制每个传输是突发模式，必须采用测距程序控制每个ONU的发送时间，以的发送时间，以 便确保各便确保各ONU发送的信元在组成上行传输帧时不会发生碰撞。发送的信元在组成上行传输帧时不会发生碰撞。

4、ONU-1 ONU-2 ONU- 1N 1 2 N 10 km 12 N 上行光 接收机 OLT 20 km 2 km gapT TDMA 净荷 保护 时间 前 导 码 定 界 符 信元2 信元1 信元1 字节数 353 N 宽带光接入技术 原荣 编著5 比特和信元比特和信元/数据块同步数据块同步 在在PON网络中，把每个到达的网络中，把每个到达的ATM信元信元/数据块数据块 与与OLT的主时钟对准，就可以完成光线路终端的的主时钟对准，就可以完成光线路终端的 比特和信元比特和信元/数据块同步。因为数据块同步。因为ONU时钟不断地被时钟不断地被 锁定在锁定在OLT主时钟上，所以上行数据也不断地锁

5、主时钟上，所以上行数据也不断地锁 定在定在OLT主时钟上，因此主时钟可用于数据的再主时钟上，因此主时钟可用于数据的再 定时和低速时钟的产生。定时和低速时钟的产生。 必须对一个一个信元必须对一个一个信元/数据块进行相位对准，并在数据块进行相位对准，并在 每个信元每个信元/数据块的最后对相位对准电路复位。因数据块的最后对相位对准电路复位。因 为信元为信元/数据块之间被间隙分开，测距可确保在信数据块之间被间隙分开，测距可确保在信 元元/数据块间隙期间完成复位，复位信号可从主时数据块间隙期间完成复位，复位信号可从主时 钟直接得到。钟直接得到。 宽带光接入技术 原荣 编著6 8.1.2 相关同步技术相关

6、同步技术 在在PON系统中，下行信号是连续的数据流，系统中，下行信号是连续的数据流， ONU利用锁相环从中提取时钟，所以利用锁相环从中提取时钟，所以OLT 精确地知道上行信号的速率。精确地知道上行信号的速率。 此时，此时，OLT可以用预置的关键字对接收到可以用预置的关键字对接收到 的输入信号中的关键字进行相关运算。的输入信号中的关键字进行相关运算。 从运算结果判定接收信号相位的同步方法从运算结果判定接收信号相位的同步方法 称为相关同步。称为相关同步。 宽带光接入技术 原荣 编著7 图图8.1.2 四相位相关检测突发同步电路组成原理图四相位相关检测突发同步电路组成原理图 相位 探测 滤波 同步码

7、 相关检测 相关检测 相关检测 相关检测 采样判决 采样判决 采样判决 采样判决 上行突发 数据输入 四相位时钟产生器 主时钟 数据 控制 关键字 数据 控制 数据 控制 数据 控制 (信头含有关键字) 主时钟 clk0 90 180 270 由延迟锁相环组成的 复位 时钟 信元末端 选 择 器 数据 时钟 测距计数 关键字 位置 OR 移位寄存器 o o o 宽带光接入技术 原荣 编著8 图图8.1.3 用多个移相时钟对接收到的上行同步码采样用多个移相时钟对接收到的上行同步码采样 1 0 01 1100000 1 1 关键字 10 ( e )选择器取出最佳时钟 90o作为同步信号() 选择器

8、 主时钟 数据 接收到的 上行同步码 时钟0o 时钟90o 时钟180o 时钟270o NRZ 各时钟 上升沿取样值 相关检测 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) (关键字) 选择器 相关检测器 选择器 选择器 宽带光接入技术 原荣 编著9 图图8.1.4 数据流的取样值与关键字没有对准并存在噪数据流的取样值与关键字没有对准并存在噪 声时，也有可能与预置关键字相关出现误识别声时，也有可能与预置关键字相关出现误识别 11010100 110111 00 100101 00 预置的关键字 ( a ) ( b ) ( c ) 判决正确 完全对准 没有完全对准 比特判决正确 比特判错 错判

9、 错判 噪声 OLT 接收到的关键字 7 1 11001011 11001011 11010111 ( d ) ( e ) ( f ) 判决正确 完全对准 没有完全对准 判决正确的比特 少于 个 移位寄存器 亚稳态引起 采样判决 错判 错判 错判 错判错判 7 预置的关键字 OLT 接收到的关键字 宽带光接入技术 原荣 编著10 图图8.1.5 动态延迟锁相环动态延迟锁相环(DLL)组成原理图组成原理图 数字 相位 检测 主时钟 clk090o 45o 270o225o 315o 有源 滤波器 (外接) . . 123876 宽带光接入技术 原荣 编著11 图图8.1.6 8级抽头级抽头DLL

10、产生产生8个个 差分时钟的相位关系差分时钟的相位关系(时钟时钟 频率为频率为622 Mb/s) 图图8.1.7 延迟锁相环延迟锁相环 的闭环响应的闭环响应 1 2 3 4 5 6 7 8 01.63.2时间 /ns T 抽 头 延 迟 线 0.25 0100200 时间 s 2.0 1.0 0.0 0.30 0.35 输入控制电流 数字相位 检测器输出 电流 电压/mA (V) 相位 锁定 条件 无需纠正 宽带光接入技术 原荣 编著12 8.1.3 门控振荡法门控振荡法 图图8.1.8 使用匹配门振荡器对使用匹配门振荡器对NRZ码突发数据流的码突发数据流的 时钟恢复电路原理图时钟恢复电路原理图

11、 数据 输出 恢复时钟输出 外部参考时钟 鉴相器 四分频器 滤波器 门控 振荡器 门控 频率控制 门控 振荡器 频率控制 门控 振荡器 频率控制 数据输入 + 数据 时钟 D A B C 频率 控制 控制门 门控振荡器构成 锁相环（PLL） 型 锁存器 门控 门控 门控 宽带光接入技术 原荣 编著13 图图8.1.9 门控振荡时钟恢复电路门控振荡时钟恢复电路 PLL锁定时各点波形锁定时各点波形 参考时钟 输入数据 门控振荡器 输出 门控振荡器 输出 恢复后的 时钟输出 再定时后的 数据输出 0.9000.9100.9200.9300.9400.9500.9600.970时间 ( s) A B

12、0.05s 宽带光接入技术 原荣 编著14 8.1.4 数字环路振荡法数字环路振荡法 数字环路振荡器（数字环路振荡器（DR-OSC）利用每个输入）利用每个输入 数据包中含有时钟信息的前导码恢复时钟，数据包中含有时钟信息的前导码恢复时钟， 然后用提取出的时钟恢复数据净荷。然后用提取出的时钟恢复数据净荷。 下面介绍用于下面介绍用于10 Gb/s光突发数据包时钟提光突发数据包时钟提 取电路的工作原理、构成和实验结果。取电路的工作原理、构成和实验结果。 宽带光接入技术 原荣 编著15 图图8.1.10 数字环路振荡器的工作原理数字环路振荡器的工作原理 它由两个它由两个AND/NAND门电路和电子延迟线

13、组成；门电路和电子延迟线组成； 该电路的同步时间是信号在环路中传输时间的该电路的同步时间是信号在环路中传输时间的2倍。倍。 输入前导码时钟输出 AND/NANDAND/NAND 正反馈负反馈 延迟线 延迟线 p t 宽带光接入技术 原荣 编著16 图图8.1.11 时钟恢复电路构成时钟恢复电路构成 时钟恢复电路由数字环路振荡器组成，它由输入数据缓冲时钟恢复电路由数字环路振荡器组成，它由输入数据缓冲 器、两个器、两个AND/NAND门电路、一个门电路、一个50 ps内部延迟缓冲器内部延迟缓冲器 和差分输出驱动器组成。和差分输出驱动器组成。 借助改变外部延迟线的长度，可以对谐振频率进行粗调；借助改

14、变外部延迟线的长度，可以对谐振频率进行粗调； 通过改变供给电压，也可以对其进行微调。当供给电压从通过改变供给电压，也可以对其进行微调。当供给电压从 3.5 V变化到变化到 4.5 V时，调谐频率变化约时，调谐频率变化约 10MHz。 输入 前导码 时钟输出 输入缓冲 输出缓冲 延迟缓冲 AND/NAND AND/NAND 宽带光接入技术 原荣 编著17 图图 8.1.12 测试数测试数 字环路字环路 振荡器振荡器 提取时提取时 钟能力钟能力 的系统的系统 框图框图 为了测试数字环路振荡器从接收到的突发数据包前导码中为了测试数字环路振荡器从接收到的突发数据包前导码中 快速提取时钟的能力，建立了一

15、个如图快速提取时钟的能力，建立了一个如图8.1.12所示的实验所示的实验 装置。装置。 主时钟 10GHz NRZ- 编码 MCS脉冲发 生器 1 脉冲发 生器 3 E/O 变换器 脉冲发 生器 2 可变 延迟线 衰减器 EDFA 数字环路 振荡器 OR IC 误码 检测 线性 放大 限幅 放大 0/180o MCS: Manchester R G 时钟 开销 净荷 未同步的 净荷数据 MCS码 NRZ (a) (b) (c) (d) 宽带光接入技术 原荣 编著18 图图8.1.13 10 Gb/s突突 发接收各发接收各 点波形点波形 数字环路振荡器在数字环路振荡器在4 ns内就提取出时钟，在

16、内就提取出时钟，在2 ns内内 输出有效的时钟。输出有效的时钟。 时钟 048121620 ns时间 开销 数据净荷 帧0 帧1 开销 输入光信号 数字环路 振荡器输入 提取出的 时钟信号 提取出的数据 净荷信号 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 宽带光接入技术 原荣 编著19 8.2 突发模式发射突发模式发射 8.2.1 光发射基础光发射基础 8.2.2 突发模式发射突发模式发射 8.2.3 发射延迟补偿发射延迟补偿 8.2.4 突发模式发射光输出功率控制突发模式发射光输出功率控制 8.2.5 外调制突发模式发射外调制突发模式发射 8.2.7 10.3 Gb/s突发模式发射机突

17、发模式发射机 宽带光接入技术 原荣 编著20 图图8.2.1 LD的输出功率和驱动电流的的输出功率和驱动电流的 关系关系 LD是一种阈值器件，即当驱动电流是一种阈值器件，即当驱动电流 大于阈值时，输出光功率和所加大于阈值时，输出光功率和所加 的偏流成正比，的偏流成正比， 图图8.2.2 对阈值电流反馈控制的对阈值电流反馈控制的LD 驱动电路驱动电路 当当LD功率增大时，反馈回路使阈值功率增大时，反馈回路使阈值 电流减小，从而使电流减小，从而使LD输出功率输出功率 减小，达到自动控制的目的。减小，达到自动控制的目的。 数据调 制电流 阈值电流 积分器 A + V ref PINLD +V + _

18、 数据 LD 模块 P 输 出 功 率 (mW) 驱动电流 (mA) 0 -10 25 IdIth P 65C O 0.5 Id P d 0.5 Pd 工作点 IbPth 宽带光接入技术 原荣 编著21 图图8.2.3 对阈值电流和数据脉冲峰值电流同时对阈值电流和数据脉冲峰值电流同时 进行反馈控制的进行反馈控制的LD驱动电路驱动电路 图图8.2.3 表示的表示的 LD驱驱 动电路动电路 除对阈除对阈 值电流值电流 进行反进行反 馈控制馈控制 外，又外，又 增加了增加了 一个反一个反 馈控制馈控制 回路回路 数据调制 电流产生 积分器 阈值电流 产生器 + A2 + _ 数据 PIN LD +V

19、 LD 模块 A1 Vref + _ A4 Vref + _ A3 + _ A5 + _ R R C C D (数据) (偏流) 峰值检测 宽带光接入技术 原荣 编著22 8.2.2 突发模式发射突发模式发射 与常规通信系统发射机一样，与常规通信系统发射机一样，G.983.1规定规定PON传输系统也采用传输系统也采用 NRZ编码，并进行扰码，以便确保编码，并进行扰码，以便确保50 %的占空比。的占空比。 在常规的连续模式光发射机中，当没有数据发射时，驱动电路在常规的连续模式光发射机中，当没有数据发射时，驱动电路 使偏置电流为使偏置电流为 如图如图8.2.1所示。但是所示。但是ITU-T G.9

20、83.1规定，当没有分配给规定，当没有分配给ONU发发 射时隙时，它不应发射功率到光纤中。射时隙时，它不应发射功率到光纤中。 在保护时隙期间，除用于激光器预偏置的最后两个比特外，在保护时隙期间，除用于激光器预偏置的最后两个比特外， ONU也不应发射功率到光纤中。也不应发射功率到光纤中。 在激光器预偏置期间，发射功率也只是在激光器预偏置期间，发射功率也只是“1”电平的十分之一。电平的十分之一。 所以所以ONU发射机不能采用平均值光功率控制电路，必须采用别发射机不能采用平均值光功率控制电路，必须采用别 的办法。的办法。 要求所有的要求所有的ONU在不发送数据时在不发送数据时LD处于完全关闭状态，换

21、句处于完全关闭状态，换句 话说，不允许在数据包第一个比特发送前把话说，不允许在数据包第一个比特发送前把OLT偏置在阈值上。偏置在阈值上。 当用脉冲信号驱动当用脉冲信号驱动LD时，处于关断状态的时，处于关断状态的LD不能马上响应数不能马上响应数 据包中的第一个脉冲，产生了一定时间的光发射延迟，我们称据包中的第一个脉冲，产生了一定时间的光发射延迟，我们称 为发射延迟。为发射延迟。 ONU发射机应该采取一定的措施减小和补偿突发发射机应该采取一定的措施减小和补偿突发 发射延迟。发射延迟。 dthb 5 . 0 III 宽带光接入技术 原荣 编著23 8.2.3 发射延迟补偿发射延迟补偿 (a) 零偏置

22、所有比特延迟零偏置所有比特延迟 展宽补偿展宽补偿 发射数据包的所有发射数据包的所有“1”比特都比特都 引入开关时延，引入开关时延，LD在在 I = 0 和和 I = Ion 两种状态下交两种状态下交 替变化替变化 (b) 第第1个比特预展宽补偿个比特预展宽补偿 发射数据包的第发射数据包的第1个比特引个比特引 入发射延迟，除第入发射延迟，除第1个和最个和最 后后1个比特外，个比特外，LD在在I = Ith 和和I = Ion两种状态下交替变两种状态下交替变 化化 I0Ib= Ion del t del t del t del t 开机延迟 Ith I Ion del t I0b= 宽带光接入技术

23、 原荣 编著24 图图8.2.5 对保护时隙的最后两个比特进对保护时隙的最后两个比特进 行预偏置以补偿发射延迟行预偏置以补偿发射延迟 在激光器预偏置期间，发射功率必须小于在激光器预偏置期间，发射功率必须小于“1”电平的十分电平的十分 之一。因之一。因ONU在发射数据信元在发射数据信元/数据块前，必须得到数据块前，必须得到OLT的的 准许，所以准许，所以ONU在发射信元在发射信元/数据块前已知道发射的确切时数据块前已知道发射的确切时 间，所以可以在保护时隙的最后间，所以可以在保护时隙的最后2个比特将个比特将LD预偏置，在预偏置，在 信元信元/数据块结束后再使数据块结束后再使 Ib = 0 。 I

24、th Ion 保护时间最后 个比特2 信元开始 . 信元结束 0Ib= Ion 开始预偏置 Ib =0 P 输 出 功 率 /mW 驱动电流/mA 0 IdIth Pd Pth 预偏置 /10 Pd Ib 宽带光接入技术 原荣 编著25 8.2.4 突发模式发射光输出功率控制突发模式发射光输出功率控制 图图8.2.6 LD温度稳定温度稳定ONU光功率控制电路光功率控制电路 数据调制 电流产生 阈值电流 产生器 + PINLD +V 数据 LD 模块 发射 延迟 补偿 电路 温 度 控 制 峰值功 率控制 热电制冷 热敏电阻 信元 包络 I= 0Ith或 信元 包络 数据 宽带光接入技术 原荣

25、编著26 图图8.2.7 峰值功率控制电路峰值功率控制电路 LD模块温度稳定电路保证发射光功率模块温度稳定电路保证发射光功率-驱动电流特性曲线不会驱动电流特性曲线不会 因温度的变化而发生畸变。在数据包传输期间，阈值电流发因温度的变化而发生畸变。在数据包传输期间，阈值电流发 生器被数据包的包络信号激活，在工作温度范围内它必须非生器被数据包的包络信号激活，在工作温度范围内它必须非 常稳定，因此不推荐使用单芯片常稳定，因此不推荐使用单芯片LD驱动电路。驱动电路。 微处理器 控制电路 AA 到阈值电 流产生器 取样/保持 从监控 来 信元包络 变换开始 变换结束 Ith D C 8 I =0Ion I

26、 =Ith0 放 电 保持 PIN 宽带光接入技术 原荣 编著27 8.2.5 外调制突发模式发射外调制突发模式发射 外调制方式不需要发射延迟补偿。消光比可达到外调制方式不需要发射延迟补偿。消光比可达到20 dB， 所以在数据包发射前后不需要对偏置电流进行控制，所以在数据包发射前后不需要对偏置电流进行控制，LD 发射电路简单，调制速率高，如果发射电路简单，调制速率高，如果EPON系统系统ONU上行调上行调 制速率为制速率为1 Gb/s，也很容易实现。，也很容易实现。 PINLD +V LD 模块 直流电流 发生器 A V ref 电吸收 调制器 电信号输入 调制光输出 A 宽带光接入技术 原荣

27、 编著28 8.2.7 10.3 Gb/s突发模式发射机突发模式发射机 下面介绍下面介绍10.3 Gb/s突发模式发射机，其开突发模式发射机，其开 关时间为关时间为6 ns，发射光功率为，发射光功率为3.3 dBm，消，消 光比为光比为8.0 dB，工作温度范围为，工作温度范围为070 oC。 该该ONU突发模式发射机采用阻抗可控制的突发模式发射机采用阻抗可控制的 直流耦合突发模式直流耦合突发模式LD驱动电路，工作波长驱动电路，工作波长 为为1 2601280 nm 宽带光接入技术 原荣 编著29 图图8.2.8 10.3 Gb/s突发模式发射机突发模式发射机 (a) 方框图方框图 (b) 测

28、量到的输出光功率测量到的输出光功率 和消光比与环境温度和消光比与环境温度 的关系的关系 光输出 阻抗可控 直流耦合线 1 310 nm TOSA 10.3 Gb/s突发模式发射机 驱动器 LD 高功率 DFB-LD 预偏置 数据 10 Gb/s PON MAC 缓存器 Vcc15 V 驱动器 LD TOSA 主电路Vcc23.3 V ImodIbias 前向反馈 电路APC 偏置电路 EEP- ROM 0102030405060 70 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 8.0 11.0 10.0 9.0 7.0 /dBm oC /dB 输 出 光 功 率 环境温度/ 消 光 比 宽带光接

29、入技术 原荣 编著30 10.3 Gb/s突发模式发射机介绍突发模式发射机介绍 LD驱动电路可以提供驱动电路可以提供1080 mA宽范围的驱动电流。偏置电路宽范围的驱动电流。偏置电路 可以提供稳定且开关时间很快的偏置电流。突发模式偏置电可以提供稳定且开关时间很快的偏置电流。突发模式偏置电 流的接通或断开由流的接通或断开由10 Gb/s PON媒质接入控制（媒质接入控制（MAC）产生的）产生的 预偏置信号控制。预偏置信号控制。LD调制电流和偏置电流被前向反馈调制电流和偏置电流被前向反馈APC电电 路控制，该控制电路和电子可擦除编程路控制，该控制电路和电子可擦除编程ROM（EEP-ROM） 连接，

30、连接，EEP-ROM用来存储用来存储070 oC工作温度范围内所对应的工作温度范围内所对应的 调制电流和偏置电流查找表。调制电流和偏置电流查找表。 APC电路适用于突发模式工作。阻抗可控电路适用于突发模式工作。阻抗可控DC耦合传输线插在耦合传输线插在 TOSA和和LD驱动电路之间。驱动电路之间。DFB-LD和驱动电路间的传输接口和驱动电路间的传输接口 包括一个设计理想的包括一个设计理想的RC网络和可变带状电缆，以便补偿网络和可变带状电缆，以便补偿 TOSA的寄生电感。的寄生电感。 由于直流耦合采用可控制的阻抗传输线，所以驱动电路既能由于直流耦合采用可控制的阻抗传输线，所以驱动电路既能 提供提供

31、10 Gb/s速率的大电流调制，又能提供快速的突发模式控速率的大电流调制，又能提供快速的突发模式控 制，而又不会发生发射波形的畸变。制，而又不会发生发射波形的畸变。 宽带光接入技术 原荣 编著31 8.3 突发模式接收突发模式接收 8.3.1 直流耦合突发模式光接收机 8.3.2 10 Gb/s 直流耦合突发模式光接收机 8.3.3 交流耦合突发模式光接收机 8.3.4 1.25 Gb/s交流耦合突发模式 EPON接收机 8.3.5 2.5 Gb/s 边检测突发模式 GPON光接收机 8.3.6 光差分检测突发接收 宽带光接入技术 原荣 编著32 8.3 突发模式接收分类突发模式接收分类 每个

32、每个ONU的的LD发射功率都相同，由于它们到发射功率都相同，由于它们到 OLT的距离互不相同，所以它们的数据包到的距离互不相同，所以它们的数据包到 达达OLT时的功率变化很大，如图时的功率变化很大，如图8.1.1所示。所示。 OLT突发模式接收机必须能够应付这些功率突发模式接收机必须能够应付这些功率 的变化，正确接收这些数据包，不管它们离的变化，正确接收这些数据包，不管它们离 OLT多远。多远。 通常有直流耦合、交流耦合和光差分检测三通常有直流耦合、交流耦合和光差分检测三 种方法处理这些功率变化，下面分别加以介种方法处理这些功率变化，下面分别加以介 绍绍 。 宽带光接入技术 原荣 编著33 对

33、突发模式接收机的要求对突发模式接收机的要求 快速响应的峰值检测，以便处理阈值的变化，也快速响应的峰值检测，以便处理阈值的变化，也 就是说，接收机电路的阈值必须在很短的时间内就是说，接收机电路的阈值必须在很短的时间内 跟随接收到信号的幅度变化；跟随接收到信号的幅度变化； ns级的切换，以使转移阻抗放大器（级的切换，以使转移阻抗放大器（TIA）的增）的增 益快速地跟随接收到的信号电平变化；益快速地跟随接收到的信号电平变化； 在两个连续数据块间设置最少的保护时间；在两个连续数据块间设置最少的保护时间； 以及时钟实时对准每个数据块前面的前导码，即以及时钟实时对准每个数据块前面的前导码，即 时钟和相位恢

34、复必须在数据块到来时很快完成。时钟和相位恢复必须在数据块到来时很快完成。 宽带光接入技术 原荣 编著34 8.3.1 直流耦合突发模式光接收机直流耦合突发模式光接收机 图图8.3.1 交流交流/直流耦合接收机比较直流耦合接收机比较 （a）常用交流耦合接收）常用交流耦合接收 机机用于连续信号接用于连续信号接 收收 （b）单端直流耦合接收）单端直流耦合接收 机机直流信号很容易直流信号很容易 使放大器饱和使放大器饱和 PIN +V V ref A z iin + _ 判决电路 前置放大 PIN +V V ref A z iin + _ 判决电路 前置放大 V out V out 宽带光接入技术 原荣

35、 编著35 图图8.3.2 直流耦合差分前置放大器直流耦合差分前置放大器 (a) 阈值阈值V ref 固定接收固定接收 机机-不能用于幅度不能用于幅度 不定的突发接收不定的突发接收 (b) 阈值阈值V ref自适应接收自适应接收 机机-可以用于突发可以用于突发 接收接收 PIN iin 前置放大 A z Vref + _ + _ 判决 电路 A + _ 限幅 放大PIN iin A z Vref + _ Vref 参考电压发生器 Q Q Vdec Vdec Voffset VEE in out + _ 判决 电路 D D A + _ 限幅 放大 D D 宽带光接入技术 原荣 编著36 图图8.

36、3.3 突发接收前置放大器输出波形突发接收前置放大器输出波形 V dec Q 无信号inI =0有信号 inIp 噪声 时间 V dec Q 无信号in I=0有信号 inIp 1 噪声 时间 V noise V offset V dec pin eff 2z +V offset pin eff 2 Iz -V offset 1 判决门限 I eff 2 1 z inIp 宽带光接入技术 原荣 编著37 图图8.3.4 突发接收机逻辑零偏置电压突发接收机逻辑零偏置电压 Voffset与判决输出信号的关系与判决输出信号的关系 (a) V offset太小，没有信号太小，没有信号 输入时会产生误码

37、输入时会产生误码 (b) Voffset太大，判决输出太大，判决输出 脉冲不对称，产生脉冲不对称，产生 PMD Q 时间 V dec 判决门限 D 误码 Q 时间 V dec 判决门限 D 窄宽窄 V offset 宽带光接入技术 原荣 编著38 图图8.3.5 实用直实用直 流耦合流耦合 突发接突发接 收机收机 用双极用双极ECL电路实现，当外部输入电容，包括光电二极管和电路实现，当外部输入电容，包括光电二极管和 封装为封装为0.5 pF时，时， 3 dB带宽为带宽为1.65 GHz，A1的反馈电阻的反馈电阻z 为为1 k ，用，用12 GHz f T BEST-1自匹配双极硅技术制成。判自

38、匹配双极硅技术制成。判 决电路是具有决电路是具有ECL 100 k硅双极硅双极IC芯片。芯片。 PIN 前置放大 z A + _ V ref A + _ A + _ 峰值检测 1 2 3 电压 放大 C 判决电路 + _ VT VT Q Q D D iin V offset产生器 CS 宽带光接入技术 原荣 编著39 图图8.3.6 直流耦合突发接收机各点波形直流耦合突发接收机各点波形 (a)光功率恒定数据流光功率恒定数据流 (b) 光功率变化数据流光功率变化数据流 VQ 2 1 out V inIp 光生电流 前置放大 输 出 峰值检测 输 出 判决电路 输出 光生电流 （ECL） 前置放大

39、 输 出 峰值检测 输 出 判决电路 输出 eff 2 1 z inIp （ECL） 判决电平 inIp 0 1234 ( )P 1 ( )P 2 inIp eff 2 1 z inIp VQ 判决 电平 丢失 电容放电 宽带光接入技术 原荣 编著40 图图8.3.7 提供粗测距信号的直流耦合突发提供粗测距信号的直流耦合突发 模式接收机方框图模式接收机方框图 利用直流利用直流 耦合制耦合制 成的突成的突 发模式发模式 接收机，接收机， 已成功已成功 地应用地应用 到工作到工作 速率为速率为 622 Mb/s的的 欧洲欧洲 BAF系系 统上统上 PIN iin 前置 放大 暗电流 补偿 取样/

40、保持 判决 电路 粗测距 信号缓存 峰值 检测 V noise 开 关 宽带光接入技术 原荣 编著41 AT&T即刻时钟恢复电路即刻时钟恢复电路 直流耦合突发模式接收机直流耦合突发模式接收机 AT&T也开发出了具有即刻时钟恢复电路的直流耦合突发也开发出了具有即刻时钟恢复电路的直流耦合突发 模式接收机，已应用于模式接收机，已应用于622 Mb/s光数据总线上。光数据总线上。 该突发接收机包含一个具有自动阈值电平控制和高速数字该突发接收机包含一个具有自动阈值电平控制和高速数字 量化器的差分转移阻抗前置放大器。使用量化器的差分转移阻抗前置放大器。使用InGaAs APD探探 测器，在比特率测器，在比

41、特率1.5 Gb/s、误码率、误码率10 9情况下，突发模式情况下，突发模式 接收灵敏度达到接收灵敏度达到 34 dBm，在伪随机信号和突发信号输入，在伪随机信号和突发信号输入 时动态范围均能达到时动态范围均能达到26 dB。 如果使用外调制器，接收机可以工作在如果使用外调制器，接收机可以工作在2 Gb/s速率下。在速率下。在 最坏情况下，阈值控制电路的复位时间最坏情况下，阈值控制电路的复位时间25.6 ns 25.6 ns 宽带光接入技术 原荣 编著48 图图8.3.14 BM-Rx使用的使用的BM-TIA芯片和芯片和 BM-LA芯片在组件板上的位置芯片在组件板上的位置 (a) BM-TIA

42、 IC芯片和芯片和PIN 探测器一起安装在蝶形组探测器一起安装在蝶形组 件上件上 (b) BM-LA IC芯片安装在芯片安装在 具有具有32个插针的个插针的QFN组组 件上件上 输出 10 Gb/s BM-TIA BM-LA 10 Gb/s PIN AGC具有快速的 宽带光接入技术 原荣 编著49 图图8.3.15 NTT用于用于 10 Gb/s PON系统的系统的 直流耦合突发模式直流耦合突发模式 3R 接收机接收机 该接收机使用的转移阻抗放大器该接收机使用的转移阻抗放大器(TIA)、补偿限幅、补偿限幅 放大器放大器(LA)和时钟和数据恢复电路和时钟和数据恢复电路(CDR) IC芯片芯片 是

43、使用是使用0.25 m SiGe BiCMOS技术和技术和PIN光电探光电探 测器一起单片集成的。测器一起单片集成的。 限幅放大器 （BM-LA） A 自动偏 移补偿 输出 时钟恢 复电路 时钟数据恢复 D (CDR) 锁存器 型 选通压控振荡器（G-VCD） 转移阻抗放大器 （BM-TIA） 增益 切换 PIN A R2 R1 宽带光接入技术 原荣 编著50 NTT 10 Gb/s PON接收机主要技术指标接收机主要技术指标 接收机灵敏度接收机灵敏度 18 dBm，动态范围，动态范围16.5 dB，响应时间，响应时间75 ns。 增益切换有两种模式：用于小信号电平的高增益和用于大信增益切换有

44、两种模式：用于小信号电平的高增益和用于大信 号电平的低增益，根据输入信号功率的强弱快速进行切换。号电平的低增益，根据输入信号功率的强弱快速进行切换。 使用一个外部复位信号初始化使用一个外部复位信号初始化TIA的增益切换模式和电平检的增益切换模式和电平检 测电路。测电路。 使用一个自动偏移补偿（使用一个自动偏移补偿（AOC）电路，快速和精确的提取）电路，快速和精确的提取 补偿量。补偿量。LA输出幅度恒定的脉冲信号送到输出幅度恒定的脉冲信号送到CDR电路，时钟电路，时钟 恢复电路（恢复电路（CRC）必须及时地完成与输入信号的相位同步。）必须及时地完成与输入信号的相位同步。 使用选通压控振荡器（使用

45、选通压控振荡器（G-VCO）及时地提取输入突发脉冲）及时地提取输入突发脉冲 的相位的相位见见8.1.3节节。在突发模式接收机中，在偏移补偿的过。在突发模式接收机中，在偏移补偿的过 程中，可能使输入信号的占空比发生变化（见图程中，可能使输入信号的占空比发生变化（见图8.3.4）。使）。使 用与非门（用与非门（NAND）构成的）构成的CRC电路检测输入脉冲信号的上电路检测输入脉冲信号的上 升沿，这样就使升沿，这样就使CRC与占空比的变化无关。与占空比的变化无关。 宽带光接入技术 原荣 编著51 突发信号光放大器在突发信号光放大器在PON中的使用中的使用 据据OFC 2008文献文献OWL4报道，在

46、报道，在10 Gb/s TDMA PON线路上，使用突发信号光放大线路上，使用突发信号光放大 器成功地实现了器成功地实现了15 dB损耗预算的改善，线损耗预算的改善，线 路总损耗预算可达路总损耗预算可达42.8 dB，如果再使用前，如果再使用前 向纠错（向纠错（FEC），线路总损耗预算还可提），线路总损耗预算还可提 高到高到50.4 dB。 实验中使用的光放大器是实验中使用的光放大器是0.98 m泵浦的增泵浦的增 益箝位掺镨光纤放大器（益箝位掺镨光纤放大器（GC-PDFA），该），该 放大器提供放大器提供17 dB增益。增益。 宽带光接入技术 原荣 编著52 8.3.3 交流耦合突发模式光接收

47、机交流耦合突发模式光接收机 在使用在使用TDMA 接入方式的接入方式的PON系统中，通常在系统中，通常在OLT使用使用 直流耦合突发模式接收机接收从离直流耦合突发模式接收机接收从离OLT距离各不相同的距离各不相同的 ONU发送来的光突发数据块。发送来的光突发数据块。 这种接收机要求具有对输入信号幅度快速响应的阈值控制这种接收机要求具有对输入信号幅度快速响应的阈值控制 器件，然而，阈值控制中的不适当的器件，然而，阈值控制中的不适当的DC偏置使脉冲畸变偏置使脉冲畸变 （见图（见图8.3.4），同时），同时DC偏置随温度和老化也在不断变化，偏置随温度和老化也在不断变化， 并且这种器件也非常贵。并且这

48、种器件也非常贵。 韩国韩国Sub Han等人用交流耦合方式实现了千兆比特以太网等人用交流耦合方式实现了千兆比特以太网 突发模式接收。他们使用突发模式接收。他们使用IEEE 802.3ah规范的规范的8B/10B编码，编码， 实现了快速响应，减少了实现了快速响应，减少了AC耦合带来的信号畸变。耦合带来的信号畸变。 下面介绍使用下面介绍使用 8B/10B编码编码1.25 Gb/s线路速率的交流耦合线路速率的交流耦合 突发模式突发模式PIN光接收机。接收灵敏度光接收机。接收灵敏度 27 dBm、保护时间、保护时间 74 ns。 宽带光接入技术 原荣 编著53 图图8.3.16 AC耦合突发模式接收机

49、耦合突发模式接收机 (a) 方框图方框图 (b) AC耦合高通滤波器的耦合高通滤波器的 输出波形输出波形 Rf PIN-TIA ffc 高通滤波器（HPF） 限幅放大器 LA 保护 时间 数据块1数据块 2 放电 时间 充电 时间 t V o 低频信 号畸变 宽带光接入技术 原荣 编著54 图图8.3.10 突发模式接收突发模式接收 机复位信号图机复位信号图 图图8.3.11 比特误码率与接比特误码率与接 收光功率的关系收光功率的关系 BM-LA 输入 保护时间 前导码 数据 前数据块结束 已检测到的突发信号 复位1 2 复位 3 复位 4 复位 复位 log (BER) 10 12 4 5

50、6 7 8 9 10 11 13161514 0.5dB /dBm BM-TIA BM-LA 输出 输出 接收光功率 比 特 误 码 率 宽带光接入技术 原荣 编著55 AC耦合突发模式接收机耦合突发模式接收机 图图8.3.16 （a）表示）表示AC耦合突发模式接收机的方框图，它耦合突发模式接收机的方框图，它 包含一个转移阻抗放大器（包含一个转移阻抗放大器（TIA）、一个）、一个AC耦合高通滤耦合高通滤 波器（波器（HPF）和一个限幅放大（）和一个限幅放大（LA）。）。 不管不管DC偏置电平如何不同，偏置电平如何不同，AC耦合使接收到的数据块信耦合使接收到的数据块信 号通过，而不让号通过，而不

51、让TIA的直流偏差信号通过。的直流偏差信号通过。 但是，这种方式对于突发模时应用也有它自己的缺点，因但是，这种方式对于突发模时应用也有它自己的缺点，因 为为AC耦合耦合HPF对接收到的信号频谱成分中的低频分量拒对接收到的信号频谱成分中的低频分量拒 绝通过，所以在长连绝通过，所以在长连“1”或长连或长连“0”的情况下，会产生信的情况下，会产生信 号畸变，于是常规的号畸变，于是常规的AC耦合接收机要求一个大耦合电容耦合接收机要求一个大耦合电容 来降低截止频率。来降低截止频率。 此时，由于大电容较长的充电和放电时间，接收机就不能此时，由于大电容较长的充电和放电时间，接收机就不能 对突发模式数据块的快

52、速功率电平改变作出响应。对突发模式数据块的快速功率电平改变作出响应。 宽带光接入技术 原荣 编著56 8B/10B编码的引入编码的引入 这种编码可以确保比特流中有足够多的高这种编码可以确保比特流中有足够多的高 低（低（1/0）电平切换（即不要出现长连）电平切换（即不要出现长连“1” 或或“0”），因而可以减小数据块中的低频），因而可以减小数据块中的低频 分量。分量。 因此，可以使用合适的耦合电容来实现快因此，可以使用合适的耦合电容来实现快 速响应，而不会引起显著的低频数据畸变。速响应，而不会引起显著的低频数据畸变。 图图8.3.16 （b）表示）表示AC耦合耦合HPF对两种突发对两种突发 模式

53、数据块的响应，选择电容值使前一个模式数据块的响应，选择电容值使前一个 数据块的充放电时间的轨迹在两个数据块数据块的充放电时间的轨迹在两个数据块 之间的保护时间内减小得足够小。之间的保护时间内减小得足够小。 宽带光接入技术 原荣 编著57 AC耦合突发模式接收机的实现耦合突发模式接收机的实现 使用市场上可以买的到的用于千兆比特以太网的使用市场上可以买的到的用于千兆比特以太网的 IC器件，韩国器件，韩国S. Han和和M. S. Lee制作了一个制作了一个AC耦耦 合突发模式接收机。在该接收机测试板上包含一合突发模式接收机。在该接收机测试板上包含一 个个InGaAs PIN-TIA组件（组件（XL

54、, XPD0125CT-001），）， 一个限幅放大器（一个限幅放大器（Maxim, MAX3268）和一个级）和一个级 间芯片电容。间芯片电容。TIA的反馈电阻是的反馈电阻是4 k ，具有自动，具有自动 增益控制（增益控制（AGC）环路，从而允许输入电流从）环路，从而允许输入电流从1 A变化到变化到1.5 mA。 交流耦合交流耦合HPF的低频截止频率被的低频截止频率被TIA的输出和的输出和LA 的输入电阻和电容决定。用网络分析仪测得总电的输入电阻和电容决定。用网络分析仪测得总电 阻是阻是234 ，用该电阻值并调节电容值来调节低频，用该电阻值并调节电容值来调节低频 截止频率。截止频率。 宽带光

55、接入技术 原荣 编著58 图图8.3.17 AC 耦合突发模式耦合突发模式1.25 Gb/s PIN接收机接收机 (a) 性能测试方框图性能测试方框图 (b) 比特误码率和接收光功比特误码率和接收光功 率的关系率的关系 1.25 Gb/s 291 伪随机 码发生器 编码器 8B/10B光发 射机 1.25 Gb/s fc=14.5 MHz fc=6.8 kHz 交流耦合 BM-Rx 常规交流 耦合接收机 测试仪 BER 47 pF 4 6 8 10 12 14 24302928272526 10 log (BER) /dBm接收光功率 宽带光接入技术 原荣 编著59 突发模式接收机在保护时间内

56、能够快速响应突发数据块的到来是非常重突发模式接收机在保护时间内能够快速响应突发数据块的到来是非常重 要的。为了找出接收机要求的最少保护时间，可以在要的。为了找出接收机要求的最少保护时间，可以在AC耦合电容的输出耦合电容的输出 端测试接收机对输入信号的瞬时响应，如图端测试接收机对输入信号的瞬时响应，如图8.3.18所示。光输入是所示。光输入是 8B/10B编码的编码的1.25 Gb/s数据块信号数据块信号 图图8.3.18 突发模式接收机突发模式接收机 AC耦合输出端响应耦合输出端响应 （f c = 14.5 MHz） 图图8.3.19 光功率代价和要求光功率代价和要求 的保护时间与低频截止频的

57、保护时间与低频截止频 率的关系率的关系 /dB 功 率 代 价 低频截止频率/MHz 4 3 2 1 0 10203040 200 150 100 50 0 要 求 的 保 护 时 间 /ns 74 ns 31 ns 5 mv/div P= 27 dBm 25 ns/div 保护时间 保护时间 200 mv/div P= 6 dBm 输出 信号 输入功率 输入功率 时间/ns 宽带光接入技术 原荣 编著60 8.3.4 1.25 Gb/s交流耦合突发模式交流耦合突发模式 EPON接收机接收机 韩国三星公司韩国三星公司J. M. Baek等人设计和研制出来用等人设计和研制出来用 于于EPON的的

58、1.25 Gb/s突发模式光接收机，该接收突发模式光接收机，该接收 机使用普通的平面雪崩光电二极管（机使用普通的平面雪崩光电二极管（APD）和低）和低 成本连续模式转移阻抗放大器（成本连续模式转移阻抗放大器（TIA），在数据），在数据 块间的保护带宽块间的保护带宽 896 ns时，时， APD接收到的光功率接收到的光功率 最大的数据块和最小的数据块的功率电平之比最大的数据块和最小的数据块的功率电平之比 （loud/soft ratio）为）为27.3 dB，接收机灵敏度为，接收机灵敏度为 33.3 dBm。 这种接收机可应用于这种接收机可应用于1:32分光比和分光比和20 km传输距离传输距离

59、 的的EPON系统。系统。 接收机使用的接收机使用的APD在增益在增益9倍时结电容、暗电流和倍时结电容、暗电流和 光带宽分别为光带宽分别为0.4 pF 、2 nA和和2.3 GHz。 宽带光接入技术 原荣 编著61 图图8.3.20 APD 交流耦合突发模式接收机交流耦合突发模式接收机 (a) APD 突发模式接收机突发模式接收机 及其测试系统框图及其测试系统框图 (b) APD突发模式接收机突发模式接收机 输入数据流输入数据流 ONU2 ONU1衰减器 衰减器 误码 率测 试仪 1.25 Gb/s APD-TIA LA 突发模式接收机OLT 100 pF Rf loud/soft t 前 导

60、 码 保护时间512 ns25.6 ns或 前 导 码 400 ns 870.4 ns64 弱信号： 长字节 前导码长 或6 dBm 强信号： 功率： 1 520长字节 9 dBm或 TIA实际上是一个电流实际上是一个电流/电压变换器，电压变换器， APD将入射光产生的光电流将入射光产生的光电流 I 送入送入TIA 的输入端，而的输入端，而TIA将该电流将该电流I转换为输出电压转换为输出电压 I R i，这里，这里R i为为TIA输入端输入端 和输出端跨接的反馈阻抗。经测试表明，在理想的和输出端跨接的反馈阻抗。经测试表明，在理想的APD灵敏度情况下，灵敏度情况下，5 脚晶体管封装的脚晶体管封装