突发模式收发器芯片组的设计

厦门优迅高速芯片有限公司  李维中 刘文涛

摘要: 本文涉及与突发模式收发器相关的突发模式跨阻放大器、突发模式限幅放大器和突发模式激光二极管驱动器（BM-TIA、BM-LA和BM-LDD）的电路原理和特点。

一、 前言
由于新型宽带应用和需求的增多，发展迅速，带宽逐渐成为制约DSL用户宽带网性能的关键。采用PON（无源光网络）可以解决此关键。它具有高带宽及网络协议透明的特点，是一种点对多点的光纤传输和接入技术。已成为处理光通信控制中心的（Central Office）连接到最终用户的最后里程（the Last Mile）的首选方案。

从图一，无源光纤网络系统的结构可看出，局端（OLT）与用户端（ONU）之间只有光纤，光分路器（Splitters）等无源器件。节省了光纤资源，无需有源器件和设备，可有效降低网络成本。同时，因为结构简单，大大节省运营维护成本。

目前无源光网络（PON）已成为光纤到户FTTH（Fiber to the home）主要的网络结构。系统从OLT到ONU为下行方向。下行通信时用TDM模式把所有的数据包汇成一个数据流，通过光纤采用广播方式传送。在接收端，用户以适当的地址选择获得其所需的数据包。上行通信（从ONU到OLT）是相当困难的，因为多个用户都用同样的光纤进行传送。在任何时刻只允许一个用户能传送数据包到OLT。TDMA协议可用来保证上述的条件。也就是要求ONU在没有传送信号时处于关断状态，而在传送信号时要很快打开，这就时需要ONU支持特殊的突发模式发射器与接收器。因此，上行接入是系统设计的关键，而支持突发模式的收发器也就成为整个系统的重点和难点。

  在局端（OLT），激光驱动器LDD为连续工作模式，而跨阻放大器TIA和限幅放大器LA则需支持突发工作模式。在用户端（ONU），跨阻放大器TIA和限幅放大器LA支持连续工作模式，激光驱动器LDD需支持突发工作模式。

从图一和图二可了解到无源光纤网络的一般配置。其中有些芯片需采用突发模式的，如BM-TIA，BM-LA和BM-LDD三种芯片。本文将谈及这三种芯片的原理和特点。重点是突发模式激光驱动器BM-LDD。

以下主要讲述突发模式跨阻放大器（BM-TIA）、突发模式限幅放大器(BM-LA)和突发模式激光驱动器（BM-LDD）与连续工作模式激光驱动器的主要差别。

二、 突发模式TIA与突发模式LA
1. 突发模式TIA和一般TIA的主要差别在于：它必须应对没有直流分量的输入信号（要直流耦合）而且突发间的输出幅度变化要求大于30dB。有关输出基准偏移电压（output offset voltage）的问题可以留着待处理其后的BM-LA时再一起解决。也可以用以下所示的图三偏移检测电路来解决。

偏移控制：偏移控制电路能逐个地去除突发的输出偏移的机理是，在每次突发到来之前就把偏移（offset）调整好了。这种电路也称为"自适阈控制电路"（Adaptive Threshold control circuit）。

此电路是如何消除输出偏移电压的？现在我们先不管电流源IOS，当突发信息到来之前，峰值检测器被复位到放大器的两个输出端都输出共模电压。此时差分输出电压为0V。然后，突发的第一位"1"到达， VOP上升而VON下降。Vop的峰值存贮在峰值检测器内并反馈到放大器的输入端。当下一个"0"位到达时，峰值检测器的电压值会出现在VON输出端。因为RF’上没有电压降（没有输入电流），没有电压跨接在放大器输入端上，而且也没有跨接在RF的电压降（没有光电流）。因此，二个输出信号的峰值是相等的即输出偏移（output offset）就消除了。这种突发模式TIA的差分跨阻大约为2·RF。

啁啾控制（Chatter control）：对BMTIA，除了偏移控制以外，还有另一个麻烦。即突发之间的间隔时间太长，长时间没有接收到突发光信号，也就TIA的峰值检测器复位时间维持太长，那么放大器的噪声会与输出信号交迭而产生序列随机码，被称之为啁啾。

有一个办法可以解决这个问题，就是人为的利用电流源IOS引进小的偏移电压，见图三中的虚线部分。此偏置电压必须经大于峰值噪声电压以控制啁啾，但也不能太大，否则会降低灵敏度。

2. 突发模式LA和连续模式LA有什么差别？图四（a）示出单边连续模式LA，其输入信号通过交流耦合网络。数据信号被AC耦合网络的平均直流削波。因为连续模式信号是DC平衡的，其平均值相应于在眼图的垂直中心。假如我们用AC耦合来处理突发模式信号，如图四（b）所示的那样，其削波水平依旧是在信号的平均电平之上，但现在的眼图垂直中心部分会出现许多误码、脉宽畸变以及一些不合需要的后果。

在突发模式接收器的TIA和LA（也可包括CDR）必须是DC耦合，而且这些器件所产生的各种各样的偏移电压也必须是可控制的。就前面所述的BMTIA而言，如果由LA而产生的偏移不大的话则无需另加偏移控制电路。相反地，如果TIA没有偏移控制或是单端输出的话，那么LA就必须具有完成偏移控制的功能。

  图五示出一种具有削波控制的单端输出的LA。图中符号VSL代表削波的电平（Slice-level，可理解为单端输出信号的平均直流）。采用一种脉冲峰与谷检测器来分别地确定输入信号的最大值和最小值。其平均值由与之相匹配的电阻R和R’获得，并作为削波电平VSL。此电路总是在垂直眼图的中心削波输入数据信号与输入数据信号的平均值无关。为了准确地获取每次突发数据信号的脉冲幅度，此峰/谷检测器在每次突发间隔期间必须进行复位。必须牢记，在突发模式系统中，从一次突发到下一次突发，信号幅度发生很大变化情况是常见的。
如图一中所示的Loud/Soft Ratio（响/静比）较大。

三、 突发模式激光驱动器
激光驱动器有两种工作模式：连续模式激光驱动器，缩写为LDD；突发模式激光驱动器，缩写为BM-LDD。以下均采用缩写。所谓突发就是突然瞬间发送一批数据信息，发完就停，且停发时间可长可短，带有随机性。BM-LDD和LDD的主要差别在于：
（1） BM-LDD要求突发与停止突发期间具有很高的消光比。
（2） BM-LDD的自动功率控制（APC）具有保持功能，能确保正确地传送突发的数据信号。

1、 突发之间的消光比
突发模式发射器通常是用于多用户的网络。故要求在突发间隔期间不应有的光输出（干扰光）很低。例如，在PON系统中有32个用户，某一家的光数据信号输出在共用的传媒中就会受到其余31家干扰光输出的"污染"。这些背景光会减小光输出的消光比。一般情况下，对BMLDD而言，其突发之间的消光比应大于30dB。对突发期间内的消光比~10dB，和连续模式的LDD发射器的相似。
为达到如此之高的消光比，在二次突发之间激光器的偏流应尽可能地低（即工作点选择在刚好低于激光器阈值电流一点点）或者是零。在一旦突发发射时，偏流可以很快地增加上去，以减少导通延迟和抖动。此外，BMLDD为了在其它任何一家用户的下一次突发发射开始之前达到30dB的消光比往往在其激光二极管旁并联一个晶体管用来在突发发射结束时很快的去掉载流子（变暗）。

2、自动功率控制
 为了满足突发工作模式，突发模式激光驱动器BM-LDD采用了具有保持功能的自动功率控制电路（APC）。给自动功率控制电路可以保持上一个突发时序的自动功率控制电路的直流偏置值，这样在下一个突发序列出现时，可以较快的建立一个稳定的APC回路。以下三种方式可应用于突发模式APC。

（1）. 采用峰值检测器
如图六所示，从功率监控光电二极管来的电流经宽带TIA转换为电压，然后峰值检测器检测出与发射功率相对应的峰值。激光输出功率可调节直到峰值输出电压等于参考电压VREF为止。

 然而，图六的方法存在着些缺点：1）当长时间没有突发发射时，在下一个突发到来之前，模拟峰值检测器的输出会偏离实际上的峰值，会引起输出功率出现差错。2）运行在高速码率时，需要用快速的光二极管。3）运行在高速码率时，TIA和峰值检测器的功率消耗是相当突出的。

（2）.用一种积分与放电的电路和数字存储器来实现的突发模式APC。

这种APC可以克服上述的缺点，示于图七。功率水平被贮存在数字可上升/下降的计数器内，计数器所存的计数是不会随时间变化的。在电源开通时，它能保持住精确的功率水平。因此，在突发开始时输出功率的误差就可避免掉。在突发期间，可用"突发时钟"信号来增加或减小其功率水平。计数的增减可由上升/下降信号"u/d"来决定。产生的方法如下：在突发开始之前，电容器C（节点X）由复位开关SR放电简单的放一下电。在突发发射期间，光电二极管电流iPD(t)给电容器C充电（积分），而想要的峰值电流IREF由发射数据通过开关SD来调制而产生iREF(t)，即对同样的电容器C进行放电的放电电流。当突发发射结束的那一刻，电容器被充电产生的电压如下：

 
其中，IPD是光电二极管电流的峰值，突发期间内1的数目（number of ones），B是码率（bit rate）。比较器将此电压与OV（复位电压）进行比较。从上述公式可见这比较的结果只受IPD－IREF影响而与C、B和n1无关。如果这个差值是正的，计数器的计数逐步减小，如果是负的，则计数器的计数就逐渐增加。

（3）. 采用数字功率控制器APC
从上述的第二种方法可看到其精确控制功率的技术是和数字化的计数器存贮相关的。已涉及点数字技术。数字控制APC确实是好办法，以市场上可获得的BM-LDD为例作些说明，它还可以通过对Enable和Disable功能管脚的设置来实现非突发模式（连续模式），以增加芯片的兼容性和节省功耗。

   BM-LDD应具有三个主要部件，高速调制器、高速偏置驱动器和数字自动功率控制的激光偏置方块。器件功能示于图八。数字APC回路可自动补偿因环境温度和激光器寿命而引起的激光阈值电流的变化。数字APC由DAC（数字模拟变换）、DSP（数字信号处理）和ASP（模拟信号处理）三个部分组成。每当电源关断时，数字APC环路就复位。当电源再开通时，APC环路就自行完成初始化。初始化的时间一般为2.1－3.72μs与不同的设置状态有关。

数字APC的突发模式激光驱动器BM-LDD可应用于：FTTx宽带通信系统，无源网络（PON）发射器，APON、EPON和GPON上行发射器。

（4）. 某些连续模式的LDD经适当的外围电路修改后加上快速模拟开关可用作为突发模式。（对突发模式应用，激光驱动器与激光二极管必须采用DC耦合）

四、 小结
突发模式的特点就是其突发性，二次突发之间的时间间隔可长可短，而且突发还带有随机性。因此要求TIA、LA、LDD及CDR进入正常工作状态和结束工作状态的过程要快。它和连续模式有很大的不同，因为两者所采用APC方式不同，连续模式基本上就是个积分电路反馈，所以反应很慢。而突发模式采用的是脉冲峰值电平检测的办法，也有采用峰谷电平检测的办法。有的电路还采用了峰值和峰谷都检测的办法来实现突发模式电路。应达到如下的要求：

①高的Loud/soft ratio>30dB。②快速地响应数据包的首位信号。也就是要求减小其Turn-On和Turn-Off的时间。从毫秒减小到数十毫微秒。可用本文所提到的方法来实现。对突发模式接收器则要求有很高的灵敏度，可接受超低消光比的信号，灵敏度<-30dBm。

参考文献
1） Eduard S¨ackinger "Broadband Circuits for Optical Fiber Communication".
2） Eduard S¨ackinger et al. "15-mW, 155-Mb/s Power Control and End-of-life Detection", IEEE J.Solid-State Circuits Vol.35 pp269-275 Feb. 2000.
3) Yong-Hun Oh et al. "Burst-Mode Transmitter for 1.25Gb/s Ethernet PON Applications", the 30th international European Solid-State Circuits conference(ESSCIRC), pp.283-286 Lenven Belglium, Sep. 2004