電子通信論文點對點光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

　　本電子通信論文介紹了點對點光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方法，分別對LVDS信號，數(shù)字光收發(fā)機的設(shè)計，PCB的布局進行了詳細的介紹，并對設(shè)計中遇到的問題提出了解決方案并進行了實驗�？梢园l(fā)表電子通信論文的期刊有《無線通信技術(shù)》(季刊)創(chuàng)刊于1971年，由信息產(chǎn)業(yè)部電信科學技術(shù)第四研究所主辦。本刊是一本有關(guān)無線電通信領(lǐng)域的專業(yè)性技術(shù)刊物，國內(nèi)外公開發(fā)行。本刊堅持理論密切聯(lián)系實際，以實用化為主的辦刊方針，探討通信理論，提供技術(shù)成果，介紹技術(shù)標準，交流維護經(jīng)驗。

　　摘 要針對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)速度、距離和穩(wěn)定性等要求的不斷提高，設(shè)計了一種基于低振幅差分信號技術(shù)和光纖技術(shù)的點對點光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合LVDS 技術(shù)速率高、功耗低、噪聲低的特點以及光纖通信容量大、傳輸距離遠的優(yōu)點，解決了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)遇到的許多難題。對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計分別從設(shè)計方案、硬件實現(xiàn)兩方面進行了詳細研究和描述，并進行了實驗。

　　【關(guān)鍵詞】光纖通信 光電轉(zhuǎn)換 光收發(fā)模塊 低壓差分信號

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，一方面數(shù)據(jù)傳送量越來越大、傳輸速度越來越快，另一方面電子產(chǎn)品(特別是便攜式產(chǎn)品)對低功耗設(shè)計提出了更高的要求。低壓差分信號(Low Voltage Differential Signal，LVDS)技術(shù)是一個高速度(可達800Mbps以上)、低功耗、低噪聲的通用接口標準，它能夠在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域里解決高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。而LVDS技術(shù)的高速度低功耗也導致了其不能遠距離傳播，而光纖技術(shù)正可以彌補這一不足。點對點光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)便是基于LVDS技術(shù)與光纖技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)摹?/p>

　　1 系統(tǒng)概述

　　點對點光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主體為數(shù)字光收發(fā)一體機(數(shù)字光發(fā)送機和數(shù)字光接收機)，之間由10m單模光纖連接，安裝在測試主板上，設(shè)計框圖如圖1所示。

　　為了實現(xiàn)信號在光纖中的傳輸，需要先將電信號轉(zhuǎn)化成為光信號，之后再轉(zhuǎn)化成電信號發(fā)送到接收端來進行傳輸。數(shù)字光收發(fā)一體機由數(shù)字光發(fā)送模塊和數(shù)字光接收模塊組成，四路LVDS信號從數(shù)字光發(fā)送模塊輸入端輸入之后進行并串轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換，半導體激光器調(diào)制之后，輸出調(diào)制光信號，再輸入到接收模塊的光接收次模塊(Receiver Optical Subassembly，ROSA)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路，放大電路，電平轉(zhuǎn)換，最后進過串并轉(zhuǎn)換，輸出LVDS信號。

　　2 工作原理

　　2.1 LVDS的工作原理

　　低壓差分信號(LVDS)是一種新型的數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)，核心是采用極低的電壓擺幅差分傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸。LVDS 是目前高速數(shù)字信號傳輸?shù)膰�際通用接口標準，國際上有兩個工業(yè)標準定義了LVDS：ANSI/TIA/EIA-644(1995年11月通過)和IEEE1596.3(1996年3月通過)，LVDS驅(qū)動電路由一個3.5mA恒流源和四個MOS管驅(qū)動一對差分信號線組成，差分線終端電阻阻值100Ω，通過MOS管的開關(guān)實現(xiàn)差分電壓的350mV的擺幅，產(chǎn)生LVDS信號。

　　2.2 主要芯片

　　本系統(tǒng)采用美信公司的MAX3892和MAX3882A兩款高速芯片實現(xiàn)LVDS信號的并串及串并的轉(zhuǎn)換。其中MAX3892為并串轉(zhuǎn)換芯片，將四路并行622Mbps LVDS信號轉(zhuǎn)換為2.488GbpsCML信號輸出串行數(shù)據(jù)(TD+、TD-)給光模塊。串并轉(zhuǎn)換利用MAX3882A完成將1路2.488Gbps的串聯(lián)輸入CML信號轉(zhuǎn)換為4路LVDS信號。

　　激光器驅(qū)動芯片選用帶消光比控制的激光器驅(qū)動芯片MAX3738，適合于工作在傳輸速率為1Gbps到2.5Gbps的光纖網(wǎng)絡(luò)中。在激光管的正常使用期內(nèi)，自動功率控制(APC)可以將芯片維持一個恒定的平均光功率對溫度和壽命進行控制。

　　放大電路選用寬動態(tài)范圍跨阻放大器MAX3864和低功耗限幅放大器MAX3272。

　　3 設(shè)計與仿真

　　3.1 數(shù)字光發(fā)送機的設(shè)計

　　數(shù)字光發(fā)送機包括驅(qū)動電路、自動功率控制(APC)、激光器和并串轉(zhuǎn)換(光模塊)，以及信號接口和LED顯示(主板)。

　　并串轉(zhuǎn)換電路為MAX3892及外圍電路構(gòu)成，用于將并行信號轉(zhuǎn)為串行信號傳給后級驅(qū)動電路。MAX3892的頻率由CLKSET、RATESET和MODE設(shè)定，由于PCLKI±為622MHz，SCLKO±為2.488GHz，因此CLKSET接VCC，RATESET接地，MODE接VCC。反饋測試端SLBO+-接串并轉(zhuǎn)換芯片MAX3882的反饋輸入端，可實現(xiàn)對系統(tǒng)并-串-并轉(zhuǎn)換的測試。

　　驅(qū)動電路為MAX3738及其外圍電路，包括高速調(diào)制驅(qū)動電路、消光比控制偏置塊以及保護電路。MAX3738可以驅(qū)動15Ω的負載。OUT-端所需最小瞬時電壓0.7V時對應(yīng)調(diào)制電流為60mA，0.75V時對應(yīng)60到85mA。60mA以上的操作可以通過交流耦合或者激光器側(cè)足夠的電壓來滿足輸出電壓的要求。在速率達到2.7Gbps時，激光二極管陰極的任何容性負載都會降低其光輸出性能。因為偏置輸出直接接到激光二極管陰極，所以需要通過加一個電感來隔離來減少引腳周圍的寄生電容。

　　激光器選用四川光恒通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TOSA。主要參數(shù)如下：傳輸波長：1310nm，傳輸模式：單模，輸出功率：2mW，工作溫度：-40度～85度。光接口：FC/PC。

　　3.2 數(shù)字光接收機的設(shè)計

　　數(shù)字光接收機包括光電轉(zhuǎn)換PINTIA、前置放大、限幅放大電路、串并轉(zhuǎn)換電路以及信號接口和LED顯示。

　　放大電路選用寬動態(tài)范圍跨阻放大器MAX3864和低功耗限幅放大器MAX3272搭建放大電路。前置放大電路與PIN光電二極管直接相連，處于最前端的位置，是第一級有源電路。當激光照射到光電二極管上產(chǎn)生的信號微弱時，有用的信號可能被噪聲淹沒，無法有效輸出。根據(jù)噪聲系數(shù)計算公式：

　　，可知，NP主要由第一級放大器決定，所以前置放大電路對于設(shè)定整個探測器系統(tǒng)的噪聲系數(shù)十分重要。

　　串并轉(zhuǎn)換電路為MAX3882A及外圍電路，將1路2.488Gbps的串聯(lián)輸入CML信號轉(zhuǎn)換為4路622Mbps的LVDS信號。為保證“0”、“1”信號判別有效性，LVDS輸出信號差分峰-峰值電壓VP-P范圍250～400mV，高電平電壓VOH=1.475V，低電平電壓VOL=0.925V，滿足幅度要求。

　　MAX3882A的頻率由FREESET、LREF、SIS設(shè)定，如表1所示。

　　3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　3.3.1 PCB板的布局

　　由于尺寸的要求，器件的布局顯得尤為的重要，布局的好壞將直接影響布線的效果。在布局時需遵守一定原則。

　　(1)要有合理的走向。

　　(2)接地點選擇需要合理布置。

　　(3)線寬線距也要正確的選擇等等。

　　在布局時，將部分器件放在了頂層，包括一個SFP接口、MAX3892為主的并串轉(zhuǎn)換電路、MAX3738為主的驅(qū)動電路。底層電路包括一個SFP接口、前置放大器和限幅放大器以及MAX3882和周圍電路組成的串并轉(zhuǎn)換電路。

　　3.3.2 PCB板的疊層設(shè)置

　　為保證地層的完整性，分別設(shè)置LVDS和CML信號的地層GND1和GND2，LVDS和CML信號盡量分離，在不同的層布線。可采用4層板結(jié)構(gòu)：TOP(LVDS信號)-GND(CML信號)-VCC(CML信號)-BOTTOM(LVDS信號)。既保持了信號的分層，又保持了完整的信號回路。

　　3.3.3 保證阻抗匹配和阻抗連續(xù)

　　由于差分阻抗的不匹配會產(chǎn)生反射，有10%的阻抗不匹配就會產(chǎn)生5%的反射，所以要根據(jù)不同情況進行不同的匹配控制。LVDS通常用來傳輸高速數(shù)據(jù)信號， 要求具有快速變化的邊緣斜率， PCB 跡線要作為傳輸線看待， 長度超過2cm時應(yīng)該進行阻抗控制， 同時需要進行阻抗匹配， 其范圍為90Ω ～ 110Ω之間， 典型值100Ω。要選用表面安裝厚膜無引線貼片電阻(如0603或0805)， 盡可能靠近接收器放置。同時，阻抗不連續(xù)會使反射增加， 這會降低信號質(zhì)量并產(chǎn)生共模噪聲。共模噪聲不利于消除差分線的電磁效應(yīng)并且產(chǎn)生EMI。差分線對的兩根線的距離應(yīng)最小化， 以保證接收器對共模干擾的抑制。在PCB上， 這個距離應(yīng)保持恒定以避免差分阻抗不連續(xù)， 并使過孔數(shù)目最少。跡線需要轉(zhuǎn)向時使用弧形走線或45°走線， 不要使用90°走線。

　　為了保證阻抗的匹配，需要對PCB板上的線寬和線距進行計算。由于設(shè)計是4層板，單端阻抗50Ω，差分阻抗100Ω，進行計算后得單端線寬8mil，差分線線寬5mil，間距7mil。

　　4 實驗波形

　　圖3是輸入為30MHz情況下的實驗波形。從實驗結(jié)果上來看，該系統(tǒng)波形有輕微失真，基本符合要求。為達到622MHz的頻率還需進一步的改進與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。

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