HFTA-09.0： T3/E3/STS-1 光纤扩展

本应用笔记将介绍设计T3/E3/STS-1光纤到铜介质转换器所需的条件。这种设备将获取铜信号并将其转换为光信号，通过光纤链路传输。一对转换器将透明地将T3/E3/STS-1信号扩展到其铜规格之外。例如，这允许在建筑物内长度限制之外使用 T3/E3/STS-1 信号。

介绍

通常，T3/E3/STS-1 信号在短距离内传输，但某些应用需要更长的距离。T3/E3/STS-1 光纤到铜转换器接收铜缆信号并将其转换为光信号，通过光纤链路传输。一对转换器将 T3/E3/STS-1 信号扩展到铜缆规格之外，允许 T3/E3/STS-1 信号在建筑物内长度限制之外使用。虽然 T3 信号的标准长度为 380m，E3 信号长度为 440m，STS-1 标准信号长度为 360m，但光纤连接可以达到数英里。但是，没有通过光纤传输 T3/E3/STS-1 的标准。典型设计可以包括使用 SC 或 ST 连接器的单模或多模光纤，以及不同的光学波长，例如 850nm、1310nm 和 1550nm。光学预算长度决定了工程师是否需要增强光学元件设计以满足最终用户的应用。

要通过光纤电缆传输数据，必须首先将信号从电域转换为光域。在接收器处，该过程被逆转。大多数设计为每个方向使用两根光纤束：Tx 和 Rx。然而，由于光的独特性质，可以使用光学双工器，以便在一根光纤上设计全双工连接，在两个方向使用相同的波长。本应用笔记讨论了一种简单的全双工系统，该系统使用两股单模光纤实现更长的距离。

STS-1 是同步光网络 （SONET） 中的基本传输单元。它是OC-1的铜基版本。STS-1也称为EC-1。T3 和 E3 都位于同步数字层次结构 （PDH） 中的第三个层次结构。表 1 说明了相应的比特率。

表 1.比特率与分层标准

 

比特率	等级制度
34.368Mbps （E3）	PDH
44.736Mbps （T3）	PDH
51.840Mbps （STS-1）	SONET

 

在时分复用（TDM）系统中，曼彻斯特技术通常用于时钟和数据一起进行线路编码/解码。至于光纤上光信号的调制，激光器/LED发射器/接收器对二进制1使用“亮起”，对二进制0使用“灯关闭”。由于光接收器检测来自光纤的信号并将其转换回电信号，因此必须在时钟和数据恢复之前放大它们。图1显示了光TDM系统的典型接收器和发射器对的框图。

图1.用于光纤TDM传输的典型接收器/发射器对。

光接收器性能

在光链路的接收端，PIN二极管或雪崩光电二极管（APD）光电探测器将接收到的光转换为电流信号。PIN二极管的工作电源与3.3V其他元件相同，比APD便宜。但是，对于接收到的给定光功率，PIN二极管发射的电子比APD少，因此如果需要将接收器放置在离发射器更远的地方，APD是更好的选择。与PIN二极管不同，APD需要一个偏置电路，这可能需要30V至100V范围内的反向工作电压。除了成本增加之外，APD还会给电路增加更多噪声，需要冷却。

光电检测器将输出电流输送到跨阻放大器（TIA）。TIA将该电流转换为电压，放大该单端电压，然后将其转换为差分信号。TIA 应在输入端提供较大的动态范围和高过载容限。必须降低TIA噪声，以提供接收因发射器老化和/或长传输距离而减弱的光信号所需的高输入灵敏度。需要高过载容限，以避免在存在强光信号时由于失真而导致的位错误。TIA的最大增益取决于其工作频率，只能在很窄的范围内进行优化，以确保稳定工作。TIA功能之后必须有一个后置放大器，通常称为限幅放大器（LA）。LA提供输出电压摆幅，其最大值与输入信号强度无关。

时钟和数据恢复 （CDR） 块位于 LA 之后。CDR 通过对来自 LA 的输入信号执行定时和幅度电平决策来重新生成原始时钟和数据流。集成时钟恢复电路面临的挑战是满足抖动规范建议。当叠加多个伪随机位模式序列时，可以在“眼图”中看到信号质量（见图2）。

图2.“眼图”说明了数据流的质量。

由于CDR必须接受一定量的输入数据抖动才能实现正常的无差错操作，因此线路端接和再生器应用中的所有接收器单元都必须符合抖动容限建议。抖动传输是指允许从CDR的输入传输到输出的抖动部分，抖动产生是由CDR本身产生的。在系统的每个阶段，恢复的时钟能够传输到下一个再生器，从而允许抖动贡献累积。线路终端接收器不需要满足抖动传输和抖动生成规范，因为重新生成的数据与系统时钟同步。

对于数据恢复，重要的是使用锁相环（PLL）将时钟与数据流同步，这将确保时钟与数据字的中间对齐。光接收器系统应包括调整时钟和数据之间相位关系的选项。这将有助于在接收数据信号出现不对称上升和下降转换的情况下最小化误码率（BER）。

光发射机性能

在光链路的发射端，激光二极管或LED将电位序列隐藏为光脉冲。第二和第三光学窗口通常用于在电信网络中通过标准光缆传输信息，如图3所示。在光学窗口内，信号受益于每单位光纤长度的色散和衰减较小。半导体激光管或 LED 由“激光驱动器”模块调制（见图 1）。

图3.第一、第二和第三光学窗口的衰减和色散。

直接调制半导体半导体激光二极管，如电吸收、分布式反馈和马赫曾德型，是一种具有高光谱纯度的光源，可以在第三个光学窗口中工作。因此，激光二极管是超长距离和/或非常高比特率的首选。所有用于直接调制的半导体半导体激光管都需要直流偏置电流来设置工作点，并需要调制电流来传输信号。直流偏置和调制电流的值取决于半导体激光管的特性，这些特性可能因类型而异。

为了补偿激光特性随时间和温度的漂移，激光驱动器必须保持初始调整的直流工作点。为了补偿，激光驱动器中通常集成了自动功率控制（APC）。为了检测实际的激光功率输出，内部监控光电二极管将激光转换为成比例的电流，并将其反馈给激光驱动器，以便与输出设定点进行比较。任何差异都会导致直流偏置电流根据需要增加或减少，以达到原始设定点。

可能还需要补偿由时间和温度引起的光信号强度变化。这可以通过额外的外部电路或集成的自动调制控制（AMC）来解决。AMC通常使用APC环路中已经存在的监控光电二极管。除了这些功能之外，系统还必须能够通过禁用驱动器来停止激光传输，而不会中断输入端的数据接收。

特定系统块

以下部分介绍一个完整的系统，该系统优化了上述标准，并在可用的情况下使用Maxim器件。图4显示了用于T3/E3/STS-1操作的光收发器的信号链。在光接收器侧，选择MAX3657作为TIA，其中输出的交流耦合较大，以减小漂移。MAX3645为LA，包含信号丢失检测器。LA之后所需的低通滤波器需要是四阶贝塞尔或线性相位LPF，其中3dB带宽设定点被选为所选比特率的80%。CDR 器件需要使用曼彻斯特解码并输出码标记反转/正发射极耦合逻辑 （CMI/PECL） 差分信号或单端时钟和数据。可能需要CMI/PECL差分至单端双极性时钟和数据转换器模块来调理DS3150 LIU的信号，以便从同轴线传输出去。

在光发送端，选择带APC的MAX3667作为LD。还需要一个单端双极性至CMI/PECL差分转换器，从同轴线路接收DS3150 LIU的时钟和数据流。图4中的系统仅显示了T3/E3/STS-1收发器的一侧。需要另一组才能允许全双工操作。有关具体设计程序，请参阅相应的数据表。如果光电二极管使用APD代替PIN二极管，则MAX1932可以提供偏置，并可由MAX1968控制。

图4.采用Maxim器件的光TDM传输收发器系统。

审核编辑：郭婷