大動態(tài)變化光信號接收技術(shù)

吳仲華，吳禮章

（1.皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 六安237012；2.中國電子科技集團(tuán) 第八研究所，安徽 淮南232001）

1 引言

在光纖視頻跟蹤過程中，有時光纖要處于放線狀態(tài)，在此過程中信道損耗會變化急劇，導(dǎo)致接收端檢測到的信號幅度隨機(jī)波動較大，用一般接收機(jī)接收時，容易產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)字視頻信號及其它高速信號被錯誤解析。因而需要有高靈敏度和寬的動態(tài)范圍、且同時必須能快速跟蹤信號變化的接收組件，迅速恢復(fù)出信號邏輯電平，取得信號傳送碼。通過對傳統(tǒng)的光接收組件進(jìn)行分析，本文提出了一種滿足大動態(tài)變化光信號接收技術(shù)方案，在信道光損耗連續(xù)變化情況下，該方案具有響應(yīng)速度快和信號輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光收發(fā)組件用于高速雙向數(shù)字信號傳輸，對于一般通道而言，都要求接收組件靈敏度高、動態(tài)范圍大且系統(tǒng)的誤碼率小。在本系統(tǒng)中，光接收組件設(shè)計(jì)主要考慮影響因素是由于光纖放線過程中，導(dǎo)致傳輸?shù)墓庑诺罁p耗變化急劇，恢復(fù)的電信號幅度存在漂移特點(diǎn)，因而要求產(chǎn)品不僅具有寬動態(tài)范圍和高靈敏度，還需要具有對接收信號快速反應(yīng)能力。

圖1 接收組件框圖

如圖1所示，接收組件主要由光探測器、前置放大器（TIA）和限幅放大器（LA）組成［1］。前置放大器實(shí)現(xiàn)小信號前置放大，影響接收模塊系統(tǒng)性能。限幅放大器主要用于將較小的電壓信號放大到一個邏輯電平，從而來滿足后端時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的要求。在接收模塊中，限幅放大器不會太大影響到系統(tǒng)的性能，如靈敏度、飽和度等，一般主要由前置放大器決定。限幅放大器主要由緩沖電路、漂移補(bǔ)償電路及多級放大器等構(gòu)成，要求即使在最小的輸入信號下，放大器的輸出仍能夠達(dá)到滿擺幅。

跟蹤系統(tǒng)傳輸?shù)墓饨?jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號在幅度上連續(xù)變化，但相位是連續(xù)的。經(jīng)前置放大和限幅放大后，送到后端的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)單元（CDR）。根據(jù)接收信號幅度的變化特點(diǎn)，不能采用連續(xù)穩(wěn)定信號的接收方式，需要對常用的接收方式進(jìn)行處理。

3 交流（AC）耦合接收

在光纖通信中，根據(jù)前置放大器和限幅放大器之間的耦合方式進(jìn)行分類，信號接收方式有兩種：直流耦合方式和交流耦合方式［2］。直流耦合接收方式能對不同的突發(fā)包做到快速響應(yīng)，正確判決數(shù)據(jù)，且靈敏度代價小，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。在相對較小的接收信號波動下，采用交流耦合方式也能滿足接收要求，同時簡化電路設(shè)計(jì)，降低成本。

傳統(tǒng)的光接收機(jī)接收主要采用交流耦合法，應(yīng)用于幅度連續(xù)波動的信號接收時，需對交流耦合電路進(jìn)一步改進(jìn)才可以使用。這里考慮的問題不僅有傳統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定接收信號所遇到的問題，還有接收過程中信號幅度差異過大導(dǎo)致的問題。設(shè)計(jì)的主要思想是采用截止頻率較高的交流（AC）耦合，加快信號電平的恢復(fù)時間，同時要考慮導(dǎo)致的抖動和基線漂移對靈敏度的影響。這里電容起耦合和濾波作用。接收到的光電轉(zhuǎn)換后的信號幅度和信道損耗變化有關(guān)，直流成分和信號的幅度成正比。接收的信號從頻域上進(jìn)行分析，接收到的高速數(shù)據(jù)流可以看成是高頻信號，數(shù)據(jù)流平均信號的變化可以認(rèn)為是低頻信號，因此，利用電容耦合接收的數(shù)據(jù)信號，相當(dāng)于使用高通濾波器來濾除低頻信號，通過高頻信號。經(jīng)過交流耦合的信號轉(zhuǎn)換成可以用“0”電平作為門限電壓的信號，從而完成判別門限恢復(fù)。

圖2 交流耦合原理圖

圖2所示是交流耦合原理圖，圖中畫出了前置放大器（TIA）的輸出波形、經(jīng)耦合電容后的輸出波形和限幅放大器（LA）的輸出波形（對于接收的幅度連續(xù)快速波動的信號，這里對信號采用分段式分析，假定信號是由一系列不同幅度的信號包構(gòu)成），耦合電容C和電阻R1實(shí)質(zhì)上是一個高通濾波器，TIA得到的電壓信號通過高通濾波器后，不同幅度的數(shù)據(jù)會自動地對稱分布在閾值電平的兩端。由于耦合電容濾除了信號中的直流分量，此時閾值電平可直接看作為零電平。

對于耦合接收方式，主要是由電容C的取值確定。電容的大小決定其充放電時間的長短，要使其對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行快速反應(yīng)，需要小的電容，這樣耦合電容充放電時間短，反應(yīng)時間提高，但此時因?yàn)榈皖l截止頻率fc＝1/2πRC，小電容會使低頻截止頻率增加，濾除的低頻內(nèi)容就會越多，引起嚴(yán)重的誤碼，嚴(yán)重的會導(dǎo)致誤碼率增加，尤其是在遇到長連“0”和連“1”的情況下，信號將發(fā)生較大的波形畸變。所以要對電容和傳輸碼型進(jìn)行合理的選擇。

耦合電容C的計(jì)算方法如下：

（1）首先，從允許的信號低頻失真來估算最小的耦合電容值。由前面討論知道交流通路可以等效為一個高通濾波電路。所以存在低頻截止頻率公式：

其中：R為電容前輸出電阻和電容后面輸入的電阻的和。

（2）對于接收的幅度連續(xù)快速波動的信號，若對信號進(jìn)行分段進(jìn)行分析，可以認(rèn)為是有一系列信號幅度的不同的包構(gòu)成，同時，根據(jù)系統(tǒng)中選用了每字節(jié)都進(jìn)行接收同步方式的特點(diǎn)，使得可以希望在足夠短的時間內(nèi)，快速實(shí)現(xiàn)邏輯電平檢測，這段恢復(fù)時間長短，主要是由耦合電容充放電的時間以及包之間的幅度差決定的。放松恢復(fù)時間要求，可以選擇較大的耦合電容，提高恢復(fù)時間要求，必須選擇較小的耦合電容。對于保護(hù)時間的估計(jì)，可以假定在最壞情況下，在最大功率的信息包后緊跟著最小功率的信息包，此時恢復(fù)時間與截止頻率，大小光幅度之間的關(guān)系如下：

其中：fc為截止頻率；Δt為恢復(fù)時間。

采用交流耦合的最大好處，克服了直流耦合方式中的偏移和復(fù)位的影響，但是交流耦合電路的時間常數(shù)（即充放電時間）會導(dǎo)致接收機(jī)不能對變動較大的光功率的信號進(jìn)行快速反應(yīng)，其次是高通濾波電容的引入，濾除了數(shù)據(jù)中的低頻內(nèi)容，這樣會導(dǎo)致信號劣化而引起碼間干擾，特別是長連“1”和長連“0”信號時的衰變，提高接收靈敏度代價，需在降低基線漂移、抖動和電平恢復(fù)時間之間折中選擇。在為解決這個問題而選用合適的耦合電容的同時，還需要使用適當(dāng)?shù)膫鬏敶a型。

4 傳輸碼型

適用于光纖傳輸?shù)木幋a有多種，這里采用8B/10B短編碼。即每個8位二進(jìn)制碼被轉(zhuǎn)化為10位二進(jìn)制碼。作為分組碼，8B/10B碼型有很高的轉(zhuǎn)換密度，從而可以保證比特流中數(shù)據(jù)的充分傳輸，并且頻譜中的低頻分量很小。這樣，在AC耦合系統(tǒng)中，編碼數(shù)據(jù)的頻譜已知，所以可以使用一個適當(dāng)?shù)鸟詈想娙輥泶_保快速響應(yīng)，而不使低頻數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，從而得到低成本、高靈敏度的AC耦合接收機(jī)。

圖3為交流耦合接收時，在相同信噪比、截止頻率相同的情況下，從圖中可以看出編碼數(shù)據(jù)的誤碼率遠(yuǎn)低于非編碼數(shù)據(jù)（PRBS）［3－4］。這主要是因?yàn)榫幋a后的數(shù)據(jù)減少了信號中的低頻成分，在對于相同的低頻截止頻率，信號能量被濾除的占信號總能量較少，信號的信噪比受到的影響小，所以誤碼率優(yōu)于偽隨機(jī)序列。

選用8B/10B碼型還有如下幾個方面的好處：

（1）減少直流電平的變化，提高再生判決的穩(wěn)定性。

（2）較少平均光功率的變化，在帶自動功率控制的光源中，提高輸出光功率的穩(wěn)定性。

（3）減少高、低頻分量，可以減少碼間干擾，減少光接收機(jī)的噪聲帶寬，提高光接收機(jī)的靈敏度。

（4）能給接收端提供足夠的定時信息，避免長0和長1碼出現(xiàn)。

圖3 隨機(jī)和編碼數(shù)據(jù)的誤碼率及接收光功率關(guān)系對比圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的接收模塊用于視頻傳輸系統(tǒng)，利用帶有可調(diào)光衰減器的光纖作為傳輸介質(zhì)，快速變動光衰減器，利用圖像顯示器、光功率計(jì)和示波器測試得出：在傳輸速率達(dá)到600Mbps時，動態(tài)范圍可達(dá)到32dB，光功率按照正常工作中的衰減變化速率變化，接收圖像完好，如圖4所示。

圖4是利用光纖傳輸一段足球視頻，在接收端分別采用本文的交流耦合方式和8B/10B編碼技術(shù)與普通的接收方式獲得的視頻效果對比圖，由圖（a）、（b）的視頻效果可以看出本文的接收技術(shù)要優(yōu)于普通的接收技術(shù)。

圖4 本文的接收方法和傳統(tǒng)的接收方法視頻效果對比圖

6 結(jié)論

作為用于連續(xù)波動光信號的光接收器，采用交流耦合方式，應(yīng)用8B/10B編碼傳輸，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本，系統(tǒng)使用后工作正常，主要通信指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

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