3GSFP光发射模块设计原理与性能研究

2011-06-25袁丹

单片机与嵌入式系统应用 2011年10期

袁丹

（武汉理工大学信息工程学院，武汉 430070）

引言

在传统的演播环境中都是用同轴电缆传输未压缩数字视频信号，而3GSFP光发射模块的设计实现能使光纤代替同轴电缆进行信号传输。SFP光发射模块又称小型可热插拔光发射模块，它的作用是通过模块内的发射组件TOSA将电信号转换成光信号，使得信号可以用光纤进行传输。

当前，国内外光发射模块市场以2.5G为主，10G光发射模块和40G光发射模块也在迅速地发展。对于传输高清数字视频信号的SFP光发射模块，仅支持速率为1.485Gbps的1080i和720p视频信号，3GSFP的研究则针对全高清1080p视频信号，最高速率达2.97Gbps。

本文研究了3GSFP光发射模块，其作用是将速率为2.97Gbps的数字视频信号转换成光信号，用光纤传输代替传统的同轴电缆传输，不仅大大地节约了基础设备的资金投入，同时也给管理员维护升级带来了便利。

1 光发射模块基本原理

这里的3G指的是3GSDI串行链路标准。串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）是ITU－R BT.656以及移动图像和电视工程师协会（SMPTE）提出的串行链路标准，在演播环境中通过75Ω同轴电缆来传输未压缩的数字视频。该标准的第一版是SMPTE 259M。随着1080i和720p等高清视频标准的出现，对接口进行了调整以处理更高的1.485Gbps数据速率，由SMPTE 292M进行定义。幸运的是，为了支持1080p和数字影院等分辨率更高的图像质量，SMPTE批准了名为SMPTE 424M［1］的新标准，SDI数据速率达到了2.97Gbps，这一标准也称为3G SDI。

3GSFP光发射模块的设计要满足SFP MSA多源协议［2］和SFF－8472协议［3］的要求。该发射模块主要由 TOSA及LD驱动电路组成。TOSA即光发射组件，包括激光器LD和光电二极管PD，其作用是把光信号转换成电信号，而LD驱动电路用于驱动控制LD。首先，输入模块的电信号由LD驱动电路接收，并调制到LD的驱动电流上，驱动激光器发出带有数据调制信号的激光。LD驱动电路具备自动功率控制（APC）功能，可通过检测背光二极管产生的光电流来实现闭环控制。通过APC环路，LD驱动电路可动态调节LD驱动电流的大小。

作为发射模块的重要功能部件的选择，必须依据各类型光源器件的特点和匹配性能需求来进行选择和设计。常用光源的半导体发光器件主要有3种：LED发光管、FP激光器、DFB激光器。它们各自特点如下：LED发光管输出光功率低、发散角大、光谱宽、调制速率低、价格低廉，适合短距离通信；FP激光器输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合中距离通信；DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件使其只有一个纵模输出，性能优于FP激光器，成本较高，用于长距离通信。

3GSFP光发射模块主要用于在演播室环境中传输高清视频信号，传输距离不会超过10km。综合考虑，选择1310nm FP型激光器作为TOSA的激光器。

在LD驱动电路的设计上，采用MCU加外围电路的方式。MCU芯片采用ADN2873，该款芯片完全符合SFF－8472要求，工作速率为50Mbps～4.25Gbps，内带自动功率控制环路，3.3V供电，满足3GSFP光发射模块的数据速率要求。

2 光发射功能的主要性能研究

在光发射模块中，激光二极管是半导体器件。温度升高时，它的阈值电流增大，光功率－电流曲线斜率就降低。光功率－电流（PI）曲线如图1所示。

图1 光功率－电流（PI）曲线

设计光发射模块最重要的指标是模块的平均光功率和消光比［4］。要使所设计的光发射模块工作稳定，就要保证平均光功率和消光比维持在一个稳定的范围内。

平均光功率PAVG用公式表示为：

其中，P1表示高电平时最大光功率，P0表示低电平时最小光功率。APC环路通过调节偏置电流变化可以维持PAV的稳定。

消光比ER的公式：

要想稳定ER就要知道P1和P0。在知道平均光功率PAVC的情况下，由于光幅度功率PP－P是最大光功率与最小光功率的差值（即 PP－P＝P1－P0），因此，P1和 P0可以用PAVG和PP－P表示，即消光比的稳定与平均光功率和光幅度功率有关，在驱动电路中通过调节调制电流变化维持PP－P稳定。

ADN2873内部结构如图2所示。ADN2873内置APC自动功率控制环路，外接MPD背光二极管后形成一个闭环反馈回路。当输出平均光功率变化时，流过MPD二极管的电流也相应地发生变化，APC环路根据这种变化相应调整偏置电流大小，达到稳定平均光功率的目的。在ADN2873中，反馈电流IMPD就是引脚PAVSET到地的电流。设计时PAVSET外接电阻，反馈电流IMPD等于PAVSET端电压与该电阻的比值，而PAVSET端电压是芯片内部固定电压（为1.2V），所以只需要知道外接电阻的大小就能确定IMPD的大小。APC电路根据IMPD的变化自动调节偏置电流，保证平均光功率稳定。

图2 ADN2873内部结构图

同样，在引脚ERSET外接电阻RERSET。由图2可知，标准电压1.2V经过了100倍的放大，那么调制电流IMOD＝1.2V×100／RERSET。RERSET是热敏电阻，当模块温度改变时，热敏电阻改变电阻值以补充激光器随温度影响的变化，通过校准温度系数值来稳定调制电流，从而达到维持消光比稳定的目的。