大动态变化光信号接收技术

吴仲华，吴礼章

（1.皖西学院 信息工程学院，安徽 六安237012；2.中国电子科技集团 第八研究所，安徽 淮南232001）

1 引言

在光纤视频跟踪过程中，有时光纤要处于放线状态，在此过程中信道损耗会变化急剧，导致接收端检测到的信号幅度随机波动较大，用一般接收机接收时，容易产生误码，导致传输的数字视频信号及其它高速信号被错误解析。因而需要有高灵敏度和宽的动态范围、且同时必须能快速跟踪信号变化的接收组件，迅速恢复出信号逻辑电平，取得信号传送码。通过对传统的光接收组件进行分析，本文提出了一种满足大动态变化光信号接收技术方案，在信道光损耗连续变化情况下，该方案具有响应速度快和信号输出稳定等特点。

2 系统设计

光收发组件用于高速双向数字信号传输，对于一般通道而言，都要求接收组件灵敏度高、动态范围大且系统的误码率小。在本系统中，光接收组件设计主要考虑影响因素是由于光纤放线过程中，导致传输的光信道损耗变化急剧，恢复的电信号幅度存在漂移特点，因而要求产品不仅具有宽动态范围和高灵敏度，还需要具有对接收信号快速反应能力。

图1 接收组件框图

如图1所示，接收组件主要由光探测器、前置放大器（TIA）和限幅放大器（LA）组成［1］。前置放大器实现小信号前置放大，影响接收模块系统性能。限幅放大器主要用于将较小的电压信号放大到一个逻辑电平，从而来满足后端时钟数据恢复电路的要求。在接收模块中，限幅放大器不会太大影响到系统的性能，如灵敏度、饱和度等，一般主要由前置放大器决定。限幅放大器主要由缓冲电路、漂移补偿电路及多级放大器等构成，要求即使在最小的输入信号下，放大器的输出仍能够达到满摆幅。

跟踪系统传输的光经光电转换后的电信号在幅度上连续变化，但相位是连续的。经前置放大和限幅放大后，送到后端的时钟数据恢复单元（CDR）。根据接收信号幅度的变化特点，不能采用连续稳定信号的接收方式，需要对常用的接收方式进行处理。

3 交流（AC）耦合接收

在光纤通信中，根据前置放大器和限幅放大器之间的耦合方式进行分类，信号接收方式有两种：直流耦合方式和交流耦合方式［2］。直流耦合接收方式能对不同的突发包做到快速响应，正确判决数据，且灵敏度代价小，但是结构复杂，成本较高。在相对较小的接收信号波动下，采用交流耦合方式也能满足接收要求，同时简化电路设计，降低成本。

传统的光接收机接收主要采用交流耦合法，应用于幅度连续波动的信号接收时，需对交流耦合电路进一步改进才可以使用。这里考虑的问题不仅有传统连续稳定接收信号所遇到的问题，还有接收过程中信号幅度差异过大导致的问题。设计的主要思想是采用截止频率较高的交流（AC）耦合，加快信号电平的恢复时间，同时要考虑导致的抖动和基线漂移对灵敏度的影响。这里电容起耦合和滤波作用。接收到的光电转换后的信号幅度和信道损耗变化有关，直流成分和信号的幅度成正比。接收的信号从频域上进行分析，接收到的高速数据流可以看成是高频信号，数据流平均信号的变化可以认为是低频信号，因此，利用电容耦合接收的数据信号，相当于使用高通滤波器来滤除低频信号，通过高频信号。经过交流耦合的信号转换成可以用“0”电平作为门限电压的信号，从而完成判别门限恢复。

图2 交流耦合原理图

图2所示是交流耦合原理图，图中画出了前置放大器（TIA）的输出波形、经耦合电容后的输出波形和限幅放大器（LA）的输出波形（对于接收的幅度连续快速波动的信号，这里对信号采用分段式分析，假定信号是由一系列不同幅度的信号包构成），耦合电容C和电阻R1实质上是一个高通滤波器，TIA得到的电压信号通过高通滤波器后，不同幅度的数据会自动地对称分布在阈值电平的两端。由于耦合电容滤除了信号中的直流分量，此时阈值电平可直接看作为零电平。

对于耦合接收方式，主要是由电容C的取值确定。电容的大小决定其充放电时间的长短，要使其对输入数据进行快速反应，需要小的电容，这样耦合电容充放电时间短，反应时间提高，但此时因为低频截止频率fc＝1/2πRC，小电容会使低频截止频率增加，滤除的低频内容就会越多，引起严重的误码，严重的会导致误码率增加，尤其是在遇到长连“0”和连“1”的情况下，信号将发生较大的波形畸变。所以要对电容和传输码型进行合理的选择。

耦合电容C的计算方法如下：

（1）首先，从允许的信号低频失真来估算最小的耦合电容值。由前面讨论知道交流通路可以等效为一个高通滤波电路。所以存在低频截止频率公式：

其中：R为电容前输出电阻和电容后面输入的电阻的和。

（2）对于接收的幅度连续快速波动的信号，若对信号进行分段进行分析，可以认为是有一系列信号幅度的不同的包构成，同时，根据系统中选用了每字节都进行接收同步方式的特点，使得可以希望在足够短的时间内，快速实现逻辑电平检测，这段恢复时间长短，主要是由耦合电容充放电的时间以及包之间的幅度差决定的。放松恢复时间要求，可以选择较大的耦合电容，提高恢复时间要求，必须选择较小的耦合电容。对于保护时间的估计，可以假定在最坏情况下，在最大功率的信息包后紧跟着最小功率的信息包，此时恢复时间与截止频率，大小光幅度之间的关系如下：

其中：fc为截止频率；Δt为恢复时间。

采用交流耦合的最大好处，克服了直流耦合方式中的偏移和复位的影响，但是交流耦合电路的时间常数（即充放电时间）会导致接收机不能对变动较大的光功率的信号进行快速反应，其次是高通滤波电容的引入，滤除了数据中的低频内容，这样会导致信号劣化而引起码间干扰，特别是长连“1”和长连“0”信号时的衰变，提高接收灵敏度代价，需在降低基线漂移、抖动和电平恢复时间之间折中选择。在为解决这个问题而选用合适的耦合电容的同时，还需要使用适当的传输码型。

4 传输码型

适用于光纤传输的编码有多种，这里采用8B/10B短编码。即每个8位二进制码被转化为10位二进制码。作为分组码，8B/10B码型有很高的转换密度，从而可以保证比特流中数据的充分传输，并且频谱中的低频分量很小。这样，在AC耦合系统中，编码数据的频谱已知，所以可以使用一个适当的耦合电容来确保快速响应，而不使低频数据严重失真，从而得到低成本、高灵敏度的AC耦合接收机。

图3为交流耦合接收时，在相同信噪比、截止频率相同的情况下，从图中可以看出编码数据的误码率远低于非编码数据（PRBS）［3－4］。这主要是因为编码后的数据减少了信号中的低频成分，在对于相同的低频截止频率，信号能量被滤除的占信号总能量较少，信号的信噪比受到的影响小，所以误码率优于伪随机序列。

选用8B/10B码型还有如下几个方面的好处：

（1）减少直流电平的变化，提高再生判决的稳定性。

（2）较少平均光功率的变化，在带自动功率控制的光源中，提高输出光功率的稳定性。

（3）减少高、低频分量，可以减少码间干扰，减少光接收机的噪声带宽，提高光接收机的灵敏度。

（4）能给接收端提供足够的定时信息，避免长0和长1码出现。

图3 随机和编码数据的误码率及接收光功率关系对比图

5 实验结果

将设计的接收模块用于视频传输系统，利用带有可调光衰减器的光纤作为传输介质，快速变动光衰减器，利用图像显示器、光功率计和示波器测试得出：在传输速率达到600Mbps时，动态范围可达到32dB，光功率按照正常工作中的衰减变化速率变化，接收图像完好，如图4所示。

图4是利用光纤传输一段足球视频，在接收端分别采用本文的交流耦合方式和8B/10B编码技术与普通的接收方式获得的视频效果对比图，由图（a）、（b）的视频效果可以看出本文的接收技术要优于普通的接收技术。

图4 本文的接收方法和传统的接收方法视频效果对比图

6 结论

作为用于连续波动光信号的光接收器，采用交流耦合方式，应用8B/10B编码传输，简化了系统设计，降低成本，系统使用后工作正常，主要通信指标满足设计要求。

［1］J.W.Kwon，J.H.Lee，J.M.Baek，et al.AC－coupled Burst－mode OLT SFP Transceiver for Gigabit Ethernet PON Systems［J］.IEEE Photon.Technol.2005，7（21）：58－64.

［2］P.Ossieur，Y.C.Yi，J.Bauwelinck，et al.DC－coupled 1.25－Gbit/s Burst－mode Receiver with Automatic Offset Compensation［J］.Electron.Lett.2004，3（5）：83－91.

［3］S.Han，M.S.Lee.Burst Mode Penalty of AC2coupled Optical Receivers Optimized for 8B/10BLine Code［J］.IEEE Photon.Technol.Lett.2007，4（9）：127－132.

［4］S.Han，M.S.Lee.AC－coupled Burst－mode Optical Receiver Employing 8B/10BCoding［J］.Electron.Lett.2008，32（11）：391－397.