微型CWDM设备的收发光模块设计探讨

［梁家胜］

微型CWDM设备的收发光模块设计探讨

［梁家胜］

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）系统，即稀疏波分复用系统，或称粗波分复用技术，作为一种经济实用的短距离WDM传输系统，在城域网应用中越来越受到大家的认可并已经实用化。CWDM可应用于大都市和城域接入网，在我国电信运营商有广阔的应用前景。CWDM设备中光收发模块是网络设备的核心器件，微型化设计是趋势，是提高网络可靠性和可维护性的必然途径。

CWDM 城域网 接入网

梁家胜

现任职广州汇信特通信技术有限公司，从事光电转换器，粗波分产品，光放大，光保护器等光通信产品研发工作，其中微型粗波分产品获得国家创新项目奖。

引言

在我国沿海发达地区，一些市话光缆纤芯使用率已达70%～80%；过去的城域网以SDH网络占主导地位，当时主要考虑传输话音，因此无论带宽提供还是接口种类，它们都难以适应传输新兴业务的需要；另一方面，现在越来越多的用户要求电信服务商提供端到端的波长或子波长出租业务。这些需求和现状正好可以用低成本的CWDM设备加以解决，而不必新增光缆和抛弃过去的设备，避免了挖地沟、埋管道等市政建设带来的麻烦和长时间的建设工期。在建设大城域网（BMAN）方面，用CWDM系统与高性能路由交换设备结合，可从路由交换端口直接驱动光传输设备，因此这种配置可方便地构成宽带IP城域网。

说明：

OTU--------光波转换单元，Optical Transform Unit

OPM----光保护模块，Optics ProtectionModule

CWDM---粗波分复用，Coarse Wavelength Division Multiplexing

DWDM--- 密集波分复用，Dense Wavelength Division Multiplexing

3R---------信号整型、放大、时钟再现。

MCU-----微处理器，Microprocessor Control Unit

CWDM系统中，微型CWDM设备的关键光模块有OTU发射模块和OPM接收模块，是CWDM设备中的重要器件，其设计方案和工艺方法是保证器件模块的可靠性和技术性能，从而保证设备系统的稳定运营。下面介绍一种微型CWDM光收发模块的设计方案。

1　OTU模块设计

1.1性能需求

① 实现波长转换。

② 速率满足9.8Gbit/s到12.Gbit/s范围内。

③ 信号得到3R整形。

1.2 OTU模块设计的框图（如图1）

图1　OTU模块设计的框

OTU模块主要由CWDM光收发模块，用户端收发模块，光传输的时钟，数据恢复控制电路，网管接口电路，指示电路，开关设置控制电路及信息状态电路等组成。

CWDM端的光收发模块接收来自远端的光信号，经CWDM端的光收发模块转换为电信号，经光传输的时钟，数据恢复控制电路进行信号处理和同步时钟整形后，将信号送至用户端的光收发模块，用户端的光收发模块将处理后的电信号转换的光信号送至用户端，同样，用户端传送过来的光信号以同样的方式转换后将处理后的光信号发送至远端CWDM/DWDM系统。

信息状态电路通过I2C总线的形式向网管提供OTU上的状态信息，同时光传输控制电路和网管接口电路通过网管接口向网管提供模块的工作状态及信号处理信息。

开关设置电路是对光传输控制电路进行相应的设置，以控制模块传输的工作状态。

指示灯电路相应指示模块及部分电路是否正常工作。

1.3 接收信号处理和发送信号处理

接收信号处理最重要是实现3R，3R即为信号整型、放大、时钟再现，其模块设计框图如图2。

图2　接收信号处理和发送信号处理的设计框

图2为接收信号处理和发送信号处理的设计框图，在接收信号处理链上，从光模块接收到的光信号，被送入可编程的均衡器，均衡器作用是通过编程，保障宽带接收，同时将输入信号调至一个目标值，使得限幅放大器有一个稳定的、宽带的输入信号。限幅放大器将信号放大之后送入CDR模块，CDR模块完成这样的功能：将信号进行整形，同时从输入信号提取信号时钟，将时钟再定时。CDR电路输出有两个信号，一个信号是时钟信号，另一个是数字信号。时钟信号分别送给高速数据缓冲器（FIFO）和数据锁相环消抖电路。数据锁相环消抖电路作用是根据当前的时钟，自动产生稳定的目标频率的VCO信号，把VCO频率送给FIFO电路。FIFO电路将接收到的数字信号、时钟信号及VCO频率信号进行重新组合，形成新串行信号，这信号经放大器放大，送给目标设备。

在发送信号处理链上，发送信号的处理方法与接收信号相同，只有不同的地方是发送信号处理链上的数据锁相环消抖电路，有两个信号时钟输入，一个是从发送信号提取的时钟，一个是接收信号提取的时钟。其目的是最终的发送信号，含有与接收信号的时钟同步。

1.4 模块的波长转换实现

波长转换实现主要由CWDM光收发模块，用户端收发模块组成。

CWDM端的光收发模块接收来自远端的光信号，经CWDM端的光收发模块转换为电信号，经光传输的时钟，数据恢复控制电路进行信号处理和同步时钟整形后，将信号送至用户端的光收发模块，用户端的光收发模块将处理后的电信号转换的光信号送至用户端，同样，用户端传送过来的光信号以同样的方式转换后将处理后的光信号发送至远端CWDM系统，从而实现了波长转换的目的。

1.5 OUT模块的作用

OUT模块是CWDM系统中关键模块，其作用是实现波长转换，信号3R处理。CWDM系统中主要是在一条光纤上靠不同的波长，传输不同的业务。有了OTU模块，将光波中的很多波长展开出来，传输更多的业务。

2　OPM模块设计

OPM模块设计结构图，如图3。

图3　OPM模块设计结构

光路1+1保护：OPM模块的发送端光路通过分光器分成两路，送入发送的线路端。两路接收光路通过光开关选择，选一路送入OPM模块，MCU根据指令或者两路接收光信号强弱来控制光开关选择。

光信号处理模块：将光信号进行放大，经过A/D转换器变成开关量的数字信号。

MCU和门阵列芯片组成网管接口电路，为网管控制OPM模块或者读取OPM模块数据提供数据通道。

图3中光信号处理模块部分原理方框图见图4。

图4　光信号处理模块设计结构

光电流经过对数放大器放大，送到电子开关，电子开关选择被测的通道接入低通滤波器，再由A/D转换器将光信号转变为数字信号，数字信号送至单片机。

关键器件是对数放大器：ADL5310，其内部结构图如图5：

图5　对数放大器内部结构

ADL5310功能、特性：

功能：ADL5310可同时对两路光路进行对数放大，放大之后两路独立输出。

特性：ADL5310输出电压/输入光电流曲线图6：

图6　ADL5310输出电压/输入光电流曲线图

可见ADL5310对数放大器输出电压与输入光电流采呈现线性关系。

PIN管的响应电流和输入光功率具有如下特性曲线图7：

图7　光电流-光功率曲线

由图7光电流-光功率曲线可以看出光功率与光电流也是近似线性关系，综合上两种特性的线性关系，得出对数放大器输出电压与PIN管输入光功率的关系，见图8。

图8　对数放大器输出电压/输入光功率曲线

可以看到输入光功率0-60dBm范围内对数放大器输出的电压跟输入的光功率是近似线性关系，从而保证了OPM模块对光功率监测的准确性。

3　结语

城域网的特点是传输距离较短，因此，低成本、易开通、应用灵活的CWDM为城域接入网与核心网的连接提供了全新的解决方案，设备的微型化，可靠性高。易于安装维护是CWDM设备的要求，故对CWDM的关键模块的设计是CWDM设备的关键所在，进一步改进和探讨其设计的合理性、稳定性，可靠性对城域网的发展有重要意义，对运营商的经营成本也有重要影响。

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.07.015