本應用筆記將介紹設計T3/E3/STS-1光纖到銅介質轉換器所需的條件。這種設備將獲取銅信號并將其轉換為光信號，通過光纖鏈路傳輸。一對轉換器將透明地將T3/E3/STS-1信號擴展到其銅規格之外。例如，這允許在建筑物內長度限制之外使用 T3/E3/STS-1 信號。

介紹

通常，T3/E3/STS-1 信號在短距離內傳輸，但某些應用需要更長的距離。T3/E3/STS-1 光纖到銅轉換器接收銅纜信號并將其轉換為光信號，通過光纖鏈路傳輸。一對轉換器將 T3/E3/STS-1 信號擴展到銅纜規格之外，允許 T3/E3/STS-1 信號在建筑物內長度限制之外使用。雖然 T3 信號的標準長度為 380m，E3 信號長度為 440m，STS-1 標準信號長度為 360m，但光纖連接可以達到數英里。但是，沒有通過光纖傳輸 T3/E3/STS-1 的標準。典型設計可以包括使用 SC 或 ST 連接器的單模或多模光纖，以及不同的光學波長，例如 850nm、1310nm 和 1550nm。光學預算長度決定了工程師是否需要增強光學元件設計以滿足最終用戶的應用。

要通過光纖電纜傳輸數據，必須首先將信號從電域轉換為光域。在接收器處，該過程被逆轉。大多數設計為每個方向使用兩根光纖束：Tx 和 Rx。然而，由于光的獨特性質，可以使用光學雙工器，以便在一根光纖上設計全雙工連接，在兩個方向使用相同的波長。本應用筆記討論了一種簡單的全雙工系統，該系統使用兩股單模光纖實現更長的距離。

STS-1 是同步光網絡 （SONET） 中的基本傳輸單元。它是OC-1的銅基版本。STS-1也稱為EC-1。T3 和 E3 都位于同步數字層次結構 （PDH） 中的第三個層次結構。表 1 說明了相應的比特率。

表 1.比特率與分層標準

在時分復用（TDM）系統中，曼徹斯特技術通常用于時鐘和數據一起進行線路編碼/解碼。至于光纖上光信號的調制，激光器/LED發射器/接收器對二進制1使用“亮起”，對二進制0使用“燈關閉”。由于光接收器檢測來自光纖的信號并將其轉換回電信號，因此必須在時鐘和數據恢復之前放大它們。圖1顯示了光TDM系統的典型接收器和發射器對的框圖。

圖1.用于光纖TDM傳輸的典型接收器/發射器對。

光接收器性能

在光鏈路的接收端，PIN二極管或雪崩光電二極管（APD）光電探測器將接收到的光轉換為電流信號。PIN二極管的工作電源與3.3V其他元件相同，比APD便宜。但是，對于接收到的給定光功率，PIN二極管發射的電子比APD少，因此如果需要將接收器放置在離發射器更遠的地方，APD是更好的選擇。與PIN二極管不同，APD需要一個偏置電路，這可能需要30V至100V范圍內的反向工作電壓。除了成本增加之外，APD還會給電路增加更多噪聲，需要冷卻。

光電檢測器將輸出電流輸送到跨阻放大器（TIA）。TIA將該電流轉換為電壓，放大該單端電壓，然后將其轉換為差分信號。TIA 應在輸入端提供較大的動態范圍和高過載容限。必須降低TIA噪聲，以提供接收因發射器老化和/或長傳輸距離而減弱的光信號所需的高輸入靈敏度。需要高過載容限，以避免在存在強光信號時由于失真而導致的位錯誤。TIA的最大增益取決于其工作頻率，只能在很窄的范圍內進行優化，以確保穩定工作。TIA功能之后必須有一個后置放大器，通常稱為限幅放大器（LA）。LA提供輸出電壓擺幅，其最大值與輸入信號強度無關。

時鐘和數據恢復 （CDR） 塊位于 LA 之后。CDR 通過對來自 LA 的輸入信號執行定時和幅度電平決策來重新生成原始時鐘和數據流。集成時鐘恢復電路面臨的挑戰是滿足抖動規范建議。當疊加多個偽隨機位模式序列時，可以在“眼圖”中看到信號質量（見圖2）。

圖2.“眼圖”說明了數據流的質量。

由于CDR必須接受一定量的輸入數據抖動才能實現正常的無差錯操作，因此線路端接和再生器應用中的所有接收器單元都必須符合抖動容限建議。抖動傳輸是指允許從CDR的輸入傳輸到輸出的抖動部分，抖動產生是由CDR本身產生的。在系統的每個階段，恢復的時鐘能夠傳輸到下一個再生器，從而允許抖動貢獻累積。線路終端接收器不需要滿足抖動傳輸和抖動生成規范，因為重新生成的數據與系統時鐘同步。

對于數據恢復，重要的是使用鎖相環（PLL）將時鐘與數據流同步，這將確保時鐘與數據字的中間對齊。光接收器系統應包括調整時鐘和數據之間相位關系的選項。這將有助于在接收數據信號出現不對稱上升和下降轉換的情況下最小化誤碼率（BER）。

光發射機性能

在光鏈路的發射端，激光二極管或LED將電位序列隱藏為光脈沖。第二和第三光學窗口通常用于在電信網絡中通過標準光纜傳輸信息，如圖3所示。在光學窗口內，信號受益于每單位光纖長度的色散和衰減較小。半導體激光管或 LED 由“激光驅動器”模塊調制（見圖 1）。

圖3.第一、第二和第三光學窗口的衰減和色散。

直接調制半導體半導體激光二極管，如電吸收、分布式反饋和馬赫曾德型，是一種具有高光譜純度的光源，可以在第三個光學窗口中工作。因此，激光二極管是超長距離和/或非常高比特率的首選。所有用于直接調制的半導體半導體激光管都需要直流偏置電流來設置工作點，并需要調制電流來傳輸信號。直流偏置和調制電流的值取決于半導體激光管的特性，這些特性可能因類型而異。

為了補償激光特性隨時間和溫度的漂移，激光驅動器必須保持初始調整的直流工作點。為了補償，激光驅動器中通常集成了自動功率控制（APC）。為了檢測實際的激光功率輸出，內部監控光電二極管將激光轉換為成比例的電流，并將其反饋給激光驅動器，以便與輸出設定點進行比較。任何差異都會導致直流偏置電流根據需要增加或減少，以達到原始設定點。

可能還需要補償由時間和溫度引起的光信號強度變化。這可以通過額外的外部電路或集成的自動調制控制（AMC）來解決。AMC通常使用APC環路中已經存在的監控光電二極管。除了這些功能之外，系統還必須能夠通過禁用驅動器來停止激光傳輸，而不會中斷輸入端的數據接收。

特定系統塊

以下部分介紹一個完整的系統，該系統優化了上述標準，并在可用的情況下使用Maxim器件。圖4顯示了用于T3/E3/STS-1操作的光收發器的信號鏈。在光接收器側，選擇MAX3657作為TIA，其中輸出的交流耦合較大，以減小漂移。MAX3645為LA，包含信號丟失檢測器。LA之后所需的低通濾波器需要是四階貝塞爾或線性相位LPF，其中3dB帶寬設定點被選為所選比特率的80%。CDR 器件需要使用曼徹斯特解碼并輸出碼標記反轉/正發射極耦合邏輯 （CMI/PECL） 差分信號或單端時鐘和數據。可能需要CMI/PECL差分至單端雙極性時鐘和數據轉換器模塊來調理DS3150 LIU的信號，以便從同軸線傳輸出去。

在光發送端，選擇帶APC的MAX3667作為LD。還需要一個單端雙極性至CMI/PECL差分轉換器，從同軸線路接收DS3150 LIU的時鐘和數據流。圖4中的系統僅顯示了T3/E3/STS-1收發器的一側。需要另一組才能允許全雙工操作。有關具體設計程序，請參閱相應的數據表。如果光電二極管使用APD代替PIN二極管，則MAX1932可以提供偏置，并可由MAX1968控制。

圖4.采用Maxim器件的光TDM傳輸收發器系統。

審核編輯：郭婷