基于10Gb/s光接收器信號丟失的探測

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:31:32 來源：

　　10Gb/s XFP 光模塊系統數字診斷功能需要進行信號丟失(LOS)監控。通過監控光功率是否過低，可探測到導致誤碼率劣化的系統故障。本文以MAX3991進行信號丟失探測，用限幅放大器的IC時鐘和數據恢復電路對XFP模塊的10Gb/s接收器進行了優化。該器件的精密LOS探測器監控跨阻放大器(TIA)輸出信號幅度，輸出信號幅度與TIA線性范圍內的接收光功率峰-峰值(即光調制幅度OMA)成正比。可根據不同BER設置LOS報警指示，還可通過附加滯回實現小信號輸入時的可靠LOS探測，針對給定誤碼率(BER)調整LOS報警閾值。

10Gb/s接收器

　　圖1是一個XFP模塊中典型的10Gb/s光接收器。10Gb/s跨阻放大器將光電流轉換為電壓。通常恢復信號幅度和時鐘在噪聲受限光接收器中，信噪比和BER互相影響。對于一個輸入噪聲受限的接收器，BER是接收信號功率的函數。因此，可通過在限幅放大器輸入端探測信號幅度，實現對BER劣化精確監控，對于較小的光功率，該幅度與OMA成正比。這種OMA探測對于沒有調制控制的光發射器非常關鍵，因為隨溫度和時間變化，這類發射器消光比將會減小。

圖1 10Gb/s XFP光接收器

LOS探測器特性

　　MAX3991的LOS探測器是均方根功率探測器，簡化的LOS探測方案如圖2所示。其具有精度高、穩定性好，功耗極低的特性。對于固定控制電壓VTH，報警精度在時間、溫度和電源變化時優于±1.5dB，穩定度在溫度和電源變化時優于±10%。較高的精度和穩定度使模塊設計人員可直接設置光報警閾值，而不必針對環境變化重新校準。

圖2 MAX3991的LOS探測方案

　　MAX3991的報警電壓范圍為15～50mVp-p。進行報警設置時在VTH引腳加載所需報警電壓10倍的控制電壓。圖3是LOS報警(Vassert)、解除報警(Vde-assert)電壓與控制電壓VTH的關系。閾值VTH決定LOS報警時的探測功率期望值。功率探測器固有噪聲導致其輸出在均值上下變化。這種變化為高斯分布，將影響LOS報警電平的重復性。MAX3991高斯分布的功率探測器輸出測得的標準偏差σ約為0.4mVrms。如果報警均值電壓為20mVp-p，則器件在99.8%的時間里，會在18.8mVp-p和21.2mVp-p(±3σ)之間報警。如果不使用LOS功率探測器，則將VTH引腳連接至VCC，強制將LOS輸出置低，這樣可降低約15mW的功耗。

圖3 LOS報警和控制電壓關系

采用外部電阻增大LOS滯回

　　數字模式的MAX3991具有精確受控的內置滯回，最小3.5dB，最大3.9dB，相當于1.75dB至1.95dB的光功率滯回。滯回(hysteresis)定義為：

(1)

　　圖3是報警和解除報警額定滯回。考慮到功率探測器噪聲，如果所需輸入報警電壓接近或低于15mVp-p，偶爾會發生LOS信號抖動的現象。可用圖4所示外部電阻來增大滯回，防止小信號輸入時出現這種情況。

圖4 采用外部電阻增大LOS滯回

　　假設VREF(V)為外部加載電壓，閾值控制電壓VTH為：

(2)

(3)

　　附加滯回為：

(4)

　　總滯回為內部滯回和公式(4)所示附加滯回之和(以dB表示)。電阻R2的功能是防止出現LOS引腳過載，建議阻值大于40kΩ。電阻R1負責將滯回提高到所需數值。

合成LOS和LOL輸出

　　接收光信號必須具有足夠的功率和正確的數據速率才能實現無誤碼接收。LOS探測器僅監控信號功率，要實現更高的接收信號質量，還需監控PLL丟鎖(LOL)狀態。LOL探測器比較恢復時鐘和參考時鐘頻率差。在沒有輸入信號時，指示PLL失鎖所需的時間依賴于內部VCO漂移速率，具有很大不確定性。為防止輸入信號無變化時LOL報警時間的不確定性，可按表1所示，在外部合成LOS和LOL輸出。

表1 不同狀態的LOS和LOL

信號丟失(LOS)探測實驗分析

　　本實驗用MAX3991進行信號丟失探測實驗，從而設置LOS報警光功率，某接收器參數如下：

光靈敏度：BER≤10-12時，Pave=-18dBm
消光比：re=6.6
PIN二極管響應度：0.85A/W
TIA跨阻增益：3.0k

　　平均光功率和OMA的關系為：（5）

表2 典型接收器誤碼率和信號電平

　　假定接收器靈敏度僅受接收器輸入參考噪聲決定時，實驗得出表2不同BER和信號電平間的關系，例如，如果希望LOS在BER=10-3時報警，應將MAX3991報警閾值設為26mVp-p。這相當于-21.6dBm的平均報警光功率、-19.85dBm解除報警光功率和 1.75dB光滯回，如圖5所示。可針對給定誤碼率(BER)調整LOS報警閾值。