电子通信论文点对点光纤数据传输系统设计

　　本电子通信论文介绍了点对点光纤数据传输系统的设计方法，分别对LVDS信号，数字光收发机的设计，PCB的布局进行了详细的介绍，并对设计中遇到的问题提出了解决方案并进行了实验。可以发表电子通信论文的期刊有《无线通信技术》(季刊)创刊于1971年，由信息产业部电信科学技术第四研究所主办。本刊是一本有关无线电通信领域的专业性技术刊物，国内外公开发行。本刊坚持理论密切联系实际，以实用化为主的办刊方针，探讨通信理论，提供技术成果，介绍技术标准，交流维护经验。

　　摘 要针对数据传输系统速度、距离和稳定性等要求的不断提高，设计了一种基于低振幅差分信号技术和光纤技术的点对点光纤数据传输系统。该系统结合LVDS 技术速率高、功耗低、噪声低的特点以及光纤通信容量大、传输距离远的优点，解决了数据传输系统遇到的许多难题。对数据传输系统的设计分别从设计方案、硬件实现两方面进行了详细研究和描述，并进行了实验。

　　【关键词】光纤通信 光电转换 光收发模块 低压差分信号

　　随着信息技术的发展，一方面数据传送量越来越大、传输速度越来越快，另一方面电子产品(特别是便携式产品)对低功耗设计提出了更高的要求。低压差分信号(Low Voltage Differential Signal，LVDS)技术是一个高速度(可达800Mbps以上)、低功耗、低噪声的通用接口标准，它能够在广泛的应用领域里解决高速数据传输的瓶颈问题。而LVDS技术的高速度低功耗也导致了其不能远距离传播，而光纤技术正可以弥补这一不足。点对点光纤数据传输系统便是基于LVDS技术与光纤技术来实现数据的传输的。

　　1 系统概述

　　点对点光纤数据传输系统主体为数字光收发一体机(数字光发送机和数字光接收机)，之间由10m单模光纤连接，安装在测试主板上，设计框图如图1所示。

　　为了实现信号在光纤中的传输，需要先将电信号转化成为光信号，之后再转化成电信号发送到接收端来进行传输。数字光收发一体机由数字光发送模块和数字光接收模块组成，四路LVDS信号从数字光发送模块输入端输入之后进行并串转换、电平转换，半导体激光器调制之后，输出调制光信号，再输入到接收模块的光接收次模块(Receiver Optical Subassembly，ROSA)，经过光电转换电路，放大电路，电平转换，最后进过串并转换，输出LVDS信号。

　　2 工作原理

　　2.1 LVDS的工作原理

　　低压差分信号(LVDS)是一种新型的数据传输和接口技术，核心是采用极低的电压摆幅差分传输数据，可以实现点对点的数据传输。LVDS 是目前高速数字信号传输的国际通用接口标准，国际上有两个工业标准定义了LVDS：ANSI/TIA/EIA-644(1995年11月通过)和IEEE1596.3(1996年3月通过)，LVDS驱动电路由一个3.5mA恒流源和四个MOS管驱动一对差分信号线组成，差分线终端电阻阻值100Ω，通过MOS管的开关实现差分电压的350mV的摆幅，产生LVDS信号。

　　2.2 主要芯片

　　本系统采用美信公司的MAX3892和MAX3882A两款高速芯片实现LVDS信号的并串及串并的转换。其中MAX3892为并串转换芯片，将四路并行622Mbps LVDS信号转换为2.488GbpsCML信号输出串行数据(TD+、TD-)给光模块。串并转换利用MAX3882A完成将1路2.488Gbps的串联输入CML信号转换为4路LVDS信号。

　　激光器驱动芯片选用带消光比控制的激光器驱动芯片MAX3738，适合于工作在传输速率为1Gbps到2.5Gbps的光纤网络中。在激光管的正常使用期内，自动功率控制(APC)可以将芯片维持一个恒定的平均光功率对温度和寿命进行控制。

　　放大电路选用宽动态范围跨阻放大器MAX3864和低功耗限幅放大器MAX3272。

　　3 设计与仿真

　　3.1 数字光发送机的设计

　　数字光发送机包括驱动电路、自动功率控制(APC)、激光器和并串转换(光模块)，以及信号接口和LED显示(主板)。

　　并串转换电路为MAX3892及外围电路构成，用于将并行信号转为串行信号传给后级驱动电路。MAX3892的频率由CLKSET、RATESET和MODE设定，由于PCLKI±为622MHz，SCLKO±为2.488GHz，因此CLKSET接VCC，RATESET接地，MODE接VCC。反馈测试端SLBO+-接串并转换芯片MAX3882的反馈输入端，可实现对系统并-串-并转换的测试。

　　驱动电路为MAX3738及其外围电路，包括高速调制驱动电路、消光比控制偏置块以及保护电路。MAX3738可以驱动15Ω的负载。OUT-端所需最小瞬时电压0.7V时对应调制电流为60mA，0.75V时对应60到85mA。60mA以上的操作可以通过交流耦合或者激光器侧足够的电压来满足输出电压的要求。在速率达到2.7Gbps时，激光二极管阴极的任何容性负载都会降低其光输出性能。因为偏置输出直接接到激光二极管阴极，所以需要通过加一个电感来隔离来减少引脚周围的寄生电容。

　　激光器选用四川光恒通信技术有限公司生产的TOSA。主要参数如下：传输波长：1310nm，传输模式：单模，输出功率：2mW，工作温度：-40度～85度。光接口：FC/PC。

　　3.2 数字光接收机的设计

　　数字光接收机包括光电转换PINTIA、前置放大、限幅放大电路、串并转换电路以及信号接口和LED显示。

　　放大电路选用宽动态范围跨阻放大器MAX3864和低功耗限幅放大器MAX3272搭建放大电路。前置放大电路与PIN光电二极管直接相连，处于最前端的位置，是第一级有源电路。当激光照射到光电二极管上产生的信号微弱时，有用的信号可能被噪声淹没，无法有效输出。根据噪声系数计算公式：

　　，可知，NP主要由第一级放大器决定，所以前置放大电路对于设定整个探测器系统的噪声系数十分重要。

　　串并转换电路为MAX3882A及外围电路，将1路2.488Gbps的串联输入CML信号转换为4路622Mbps的LVDS信号。为保证“0”、“1”信号判别有效性，LVDS输出信号差分峰-峰值电压VP-P范围250～400mV，高电平电压VOH=1.475V，低电平电压VOL=0.925V，满足幅度要求。

　　MAX3882A的频率由FREESET、LREF、SIS设定，如表1所示。

　　3.3 结构设计

　　3.3.1 PCB板的布局

　　由于尺寸的要求，器件的布局显得尤为的重要，布局的好坏将直接影响布线的效果。在布局时需遵守一定原则。

　　(1)要有合理的走向。

　　(2)接地点选择需要合理布置。

　　(3)线宽线距也要正确的选择等等。

　　在布局时，将部分器件放在了顶层，包括一个SFP接口、MAX3892为主的并串转换电路、MAX3738为主的驱动电路。底层电路包括一个SFP接口、前置放大器和限幅放大器以及MAX3882和周围电路组成的串并转换电路。

　　3.3.2 PCB板的叠层设置

　　为保证地层的完整性，分别设置LVDS和CML信号的地层GND1和GND2，LVDS和CML信号尽量分离，在不同的层布线。可采用4层板结构：TOP(LVDS信号)-GND(CML信号)-VCC(CML信号)-BOTTOM(LVDS信号)。既保持了信号的分层，又保持了完整的信号回路。

　　3.3.3 保证阻抗匹配和阻抗连续

　　由于差分阻抗的不匹配会产生反射，有10%的阻抗不匹配就会产生5%的反射，所以要根据不同情况进行不同的匹配控制。LVDS通常用来传输高速数据信号， 要求具有快速变化的边缘斜率， PCB 迹线要作为传输线看待， 长度超过2cm时应该进行阻抗控制， 同时需要进行阻抗匹配， 其范围为90Ω ～ 110Ω之间， 典型值100Ω。要选用表面安装厚膜无引线贴片电阻(如0603或0805)， 尽可能靠近接收器放置。同时，阻抗不连续会使反射增加， 这会降低信号质量并产生共模噪声。共模噪声不利于消除差分线的电磁效应并且产生EMI。差分线对的两根线的距离应最小化， 以保证接收器对共模干扰的抑制。在PCB上， 这个距离应保持恒定以避免差分阻抗不连续， 并使过孔数目最少。迹线需要转向时使用弧形走线或45°走线， 不要使用90°走线。

　　为了保证阻抗的匹配，需要对PCB板上的线宽和线距进行计算。由于设计是4层板，单端阻抗50Ω，差分阻抗100Ω，进行计算后得单端线宽8mil，差分线线宽5mil，间距7mil。

　　4 实验波形

　　图3是输入为30MHz情况下的实验波形。从实验结果上来看，该系统波形有轻微失真，基本符合要求。为达到622MHz的频率还需进一步的改进与优化系统设计。

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