基于10Gb/s光接收器信號丟失的探測(圖)

　　10Gb/s XFP 光模塊系統(tǒng)數(shù)字診斷功能需要進行信號丟失(LOS)監(jiān)控。通過監(jiān)控光功率是否過低，可探測到導致誤碼率劣化的系統(tǒng)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(shù)據(jù)恢復電路對XFP模塊的10Gb/s接收器進行了優(yōu)化。該器件的精密LOS探測器監(jiān)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(nèi)的接收光功率峰-峰值(即光調(diào)制幅度OMA)成正比。可根據(jù)不同BER設(shè)置LOS報警指示，還可通過附加滯回實現(xiàn)小信號輸入時的可靠LOS探測，針對給定誤碼率(BER)調(diào)整LOS報警閾值。

　　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(zhuǎn)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(shù)。因此，可通過在限幅放大器輸入端探測信號幅度，實現(xiàn)對BER劣化精確監(jiān)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(diào)制控制的光發(fā)射器非常關(guān)鍵，因為隨溫度和時間變化，這類發(fā)射器消光比將會減小。

　　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(wěn)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(yōu)于±1.5dB，穩(wěn)定度在溫度和電源變化時優(yōu)于±10%。較高的精度和穩(wěn)定度使模塊設(shè)計人員可直接設(shè)置光報警閾值，而不必針對環(huán)境變化重新校準。

　　MAX3991的報警電壓范圍為15～50mVp-p。進行報警設(shè)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(guān)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。

　　數(shù)字模式的MAX3991具有精確受控的內(nèi)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(fā)生LOS信號抖動的現(xiàn)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(xiàn)這種情況。

　　假設(shè)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(nèi)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(xiàn)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(shù)值。

　　接收光信號必須具有足夠的功率和正確的數(shù)據(jù)速率才能實現(xiàn)無誤碼接收。LOS探測器僅監(jiān)控信號功率，要實現(xiàn)更高的接收信號質(zhì)量，還需監(jiān)控PLL丟鎖(LOL)狀態(tài)。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(nèi)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。

　　本實驗用MAX3991進行信號丟失探測實驗，從而設(shè)置LOS報警光功率，某接收器參數(shù)如下：

平均光功率和OMA的關(guān)系為：（5）

　　假定接收器靈敏度僅受接收器輸入?yún)⒖荚肼暃Q定時，實驗得出表2不同BER和信號電平間的關(guān)系，例如，如果希望LOS在BER=10-3時報警，應將MAX3991報警閾值設(shè)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(diào)整LOS報警閾值。