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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Linee e comunicazioni in fibra ottica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / telefonia A questo proposito, l’infrastruttura di comunicazione attraverso la quale vengono trasmessi i dati si sta sviluppando rapidamente. A conferma di queste parole si possono citare i seguenti dati: nel periodo dal 1993 al 1998 il numero di pagine su Internet è aumentato da 50 a 50 milioni. In tre anni, dal 1998 al 2001, il numero degli utenti connessi a Internet è passato da 143 a 700 milioni di persone. La crescita del parco computer e l'aumento della potenza dei processori dei personal computer ha creato una domanda di grandi volumi di trasmissione di dati sia su Internet che attraverso le linee di comunicazione tradizionali: videotelefono, telefono, servizi fax. Il chipset prodotto da MAXIM per il ricevitore/trasmettitore, supportando i requisiti di cui sopra, consente conversioni ottico/elettriche nei sistemi di trasmissione ottica SDH/SONET. SDH è uno standard europeo per i supporti in fibra ottica per la trasmissione di dati ad alta velocità. SONET è uno standard che definisce velocità, segnali e interfacce per la trasmissione sincrona di dati a velocità superiori a un gigabit/sec. su una rete in fibra ottica. I produttori di apparecchiature di rete forniscono al mercato nuovi prodotti con parametri migliorati. Ma la necessità di dispositivi con prestazioni di trasferimento dati più elevate è in aumento. La velocità di trasmissione dati su fili di rame ha raggiunto il suo limite e un ulteriore aumento è dovuto ai cavi in fibra ottica. La natura fisica dei cavi in fibra ottica può ampliare notevolmente la gamma delle velocità di trasferimento dei dati. Le opportunità delle linee in fibra ottica sono utilizzate sia nelle reti locali che in estese reti di dati tra paesi. L'ulteriore espansione di queste reti dovrebbe soddisfare le richieste dei consumatori per la trasmissione di informazioni ad alta velocità e di alta qualità. Per trasmettere dati attraverso canali ottici, i segnali devono essere convertiti da elettrici a ottici, trasmessi su una linea di comunicazione e quindi riconvertiti in elettrici al ricevitore. Queste conversioni avvengono nel dispositivo ricetrasmettitore, che contiene componenti elettronici insieme a componenti ottici. Ricetrasmettitori in fibra ottica Un multiplexer a divisione di tempo (TDM) ampiamente utilizzato nella tecnologia di trasmissione (un dispositivo che divide il tempo di accesso a un canale ad alta velocità tra linee a bassa velocità collegate al multiplexer), consente di aumentare la velocità di trasmissione fino a 10 Gb/s. I moderni sistemi in fibra ottica ad alta velocità offrono i seguenti standard di velocità di trasmissione.
Nuovi metodi di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) o multiplexing a divisione spettrale consentono di aumentare la densità di trasmissione dei dati. Per fare ciò, più flussi di informazioni multiplex vengono inviati su un singolo canale in fibra ottica utilizzando la trasmissione di ciascun flusso a lunghezze d'onda diverse. I componenti elettronici nel ricevitore e nel trasmettitore WDM sono diversi da quelli utilizzati in un sistema a divisione di tempo. Si consideri il funzionamento dei ricetrasmettitori in un sistema di trasmissione ottica con TDM a divisione di tempo. Ricevitori ottici I ricevitori ottici rilevano i segnali trasmessi sul cavo in fibra ottica e li convertono in segnali elettrici, che poi li amplificano e li rimodellano ulteriormente, nonché segnali di clock. A seconda della velocità di trasmissione e delle specifiche di sistema del dispositivo, il flusso di dati può essere convertito da seriale a parallelo. Sulla fig. 1 mostra la conversione, trasmissione e ricezione di un segnale da parte di un ricetrasmettitore in forma seriale o parallela, nonché la formazione di un segnale di clock.
PIN - fotodiodo (PIN) o fotodiodo a valanga (APD) ricevono il segnale luminoso e, modulando la conducibilità elettrica o variando il potenziale, consentono di convertire il segnale luminoso ricevuto in segnale elettrico. Il fotodiodo PIN è un dispositivo relativamente economico e funziona con la stessa tensione di alimentazione dell'intero dispositivo elettronico. Tuttavia, la sua sensibilità è molto inferiore a quella di un fotodiodo da valanga. Pertanto, la distanza tra trasmettitore e ricevitore basata su APD può essere aumentata. Naturalmente, tutto questo non è gratuito: i fotodiodi APD richiedono (a seconda del tipo) una tensione di alimentazione da 30 a 100 volt. Inoltre, l'APD genera più rumore, costa più di un fotodiodo PIN e richiede il raffreddamento. Il segnale del fotorilevatore viene inviato a un amplificatore di tensione controllato in corrente (amplificatore di transimpedenza - TIA). La tensione asimmetrica ricevuta nel TIA viene amplificata e convertita in un segnale differenziale necessario per il funzionamento degli stadi successivi. Il TIA deve fornire sia un'elevata capacità di sovraccarico che un'elevata sensibilità di ingresso (intervallo dinamico elevato). I segnali ottici possono essere attenuati a causa dell'invecchiamento del trasmettitore o di un lungo collegamento di comunicazione. Pertanto, per aumentare al minimo la sensibilità del TIA, è necessario ridurre l'autorumore. D'altra parte, è necessaria un'elevata capacità di sovraccarico per evitare errori di bit dovuti alla distorsione da forti segnali ottici. La massima transconduttanza ottenibile dell'amplificatore TIA dipende dalla frequenza operativa. Per garantire la stabilità e la larghezza di banda richiesta, il guadagno può essere ottimizzato solo entro un intervallo ristretto. Con un segnale ottico a bassa potenza, questa limitazione può rendere il segnale di uscita dell'amplificatore insufficiente per ulteriori elaborazioni. Per amplificare piccole tensioni nell'intervallo di 1 h 2 mV, un altro amplificatore viene posizionato dopo l'amplificatore TIA, che nella maggior parte dei casi è un amplificatore limitante (LA). Questo amplificatore include anche un indicatore di segnale basso che ti avvisa quando il segnale in ingresso scende al di sotto di una soglia definita dall'utente esternamente. In modo che quando il segnale è vicino alla soglia, il flag dell'indicatore non cambia il suo valore, il comparatore viene eseguito con isteresi. Il componente chiave che segue l'amplificatore di limitazione nel ricevitore è il circuito CDR (clock and data recovery). Il CDR esegue la temporizzazione, decide il livello di ampiezza del segnale in ingresso ed emette il tempo - e l'ampiezza - del flusso di dati recuperato. Esistono diversi modi per mantenere la funzione di ripristino della sincronizzazione (filtro SAW esterno, segnale di clock di controllo esterno, ecc.), ma solo un approccio integrato può ridurre sia i costi che la quantità di lavoro. L'Unione internazionale delle telecomunicazioni - Settore degli standard di telecomunicazione (ITU - T) definisce le restrizioni all'ammissione, alla trasmissione e alla generazione dell'oscillazione. La qualità del segnale all'uscita dell'amplificatore limiter è generalmente scarsa, principalmente a causa di componenti imperfetti nel sistema di trasmissione ottica. Poiché lo schema CDR deve accettare una certa quantità di jitter nei dati di input per ottenere un funzionamento normale e privo di errori, tutti i dispositivi riceventi devono essere conformi alle linee guida ITU-T per la tolleranza al jitter. Oltre agli effetti di jitter, il rumore e la distorsione degli impulsi riducono anche la fase del margine di controllo. Ciò complica la sincronizzazione delle informazioni ricevute e la lettura del livello logico di ciascun bit. L'uso di un anello ad aggancio di fase (PLL) è parte integrante della sincronizzazione del clock con il flusso di dati per garantire che il segnale di clock sia allineato con la parte centrale della parola di informazione. Al fine di ottimizzare ulteriormente il bit rate di errore (BER) per l'aumento e la diminuzione asimmetrica delle transizioni del segnale di dati ricevuti, il sistema deve includere una selezione di controllo di fase orologio-dati. Il flusso seriale dei dati recuperati e dell'orologio dal CDR di solito entra nell'unità di conversione da seriale a parallelo (deserializzatore). Il suo tasso di conversione dipende dal bit rate e dalla compatibilità (in termini di velocità) con i componenti del sistema CMOS. Trasmettitore ottico Un trasmettitore ottico in un sistema in fibra ottica converte la sequenza di dati elettrici fornita dai componenti CMOS del sistema in un flusso di dati ottici. Come mostrato in fig. 1, il trasmettitore è costituito da un convertitore da parallelo a seriale con un sintetizzatore di clock (che dipende dall'impostazione del sistema e dal bit rate), un driver e una sorgente di segnale ottico. Per la trasmissione di informazioni su un canale in fibra ottica vengono utilizzate due importanti gamme di lunghezze d'onda: 1000 h 1300 nm, detta seconda finestra ottica, e 1500 h 1800 nm, nota come terza finestra ottica. Su queste gamme - la più piccola perdita di segnale nella linea per unità di lunghezza del cavo (dB / km). Varie sorgenti ottiche possono essere utilizzate per sistemi di trasmissione ottica. Ad esempio, i diodi a emissione di luce (LED) sono spesso utilizzati nelle reti locali a basso costo per comunicazioni a breve distanza. Tuttavia, l'ampia larghezza di banda spettrale e l'impossibilità di lavorare nelle lunghezze d'onda della seconda e terza finestra ottica non consentono l'utilizzo del LED nei sistemi di telecomunicazione! A differenza di un LED, un trasmettitore laser otticamente modulato con elevata purezza spettrale può operare in una terza finestra ottica. Pertanto, per i sistemi di trasmissione a lunghissima distanza e WDM, dove il costo non è la considerazione principale, ma le alte prestazioni sono un must, viene utilizzata una sorgente ottica laser. Per i collegamenti di comunicazione ottica, vari tipi di diodi laser a semiconduttore a simulazione diretta hanno un rapporto costo/prestazioni ottimale per trasmissioni brevi, medie e lunghe. I dispositivi possono operare sia nella seconda che nella terza finestra ottica. Tutti i diodi laser a semiconduttore utilizzati per la modulazione diretta hanno in genere un requisito di corrente di polarizzazione CC per impostare il punto operativo e la corrente di modulazione per la trasmissione del segnale. La quantità di corrente di polarizzazione e corrente di modulazione dipende dalle caratteristiche del diodo laser e può differire da tipo a tipo e tra loro all'interno dello stesso tipo. La gamma di queste caratteristiche nel tempo e nella temperatura deve essere presa in considerazione durante la progettazione dell'unità trasmittente. Ciò è particolarmente vero per i tipi di laser a semiconduttore non raffreddati economicamente più redditizi. Ne consegue che il driver laser deve fornire una corrente di polarizzazione e una corrente di modulazione in un intervallo sufficiente per consentire a diversi trasmettitori ottici con un'ampia scelta di diodi laser di funzionare per lungo tempo ea diverse temperature. Per compensare il deterioramento delle prestazioni del diodo laser, viene utilizzato un dispositivo di controllo automatico della potenza (APC). Utilizza un fotodiodo che converte l'energia luminosa del laser in una corrente proporzionale e la fornisce al driver laser. Sulla base di questo segnale, il driver produce una corrente di polarizzazione nel diodo laser in modo che la potenza luminosa rimanga costante e corrisponda a quella impostata originariamente. Ciò mantiene l '"ampiezza" del segnale ottico. Il fotodiodo presente nel circuito APC può essere utilizzato anche nel controllo automatico della modulazione (AMC). Oltre a queste funzioni, il sistema deve essere in grado di interrompere le trasmissioni laser bloccando il conducente, ma non deve essere interrotta la ricezione dei dati in ingresso. Aggiungendo un flip-flop o un latch (come parte di un driver laser o di un convertitore da parallelo a seriale), l'efficienza dell'oscillazione può essere migliorata riprogrammando questo flusso di dati prima che raggiunga l'uscita del driver del diodo laser. Il ripristino e la serializzazione dell'orologio richiedono la sintesi degli impulsi di clock. Questo sintetizzatore può anche essere integrato in un convertitore da parallelo a seriale e di solito include un circuito ad anello ad aggancio di fase. Il sintetizzatore deve garantire la trasmissione dei dati con il minor jitter possibile. Di conseguenza, il sintetizzatore svolge un ruolo chiave nel trasmettitore di un sistema di comunicazione ottica. Sulla fig. 2 e 3 mostrano i moduli di trasporto sincrono (STM4) rispettivamente del ricevitore e del trasmettitore.
Come accennato in precedenza, tutti i componenti di un sistema ottico per telecomunicazioni devono essere conformi alle raccomandazioni ITU - T. Il chipset prodotto da MAXIM consente ai progettisti di sviluppare dispositivi transceiver competitivi. Tutti i prodotti sono basati sulla tecnologia bipolare ad alta velocità, quando la frequenza di trasmissione per il transistor p-n-p è 6,4 GHz e per n-p-n - 8,7 GHz. Per un processo bipolare submicronico, la frequenza di trasmissione del transistor npn è 27 GHz. I circuiti integrati per STM 4 in produzione utilizzano alimentatori da +3,3 V. preamplificatore L'amplificatore TIA (MAX 3664) converte la corrente asimmetrica del sensore a fotodiodo in una tensione asimmetrica, che viene amplificata e convertita in un segnale differenziale. Con una corrente di ingresso di 100 A (p-p), l'uscita ha oscillazioni differenziali fino a 900 mV (p-p). Il basso rumore di ingresso si ottiene mediante un'attenta progettazione del circuito integrato e limitando la larghezza di banda a 590 MHz con una capacità di ingresso di 1,1 pF. Quando si utilizza un singolo diodo pin a basso rumore, la sensibilità di ingresso tipica corrisponde a una potenza ottica di -32 dBm. Con un'alimentazione a 3,3 V, il consumo energetico è di soli 85 mW. Sincronizzazione e ripristino dei dati (CDR) Il chip MAX 3675 deve recuperare i segnali di clock dal flusso di dati ricevuto e il loro clock. I due circuiti integrati MAX 3664 e MAX 3675 costituiscono la base del modulo optoelettronico del ricevitore, mentre il consumo energetico è inferiore a 300 mW a 3,3 V. La sensibilità dell'ingresso analogico è di 3 mV picco-picco. La funzione di blocco dell'allarme di perdita e il sensore di potenza del segnale di ingresso sono combinati con l'amplificatore di limitazione. Il sensore di potenza sul pin RSSI - un indicatore della potenza del segnale ricevuto - emette una tensione proporzionale alla potenza in ingresso. Anche il circuito ad anello ad aggancio di fase richiesto per il ripristino del clock è completamente integrato nel MAX 3675 e non richiede un riferimento di clock esterno. Unità di conversione da seriale a parallela (DEMUX) Per funzionare con vari schemi di interfaccia di sistema, MAXIM offre i convertitori da seriale a parallelo MAX 3680 e MAX 3681. Il MAX 3680 converte un flusso di dati seriali a 622 Mbps in un flusso di parole a otto bit a 78 Mbps. L'uscita dati e clock è compatibile con TTL. Consumo energetico - 165 mW se alimentato da 3,3 V. Il MAX 3681 converte un flusso di dati seriali (622 Mbps) in un flusso di parole a quattro bit da 155 Mbps. I suoi dati differenziali e il supporto dell'orologio hanno un segnale differenziale a bassa tensione (LVDS). Consumo energetico - 265 mW con alimentazione a 3,3 V. Guidando attraverso il pin SINC, puoi regolare leggermente l'uscita dei dati rispetto al segnale di clock. Convertitore da parallelo a seriale (MUX) Il chip MAX3691 converte quattro flussi di dati LVDS a 155 Mbps in un flusso seriale a 622 Mbps. L'orologio di trasmissione necessario viene sintetizzato utilizzando un anello ad aggancio di fase integrato che include un oscillatore controllato in tensione, un amplificatore con filtro di anello e un rilevatore di fase che richiede solo riferimenti di clock esterni. Con un'alimentazione di 3,3 V, il consumo energetico è di 215 mW. L'uscita dati seriale è fornita da segnali PECL (livello differenziale logico accoppiato a emettitore positivo). Modellatore laser (LD) Il compito principale dell'LD (MAX 3667) è fornire corrente di polarizzazione e corrente modulante per la modulazione diretta del diodo laser. Per flessibilità, gli ingressi differenziali accettano flussi di dati PECL e oscillazioni di tensione differenziale fino a 320 mV picco-picco a Vcc = 0,75 V. Cambiando un resistore esterno tra il pin BIASSET e la massa, la corrente di polarizzazione può essere regolata da 5 a 90 mA e cambiando il resistore tra il pin MODSET e la massa, la corrente di modulazione può essere regolata da 5 a 60 mA. Un riferimento di tensione interno stabilizzato in temperatura garantisce correnti di polarizzazione e modulazione stabili. Per evitare di danneggiare il MAX 3667, i pin BIASSET, MODSET e APCSET non devono essere collegati a terra. Un circuito di sicurezza interno limita la corrente di uscita totale a circa 150 mA. Il MAX 3667 richiede un unico alimentatore da 3,3 V per funzionare. In alternativa al MAX 3667, il driver laser a cinque volt MAX 3766 è disponibile con velocità di trasmissione dati da 155 Mbps a 1,25 Gbps. Il MAX 3766 include tutti gli attributi menzionati per il MAX 3667 ma con una larghezza di banda più ampia. Questo circuito integrato ha condizioni di sicurezza laser estese e, con un singolo resistore esterno, l'"ampiezza ottica" viene mantenuta al variare della temperatura e della pendenza del laser. Questo articolo presenta una soluzione completa di MAXIM per un ricetrasmettitore ottico. È possibile visualizzare la gamma di dispositivi prodotti per gruppi ottici/elettrici e le loro caratteristiche su maxim-ic.com. Lì puoi anche conoscere i parametri tecnici di 98 dispositivi di base utilizzati nelle unità elettroniche di comunicazione in fibra ottica. Una selezione abbastanza dettagliata di materiali in russo sui prodotti fabbricati da MAXIM può essere trovata sul sito Web rtcs.ru, Rainbow Technologies, il distributore ufficiale di MAXIM nei paesi della CSI. Autore: A. Shitikov, ashitikov@rainbow.msk.ru; Pubblicazione: radioradar.net
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