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無線電子工学および電気工学の百科事典 光ファイバー回線と通信。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
この点において、データを伝送する通信インフラは急速に発展している。 これらの言葉を裏付けるものとして、次の数字が挙げられます。1993 年から 1998 年にかけて、インターネット上のページ数は 50 万から 50 万に増加しました。 1998 年から 2001 年の 143 年間で、Web に接続するユーザーの数は 700 億 XNUMX 万人から XNUMX 億人に増加しました。 コンピュータ パークの成長とパーソナル コンピュータ プロセッサの能力の向上により、インターネットと従来の通信回線 (テレビ電話、電話、ファックス サービス) の両方で大量のデータ送信の需要が生じました。 上記の要件をサポートする MAXIM のレシーバ/トランスミッタ チップセットにより、SDH/SONET 光伝送システムでの光/電気変換が可能になります。 SDH は、高速光ファイバーのヨーロッパ標準です。 SONET は、XNUMX ギガビット/秒を超える速度での同期データ伝送の速度、信号、インターフェイスを定義する規格です。 光ファイバーネットワーク経由で。 ネットワーク機器メーカーは、パラメータが改善された新製品を市場に供給しています。 しかし、より高いデータ転送パフォーマンスを備えたデバイスの必要性が高まっています。 銅線を介したデータ転送の速度は限界に達しており、光ファイバーケーブルによるさらなる増加があります。 光ファイバケーブルの物理的性質により、データ転送速度の範囲が大幅に拡大する可能性があります。 光ファイバー回線の機会は、ローカルネットワークと国間の広範なデータネットワークの両方で使用されます。 これらのネットワークのさらなる拡大は、高速で高品質の情報伝送に対する消費者の要求を満たすことが期待されています。 光チャネルを介してデータを送信するには、信号を電気から光に変換し、通信回線を介して送信してから、受信機で電気に戻す必要があります。 これらの変換は、光コンポーネントとともに電子コンポーネントを含むトランシーバーデバイスで行われます。 光ファイバートランシーバー 伝送技術で広く使用されている時分割マルチプレクサ（TDM）（マルチプレクサに接続された低速回線間で高速チャネルへのアクセス時間を分割するデバイス）を使用すると、伝送速度を最大10 Gb/sまで上げることができます。 最新の高速光ファイバーシステムは、次の伝送速度標準を提供します。
波長分割多重化 (WDM) またはスペクトル分割多重化の新しい方法により、データ伝送密度を高めることができます。 これを行うために、複数の多重化情報ストリームが、異なる波長での各ストリームの伝送を使用して、単一の光ファイバー チャネルを介して送信されます。 WDMレシーバーとトランスミッターの電子部品は、時分割システムで使用されるものとは異なります。 時分割 TDM を使用した光伝送システムでのトランシーバーの動作を考えてみましょう。 光受信機 光受信機は、光ファイバーケーブルを介して送信された信号を検出し、それを電気信号に変換します。電気信号は、クロック信号だけでなく、それらを増幅してさらに形状を変更します。 デバイスのボーレートとシステムの詳細に応じて、データストリームをシリアルからパラレルに変換できます。 図に図１は、シリアルまたはパラレル形式のトランシーバによる信号の変換、送信および受信、ならびにクロック信号の形成を示している。
PIN フォトダイオード (PIN) またはアバランシェ フォトダイオード (APD) は、光信号を受け取り、電気伝導度を変調したり、電位を変化させたりすることによって、受け取った光信号を電気信号に変換することを可能にします。 PIN フォトダイオードは比較的安価なデバイスであり、電子デバイス全体と同じ供給電圧で動作します。 ただし、その感度はアバランシェ フォトダイオードの感度よりもはるかに低くなります。 したがって、APD に基づく送信機と受信機の間の距離を長くすることができます。 もちろん、これらすべてが無料というわけではありません。APD フォトダイオードには、(タイプによって異なりますが) 30 ～ 100 ボルトの供給電圧が必要です。 さらに、APD はより多くのノイズを生成し、PIN フォトダイオードよりも高価であり、冷却が必要です。 光検出器からの信号は、電流制御された電圧増幅器（トランスインピーダンス増幅器-TIA）に供給されます。 TIAで受信した非対称電圧は増幅され、後続のステージの動作に必要な差動信号に変換されます。 TIAは、高い過負荷機能と高い入力感度（広いダイナミックレンジ）の両方を提供する必要があります。 光信号は、送信機の経年劣化や長い通信リンクによって減衰する可能性があります。 したがって、TIAの感度を最小限に抑えるには、自己ノイズを低減する必要があります。 一方、強い光信号による歪みによるビットエラーを回避するには、高い過負荷容量が必要です。 TIAアンプの達成可能な最大相互コンダクタンスは、動作周波数に依存します。 安定性と必要な帯域幅を保証するために、ゲインは狭い範囲内でのみ最適化できます。 低電力の光信号では、この制限により、増幅器の出力信号がさらに処理するには不十分になる可能性があります。 1時間2mVの範囲の小さな電圧を増幅するために、TIA増幅器の後に別の増幅器が配置されます。これは、ほとんどの場合、制限増幅器（LA）です。 このアンプには、入力信号がユーザー定義の外部設定しきい値を下回ったときに警告する低信号インジケータも含まれています。 信号がしきい値に近い場合、インジケータフラグがその値を変更しないように、コンパレータはヒステリシスを使用して実行されます。 レシーバのリミティング アンプに続く重要なコンポーネントは、クロックおよびデータ リカバリ (CDR) 回路です。 CDR はタイミングを実行し、着信信号の振幅レベルを決定し、復元されたデータ ストリームの時間と振幅を出力します。 同期回復機能を維持する方法はいくつかありますが (外部 SAW フィルター、外部制御クロック信号など)、統合されたアプローチのみがコストと作業量の両方を削減できます。 国際電気通信連合-電気通信規格セクター（ITU-T）は、振動の許可、送信、および生成に関する制限を定義しています。 リミッター増幅器の出力での信号品質は、主に光伝送システムの不完全なコンポーネントが原因で、通常は不十分です。 CDRスキームは、通常のエラーのない動作を実現するために入力データで一定量のジッターを受け入れる必要があるため、すべてのレシーバーデバイスはジッター耐性に関するITU-Tガイドラインに準拠する必要があります。 ジッター効果に加えて、ノイズとパルス歪みも制御マージンの位相を低下させます。 これにより、受信情報の同期と各ビットの論理レベルの読み取りが複雑になります。 フェーズ ロック ループ (PLL) システムの使用は、クロックをデータ ストリームに同期させて、クロック信号が情報ワードの中央に揃えられるようにする上で不可欠な部分です。 受信データ信号遷移の非対称な立ち上がりと立ち下がりのエラー ビット レート (BER) をさらに最適化するために、システムにはクロックからデータへの位相制御の選択が含まれている必要があります。 通常、CDR から復元されたデータとクロックのシリアル ストリームは、シリアル/パラレル変換ユニット (デシリアライザー) に入ります。 その変換速度は、ビット レートと、CMOS システム コンポーネントとの互換性 (速度に関して) によって異なります。 光送信機 光ファイバー システムの光送信機は、システムの CMOS コンポーネントから供給される電気データ シーケンスを光データ ストリームに変換します。 図に示すように。 図 1 に示すように、トランスミッタは、クロック シンセサイザ (システム設定とビット レートによって異なります) を備えたパラレル/シリアル コンバータ、ドライバ、および光信号源で構成されます。 光ファイバチャネルを介した情報の伝送には、1000つの重要な波長範囲が使用されます。1300番目の光学ウィンドウと呼ばれる1500 h 1800 nmと、XNUMX番目の光学ウィンドウと呼ばれるXNUMX hXNUMXnmです。 これらの範囲で-単位ケーブル長（dB / km）あたりの回線の最小信号損失。 光伝送システムには、さまざまな光源を使用できます。 たとえば、発光ダイオード（LED）は、短距離通信用の低コストのローカルエリアネットワークでよく使用されます。 ただし、広いスペクトル帯域幅と、XNUMX番目とXNUMX番目の光学ウィンドウの波長での作業が不可能なため、通信システムでLEDを使用することはできません。 LED とは異なり、スペクトル純度の高い光変調レーザー送信機は、XNUMX 番目の光学ウィンドウで動作できます。 したがって、コストが主な考慮事項ではなく、高性能が必須である超長距離およびWDM伝送システムでは、レーザー光源が使用されます。 光通信リンクでは、さまざまな種類の直接シミュレートされた半導体レーザー ダイオードが、短距離、中距離、および長距離の伝送に最適なコスト/パフォーマンス比を備えています。 デバイスは、XNUMX 番目と XNUMX 番目の光学ウィンドウの両方で動作します。 直接変調に使用されるすべての半導体レーザー ダイオードには、通常、信号伝送の動作点と変調電流を設定するための DC バイアス電流が必要です。 バイアス電流と変調電流の量は、レーザー ダイオードの特性に依存し、タイプによって異なり、同じタイプでも互いに異なる場合があります。 送信機ユニットを設計する際には、時間と温度に対するこれらの特性の範囲を考慮する必要があります。 これは、経済的に収益性の高い非冷却タイプの半導体レーザーに特に当てはまります。 したがって、レーザー ドライバーは、さまざまなレーザー ダイオードの幅広い選択肢を持つさまざまな光送信機がさまざまな温度で長時間動作できるように、十分な範囲のバイアス電流と変調電流を提供する必要があります。 レーザーダイオードの性能劣化を補うために、自動出力制御（APC）装置が使用されます。 レーザーの光エネルギーを比例電流に変換し、レーザードライバーに供給するフォトダイオードを使用します。 この信号に基づいて、ドライバーは光出力が一定に保たれ、元の設定と一致するように、レーザー ダイオードにバイアス電流を出力します。 これにより、光信号の「振幅」が維持されます。 APC 回路にあるフォトダイオードは自動変調制御 (AMC) にも使用できます。 これらの機能に加えて、システムはドライバーをブロックすることによってレーザー送信を停止できる必要がありますが、入力でのデータの受信が中断されてはなりません。 フリップフロップまたはラッチを (レーザー ドライバーまたはパラレル-シリアル コンバーターの一部として) 追加することにより、レーザー ダイオード ドライバーの出力に到達する前にこのデータ ストリームのタイミングを変更することで、発振効率を向上させることができます。 クロック リカバリとシリアル化には、クロック パルスを合成する必要があります。 このシンセサイザは、パラレル/シリアル コンバータに統合することもでき、通常はフェーズ ロック ループ回路を備えています。 シンセサイザは、可能な限りジッタの少ないデータ伝送を保証する必要があります。 その結果、シンセサイザは光通信システムの送信機で重要な役割を果たします。 図に図２および３は、それぞれ、受信機および送信機の同期輸送モジュール（ＳＴＭ４）を示している。
前述のように、電気通信用の光学システムのすべてのコンポーネントは、ITU-Tの推奨事項に準拠する必要があります。MAXIMによって製造されたチップセットにより、設計者は競争力のあるトランシーバデバイスを開発できます。 すべての製品は、p-n-pトランジスタの送信周波数が6,4 GHz、n-p-nの送信周波数が8,7 GHzの場合、高速バイポーラ技術に基づいています。 サブミクロンバイポーラプロセスの場合、npnトランジスタの送信周波数は27GHzです。 製造中のSTM4用のICは+3,3V電源を使用しています。 プリアンプ TIA増幅器（MAX 3664）は、フォトダイオードセンサーからの非対称電流を非対称電圧に変換します。非対称電圧は増幅されて差動信号に変換されます。 入力電流が100A（p-p）の場合、出力には最大900 mV（p-p）の差動振動があります。 入念な IC 設計と、帯域幅を 590 pF の入力容量で 1,1 MHz に制限することにより、低入力ノイズが達成されます。 単一の低ノイズ ピン ダイオードを使用する場合、標準的な入力感度は -32 dBm の光パワーに相当します。 3,3 V 電源で、消費電力はわずか 85 mW です。 データの同期と回復 (CDR) MAX 3675 チップは、受信したデータ ストリームとそのクロッキングからクロック信号を回復する必要があります。 MAX 3664 と MAX 3675 の 300 つの IC は、レシーバのオプトエレクトロニクス モジュールの基礎を形成し、消費電力は 3,3V で XNUMXmW 未満です。 アナログ入力感度は3mVピークツーピークです。 ブロッキングロスアラーム機能と入力信号パワーセンサーは、リミッティングアンプと組み合わされています。 RSSIピンのパワーセンサー（受信信号の強度のインジケーター）は、入力パワーに比例した電圧を出力します。 クロックリカバリに必要なフェーズロックループ回路もMAX 3675に完全に統合されており、外部クロック基準を必要としません。 シリアル/パラレル変換ユニット (DEMUX) さまざまなシステムインターフェイススキームを使用するために、MAXIMはMAX3680およびMAX3681シリアル-パラレルコンバータを提供しています。 MAX 3680は、622Mbpsのシリアルデータストリームを78Mbpsの165ビットワードストリームに変換します。 データおよびクロック出力はTTL互換です。 消費電力-3,3Vで電力を供給した場合は3681mW。 MAX 622は、シリアルデータストリーム（155 Mbps）を265Mbpsの3,3ビットワードストリームに変換します。 その差動データとクロックサポートには、低電圧差動信号（LVDS）があります。 消費電力-XNUMXV電源でXNUMXmW。 SINCピンを介して駆動することにより、クロック信号に対してデータ出力をわずかに調整できます。 Parallel to Serial Converter（MUX） MAX3691チップは、155つの622MbpsLVDSデータストリームを3,3Mbpsシリアルストリームに変換します。 必要な送信クロックは、電圧制御発振器、ループフィルタアンプ、および外部クロックリファレンスのみを必要とする位相検出器を含むオンボードフェーズロックループを使用して合成されます。 215Vの電源で、消費電力はXNUMXmWです。 シリアルデータ出力は、正のエミッタ結合ロジック差動レベル（PECL）信号によって提供されます。 レーザーシェーパー（LD） LD（MAX 3667）の主なタスクは、レーザーダイオードを直接変調するためのバイアス電流と変調電流を供給することです。 柔軟性のために、差動入力はPECLデータストリームと、Vcc=320Vで最大0,75mVのピークツーピークの差動電圧スイングを受け入れます。 BIASSETピンとグランド間の外部抵抗を変更することにより、バイアス電流を5〜90 mAに調整でき、MODSETピンとグランド間の抵抗を変更することにより、変調電流を5〜60mAに調整できます。 内部の温度安定化電圧リファレンスにより、安定したバイアス電流と変調電流が保証されます。 MAX 3667の損傷を防ぐために、BIASSET、MODSET、およびAPCSETピンを接地しないでください。 内部保護回路により、総出力電流が約150mAに制限されます。 MAX 3667が動作するには、単一の3,3V電源が必要です。 MAX 3667の代わりに、3766 Mbps〜155GbpsのデータレートのMAX1,25ボルトレーザードライバーを利用できます。 MAX 3766には、MAX 3667で説明したすべての属性が含まれていますが、帯域幅が広くなっています。 このICは、レーザーの安全条件を拡張し、単一の外部抵抗を使用して、温度とレーザーの傾きが変化しても「光振幅」が維持されます。 この記事では、MAXIM による光トランシーバー向けの包括的なソリューションを紹介します。 光学/電気アセンブリ用に製造されたデバイスの範囲とそれらの特性については、maxim-ic.com でご覧いただけます。 そこでは、光ファイバー通信の電子ユニットで使用される98の基本的なデバイスの技術的パラメーターについても知ることができます。 MAXIMによって製造された製品に関するロシア語のかなり詳細な資料の選択は、CIS諸国のMAXIMの公式ディストリビューターであるRainbowTechnologiesのWebサイトrtcs.ruにあります。 著者：A。Shitikov、ashitikov @ rainbow.msk.ru; 出版物：radioradar.net
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