關(guān)于光纖通信中電路設(shè)計的探討

冷爽

（黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

光纖通信同步數(shù)字體系是一種結(jié)合了高速大容量光纖傳輸技術(shù)和智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸體制，它能提供方便有效的數(shù)據(jù)復(fù)用和解復(fù)用功能，并能可靠地傳輸數(shù)據(jù)在90年代初SDH光纖通信設(shè)備主要依賴進口.近年來，國內(nèi)的許多高科技企業(yè)、研究所，都相繼投入自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備開發(fā)，但是.體現(xiàn)了核心技術(shù)的SDH專用集成電路卻仍然進口這些芯片利潤非?？捎^，當然其設(shè)計制作難度也很大主要體現(xiàn)在：首先需要非常專業(yè)的整機系統(tǒng)知識背景，需要消化國際電信聯(lián)盟(ITU-T)建議，已經(jīng)超出了單純的電路設(shè)計概念.其次.這些芯片集成度高，往往達到和超過數(shù)十萬門的規(guī)模，也非純粹的整機開發(fā)人員所能承擔(dān).因此，要突破過個技術(shù)難點，需要集成電路設(shè)計和整機開發(fā)的有機結(jié)合。

1 光纖通信簡介

晶體管以及相繼出現(xiàn)的集成電路引發(fā)了數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展和數(shù)字通信的崛起，數(shù)字計算機的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用對現(xiàn)代通信系統(tǒng)起到了雙重的推動作用：一方面計算機與計算機或遠程終端之間的數(shù)據(jù)交換導(dǎo)致了數(shù)據(jù)通信的興起與發(fā)展；另一方面，計算機被應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)，大大地加強了對復(fù)雜信號的處理能力，提高了速度和對網(wǎng)絡(luò)的有效管理，促進了電信、電視業(yè)的發(fā)展。

光纖與微波信道相比，載波的頻率高出4--5個數(shù)量級，僅在1.55μm的光窗口處可用的信道容量高達10 Tb／s，加上光纖在1.3 μm光波長處還有一個窗口和一條光纜中可有幾十根光纖，可以認為，光纖的頻率資源幾乎是取之不盡的。除此之外，光纖通信還具有保密性好，價格低廉等重要優(yōu)點。所以，以光纖通信為主干道，構(gòu)造“信息高速公路”，已在世界范圍內(nèi)成為方興未艾的大事業(yè)。光纖不僅被應(yīng)用于干線通信，也是構(gòu)造城域網(wǎng)(MAN)和高速局域網(wǎng)。

2 光纖通信電路設(shè)計

2.1 主放大器

前端輸出的信弓電壓大約在幾毫到幾十毫伏，為達到時鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)判決電路需要的幾百到上千毫伏的信號幅度，需要接人一個30-50 dB增益的主放大器。它必須在輸入信號幅度大范圍變動的情況下提供幅度恒定的輸出電壓。有2類放大器可以用來實現(xiàn)這2個功能：自動增益控制(AGC)放大器和限幅放大器。前者廣泛應(yīng)用于模擬信號接收系統(tǒng)。后者在用于二進制數(shù)字信號的放大時，具有電路簡單，易于設(shè)計的優(yōu)點，且其限幅作用直接施加到信號的每一個脈沖，不存在AGC放大器中固有的時間常數(shù)選取問題。所以，在光數(shù)字通信接收機得到廣泛應(yīng)用。高靈敏度、大動態(tài)范圍和高穩(wěn)定度是設(shè)計限幅放大器的3大目標。作者設(shè)計的超高速限幅放大器砷化鎵集成電路芯片可工作在大于20 Gb／s的數(shù)據(jù)速率上。

2.2 數(shù)據(jù)判決電路

數(shù)據(jù)判決電路的原理是：對數(shù)據(jù)信號按它的比特速率在最有利于判決的時刻進行取樣，將取樣值與判決電平進行比較，決出高低，即判決出“l(fā)”和“0”，然后以 2個明確無誤的邏輯電平表示并保持到下一取樣時刻。在超高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通常采用主從數(shù)據(jù)觸發(fā)器即MS.DFF來實現(xiàn)數(shù)據(jù)判決的功能。利用 0.2μmGaAs-HEMT 工藝，作者已經(jīng)研制出了工作速率超過30 Gb／s的數(shù)據(jù)判決電路。通過采用并行處理方法，工作速度可以進一步提高到40Gb/s以上。

2.3 時鐘恢復(fù)電路

時鐘恢復(fù)電路--特別是輸入為非歸零(1NRZ)格式的數(shù)據(jù)信號時--包含2個功能子電路：信號預(yù)處理和主處理電路。預(yù)處理電路的功能是從輸入的數(shù)據(jù)信號中檢測出數(shù)據(jù)流中的上升和下降沿.獲得原始時鐘信號的頻率和相位信息。

主處理電路的功能在預(yù)處理電路產(chǎn)生的單級性脈沖序列作用下形成一個與發(fā)送端時鐘同步的時鐘信號。有4種主處理電路：（1）無源濾波器加限幅發(fā)達器。（2）鎖相環(huán)（3）窄帶再生分頻環(huán)路。（4）4.注入振蕩器。

無源濾波器無限幅放大器的方案具有電路簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)點.，但在實現(xiàn)超高速的設(shè)計目標時受到限制，無法作2.5 Gb／s及以上數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)申加以考慮。

等效于高Q值有源濾波器的PLL在數(shù)據(jù)通信中得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點包括能夠單片集成實現(xiàn)和可以通過在環(huán)路中加入分頻器實現(xiàn)多種輸出／輸入倍頻關(guān)系。缺點是電路復(fù)雜和存在失鎖的危險性。作為超高速數(shù)據(jù)通信中時鐘恢復(fù)電路用的PLL電路，其設(shè)計更為困難，原因在于缺乏高Q值穩(wěn)頻無源元件使得在芯片上的超高頻、高穩(wěn)定度壓控振蕩器(VC0)難于實現(xiàn)。作者利用全對稱全集成的vc0專利電路，已經(jīng)實現(xiàn)了19 Gb／s的時鐘恢復(fù)電路。

窄帶再生分頻式時鐘恢復(fù)方案的主要目的在于用l倍頻率的濾波器和放大器從最高為2倍速率的數(shù)據(jù)信號中獲得l倍頻率的時鐘，從而把濾波器和／或集或電路的工作上限速率提高l倍，同時，把濾波器的等效Q值提高數(shù)倍。特別是當這種方案同并聯(lián)數(shù)據(jù)判決電路配合應(yīng)用時，整個數(shù)據(jù)再生電路達到最優(yōu)組合。在此方案的基礎(chǔ)上，作者用多級級聯(lián)的單調(diào)諧放大器取代原方案中無法單片集成的濾波器和寬帶限幅放大器，發(fā)明了全集成的窄帶再生分頻式時鐘恢復(fù)電路專利技術(shù)，并實現(xiàn) r 10／20Gb／s 和 20／40 Gb／s2 種數(shù)據(jù)速率組合的單片集成電路。

2.4 光電集成電路與單片集成系統(tǒng)

光電集成電路與單片集成系統(tǒng)杠光電集成電路(0FJC)的研制方面，GaAs工藝已經(jīng)趨于成熟。單片的光發(fā)射機和光接收機已經(jīng)在10 Gb／s的超高數(shù)據(jù)速率上研制成功。作者參與研制成功的激光驅(qū)動器加激光二極管單片光發(fā)射機芯片，其最高工作速率已超過5 Gb/s。并在2.5 Gb/s上做出了10路發(fā)射列陣。

GaAs激光發(fā)射OEIC的一大缺憾在于其激光二極管發(fā)光波長在850 nm附近，只能用于短距離的光互連網(wǎng)絡(luò)中。在遠程光纖通信方面，InP成為主導(dǎo)材料，因為其發(fā)光器件的光波長恰好可以調(diào)到光纖的1.3和1.55μ m附近兩個光窗口內(nèi)。因此，InP材料一方面用于制作光纖通信用的發(fā)光和激光二極管，另一方面用于制作光纖通信用OEIC。

3 我國光纖通信用集成電路技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向

我國在光纖通信的建設(shè)方面已經(jīng)取得長足進步。已建成幾十條光纜通信電路，總長度達 100000km。 在 光 纖 通 信 用 1.3μm 和1.55μm量子分布反饋激光器，光纖放大器(EDFA)，激光調(diào)制器和系統(tǒng)集成等技術(shù)方面已取得了矚目成績，OEIC的關(guān)鍵技術(shù)也已經(jīng)獲得突破。

然而，我國光纖通信技術(shù)的整體還是落后的。已建和在建的光纖通信干線系統(tǒng)幾乎全都是從國外引進的，而在我國自己開發(fā)的系統(tǒng)中，大部分的器件和幾乎全部的關(guān)鍵高速集成電路都是進口的。

為了改變我國集成電路研制的落后局面，我們一方面要繼續(xù)完善和提高現(xiàn)有工藝線的技術(shù)水平和理電路和主處理電路。另一方面要多總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，進一步發(fā)展光纖通信技術(shù)。

4 結(jié)語

總之，若要光纖通信加快發(fā)展，發(fā)揮人才資源和智力資源方面的優(yōu)勢，提高集成電路設(shè)計水平，設(shè)計并實現(xiàn)具有自己知識產(chǎn)權(quán)、包括光纖通信在內(nèi)的各種信息產(chǎn)業(yè)用集成電路。要以系統(tǒng)應(yīng)用和市場需要帶動研究和開發(fā)，走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的道路。只有這樣，才能在建立國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的進程中，趕上世界潮流，為國家創(chuàng)造出巨大財富。

[1]石東海.單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通[M]西安：西安電子科技大學(xué)出版社.

[2]Y.齊維迪斯等編，石秉學(xué)等譯.ISI電信電路設(shè)計[M].北京：人民郵電出版杜.