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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Linhas de fibra ótica e comunicação. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Telefonia Nesse sentido, a infraestrutura de comunicação por meio da qual os dados são transmitidos está se desenvolvendo rapidamente. Em apoio a essas palavras, podem ser citados os seguintes números - no período de 1993 a 1998, o número de páginas na Internet aumentou de 50 para 50 milhões. Em três anos, de 1998 a 2001, o número de usuários conectados à Web aumentou de 143 para 700 milhões de pessoas. O crescimento do parque informático e o aumento da potência dos processadores dos computadores pessoais criaram uma procura de grandes volumes de transmissão de dados tanto pela Internet como pelas linhas de comunicação tradicionais: videofone, telefone, fax. O chipset receptor/transmissor MAXIM que suporta os requisitos acima permite conversões ópticas/elétricas em sistemas de transmissão óptica SDH/SONET. SDH é o padrão europeu para fibra óptica de alta velocidade. SONET é um padrão que define velocidades, sinais e interfaces para transmissão síncrona de dados em taxas superiores a um gigabit/s. através de uma rede de fibra óptica. Os fabricantes de equipamentos de rede fornecem ao mercado novos produtos com parâmetros aprimorados. Mas a necessidade de dispositivos com maior desempenho de transferência de dados está aumentando. A velocidade de transmissão de dados em fios de cobre atingiu seu limite, e um aumento ainda maior se deve aos cabos de fibra óptica. A natureza física dos cabos de fibra óptica pode expandir significativamente a faixa de taxas de transferência de dados. As oportunidades de linhas de fibra óptica são utilizadas tanto em redes locais quanto em extensas redes de dados entre países. Espera-se uma maior expansão dessas redes para atender às demandas dos consumidores por transmissão de informações de alta velocidade e alta qualidade. Para transmitir dados através de canais ópticos, os sinais devem ser convertidos de elétricos para ópticos, transmitidos por uma linha de comunicação e depois convertidos de volta para elétricos no receptor. Essas conversões ocorrem no dispositivo transceptor, que contém componentes eletrônicos junto com componentes ópticos. Transceptores de fibra óptica Um multiplexador de divisão de tempo (TDM) amplamente utilizado na tecnologia de transmissão (um dispositivo que divide o tempo de acesso a um canal de alta velocidade entre linhas de baixa velocidade conectadas ao multiplexador), permite aumentar a taxa de transmissão em até 10 Gb/s. Os modernos sistemas de fibra óptica de alta velocidade oferecem os seguintes padrões de velocidade de transmissão.
Novos métodos de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) ou multiplexação por divisão espectral tornam possível aumentar a densidade de transmissão de dados. Para fazer isso, vários fluxos de informações multiplex são enviados por um único canal de fibra óptica usando a transmissão de cada fluxo em diferentes comprimentos de onda. Os componentes eletrônicos no receptor e transmissor WDM são diferentes daqueles usados em um sistema de divisão de tempo. Considere a operação de transceptores em um sistema de transmissão óptica com TDM de divisão de tempo. Receptores ópticos Os receptores ópticos detectam os sinais transmitidos pelo cabo de fibra óptica e os convertem em sinais elétricos, que os amplificam e os remodelam ainda mais, bem como os sinais de relógio. Dependendo da taxa de transmissão e das especificidades do sistema do dispositivo, o fluxo de dados pode ser convertido de serial para paralelo. Na fig. 1 mostra a conversão, transmissão e recepção de um sinal por um transceptor em forma serial ou paralela, bem como a formação de um sinal de relógio.
PIN - fotodiodo (PIN) ou fotodiodo de avalanche (APD) recebe o sinal de luz e, modulando a condutividade elétrica ou alterando o potencial, possibilita a conversão do sinal de luz recebido em elétrico. O fotodiodo PIN é um dispositivo relativamente barato e opera com a mesma tensão de alimentação de todo o dispositivo eletrônico. No entanto, sua sensibilidade é muito menor do que a de um fotodiodo de avalanche. Portanto, a distância entre o transmissor e o receptor com base no APD pode ser aumentada. Obviamente, tudo isso não é gratuito - os fotodiodos APD exigem (dependendo do tipo) uma tensão de alimentação de 30 a 100 volts. Além disso, o APD gera mais ruído, custa mais do que um fotodiodo PIN e requer refrigeração. O sinal do fotodetector é alimentado a um amplificador de tensão controlada por corrente (amplificador de transimpedância - TIA). A tensão assimétrica recebida no TIA é amplificada e convertida em um sinal diferencial necessário para a operação dos estágios subsequentes. O TIA deve fornecer alta capacidade de sobrecarga e alta sensibilidade de entrada (alta faixa dinâmica). Os sinais ópticos podem ser atenuados devido ao envelhecimento do transmissor ou a um longo link de comunicação. Portanto, para aumentar ao mínimo a sensibilidade do TIA, o ruído próprio deve ser reduzido. Por outro lado, é necessária uma alta capacidade de sobrecarga para evitar erros de bits devido à distorção de sinais ópticos fortes. A transcondutância máxima alcançável do amplificador TIA depende da frequência de operação. Para garantir a estabilidade e a largura de banda necessária, o ganho só pode ser otimizado dentro de uma faixa estreita. Com um sinal óptico de baixa potência, esta limitação pode tornar o sinal de saída do amplificador insuficiente para processamento posterior. Para amplificar pequenas tensões na faixa de 1 h 2 mV, outro amplificador é colocado após o amplificador TIA, que na maioria dos casos é um amplificador limitante (LA). Este amplificador também inclui um indicador de sinal baixo que o alerta quando o sinal de entrada cai abaixo de um limite definido externamente pelo usuário. Para que quando o sinal estiver próximo do limite, o sinalizador do indicador não altere seu valor, o comparador é realizado com histerese. O componente chave que segue o amplificador limitador no receptor é o circuito de relógio e recuperação de dados (CDR). O CDR executa o tempo, decide o nível de amplitude do sinal de entrada e emite o tempo - e a amplitude - do fluxo de dados recuperado. Existem várias maneiras de manter a função de recuperação de sincronização (filtro SAW externo, sinal de relógio de controle externo, etc.), mas apenas uma abordagem integrada pode reduzir o custo e a quantidade de trabalho. A União Internacional de Telecomunicações - Setor de Padrões de Telecomunicações (UIT - T) define restrições de admissão, transmissão e geração de oscilação. A qualidade do sinal na saída do amplificador limitador geralmente é ruim, principalmente devido a componentes imperfeitos no sistema de transmissão óptica. Como o esquema CDR deve aceitar uma certa quantidade de jitter nos dados de entrada para obter uma operação normal e livre de erros, todos os dispositivos receptores devem estar em conformidade com as diretrizes ITU-T para tolerância de jitter. Além dos efeitos de jitter, ruído e distorção de pulso também reduzem a fase da margem de controle. Isso complica a sincronização das informações recebidas e a leitura do nível lógico de cada bit. O uso de um loop de bloqueio de fase (PLL) é uma parte essencial da sincronização do relógio com o fluxo de dados para garantir que o sinal do relógio esteja alinhado com o meio da palavra de informação. A fim de otimizar ainda mais a taxa de bits de erro (BER) para subida e descida assimétrica de transições de sinal de dados recebidos, o sistema deve incluir uma seleção de controle de fase de relógio/dados. O fluxo serial de dados e relógios recuperados do CDR geralmente entra na unidade de conversão serial para paralelo (desserializador). Sua velocidade de conversão depende da taxa de bits e da compatibilidade (em termos de velocidade) com os componentes do sistema CMOS. Transmissor óptico Um transmissor óptico em um sistema de fibra óptica converte a sequência de dados elétricos fornecida pelos componentes CMOS do sistema em um fluxo de dados ópticos. Como mostrado na fig. 1, o transmissor consiste em um conversor paralelo-serial com um sintetizador de clock (que depende da configuração do sistema e da taxa de bits), um driver e uma fonte de sinal óptico. Para a transmissão de informações através de um canal de fibra óptica, são utilizadas duas importantes faixas de comprimento de onda: 1000 h 1300 nm, chamada de segunda janela óptica, e 1500 h 1800 nm, conhecida como terceira janela óptica. Nestas faixas - a menor perda de sinal na linha por unidade de comprimento do cabo (dB / km). Várias fontes ópticas podem ser usadas para sistemas de transmissão óptica. Por exemplo, diodos emissores de luz (LEDs) são frequentemente usados em redes locais de baixo custo para comunicações de curta distância. No entanto, uma ampla largura de banda espectral e a impossibilidade de trabalhar nos comprimentos de onda da segunda e terceira janelas ópticas não permitem o uso do LED em sistemas de telecomunicações! Ao contrário de um LED, um transmissor a laser opticamente modulado com alta pureza espectral pode operar em uma terceira janela óptica. Portanto, para sistemas de transmissão de ultra longa distância e WDM, onde o custo não é a principal consideração, mas o alto desempenho é uma obrigação, uma fonte óptica de laser é usada. Para links de comunicação óptica, vários tipos de diodos laser semicondutores de simulação direta têm uma relação custo/desempenho ideal para transmissões curtas, médias e longas. Os dispositivos podem operar tanto na segunda quanto na terceira janela óptica. Todos os diodos laser semicondutores usados para modulação direta normalmente têm um requisito de corrente de polarização CC para definir o ponto de operação e a corrente de modulação para transmissão de sinal. A quantidade de corrente de polarização e corrente de modulação depende das características do diodo laser e pode diferir de tipo para tipo e entre si dentro do mesmo tipo. A faixa dessas características com o tempo e a temperatura deve ser levada em consideração no projeto da unidade transmissora. Isso é especialmente verdadeiro para tipos de lasers semicondutores não resfriados economicamente mais rentáveis. Segue-se que o driver do laser deve fornecer uma corrente de polarização e uma corrente de modulação em uma faixa suficiente para permitir que diferentes transmissores ópticos com uma ampla variedade de diodos de laser operem por um longo tempo e em diferentes temperaturas. Para compensar a deterioração do desempenho do diodo laser, um dispositivo de controle automático de potência (APC) é usado. Ele usa um fotodiodo que converte a energia da luz do laser em uma corrente proporcional e a fornece ao driver do laser. Com base nesse sinal, o driver emite uma corrente de polarização para o diodo laser para que a saída de luz permaneça constante e corresponda à configuração original. Isso mantém a "amplitude" do sinal óptico. O fotodiodo encontrado no circuito APC também pode ser usado no controle de modulação automática (AMC). Além dessas funções, o sistema deve ser capaz de interromper as transmissões de laser bloqueando o motorista, mas a recepção de dados na entrada não deve ser interrompida. Ao adicionar um flip-flop ou trava (como parte de um driver de laser ou conversor paralelo-serial), a eficiência da oscilação pode ser melhorada reprogramando esse fluxo de dados antes que ele atinja a saída do driver de diodo laser. A recuperação e a serialização do relógio exigem que os pulsos do relógio sejam sintetizados. Este sintetizador também pode ser integrado a um conversor paralelo-serial e geralmente inclui um circuito de circuito fechado de fase. O sintetizador deve garantir a transmissão de dados com o mínimo de jitter possível. Como resultado, o sintetizador desempenha um papel fundamental no transmissor de um sistema de comunicação óptica. Na fig. 2 e 3 mostram os módulos de transporte síncrono (STM4) do receptor e do transmissor, respectivamente.
Como mencionado acima, todos os componentes de um sistema óptico para telecomunicações devem estar em conformidade com as recomendações da ITU - T. O chipset produzido pela MAXIM permite aos projetistas desenvolver dispositivos transceptores competitivos. Todos os produtos são baseados na tecnologia bipolar de alta velocidade, quando a frequência de transmissão para o transistor p-n-p é de 6,4 GHz e para n-p-n - 8,7 GHz. Para um processo bipolar submicron, a frequência de transmissão do transistor npn é de 27 GHz. Os CIs para STM 4 que estão sendo produzidos usam fontes de alimentação de +3,3V. pré-amplificador O amplificador TIA (MAX 3664) converte a corrente assimétrica do sensor fotodiodo em uma tensão assimétrica, que é amplificada e convertida em um sinal diferencial. Com corrente de entrada de 100 A (p-p), a saída possui oscilações diferenciais de até 900 mV (p-p). O baixo ruído de entrada é obtido pelo design cuidadoso do IC e limitando a largura de banda a 590 MHz com uma capacitância de entrada de 1,1 pF. Ao usar um único diodo de pino de baixo ruído, a sensibilidade de entrada típica corresponde a -32 dBm de potência óptica. Com uma alimentação de 3,3 V, o consumo de energia é de apenas 85 mW. Sincronização e recuperação de dados (CDR) O chip MAX 3675 deve recuperar os sinais de clock do fluxo de dados recebido e seu clocking. Os dois CIs MAX 3664 e MAX 3675 formam a base do módulo optoeletrônico do receptor, enquanto o consumo de energia é inferior a 300mW a 3,3V. A sensibilidade da entrada analógica é de 3 mV pico a pico. A função de alarme de perda de bloqueio e o sensor de potência do sinal de entrada são combinados com o amplificador limitador. O sensor de potência no pino RSSI - um indicador da força do sinal recebido - emite uma tensão proporcional à potência de entrada. O circuito de loop de bloqueio de fase necessário para recuperação de clock também está totalmente integrado ao MAX 3675 e não requer uma referência de clock externa. Unidade de conversão de série para paralela (DEMUX) Para trabalhar com vários esquemas de interface do sistema, a MAXIM oferece os conversores serial-paralelo MAX 3680 e MAX 3681. O MAX 3680 converte um fluxo de dados serial de 622 Mbps em um fluxo de palavras de oito bits de 78 Mbps. A saída de dados e clock é compatível com TTL. Consumo de energia - 165 mW quando alimentado por 3,3V. O MAX 3681 converte um fluxo de dados serial (622 Mbps) em um fluxo de palavras de quatro bits de 155 Mbps. Seus dados diferenciais e suporte a clock possuem um sinal diferencial de baixa tensão (LVDS). Consumo de energia - 265 mW com alimentação de 3,3V. Ao passar pelo pino SINC, você pode ajustar ligeiramente a saída de dados em relação ao sinal de clock. Conversor Paralelo para Serial (MUX) O chip MAX3691 converte quatro fluxos de dados LVDS de 155 Mbps em um fluxo serial de 622 Mbps. O clock de transmissão necessário é sintetizado usando um loop de bloqueio de fase integrado, incluindo um oscilador controlado por tensão, um amplificador de filtro de loop e um detector de fase que requer apenas referências de clock externas. Com uma fonte de alimentação de 3,3V, o consumo de energia é de 215 mW. A saída de dados serial é fornecida por sinais de nível diferencial lógico acoplado ao emissor positivo (PECL). Modelador a laser (LD) A principal tarefa do LD (MAX 3667) é fornecer corrente de polarização e corrente de modulação para modulação direta do diodo laser. Para flexibilidade, as entradas diferenciais aceitam fluxos de dados PECL, bem como oscilações de tensão diferencial de até 320mV pico a pico em Vcc = 0,75V. Alterando o resistor externo entre o pino BIASSET e o terra, a corrente de polarização pode ser ajustada de 5 a 90 mA, e a corrente de modulação pode ser ajustada de 5 a 60 mA alterando o resistor entre o pino MODSET e o terra. Uma referência de tensão interna estabilizada por temperatura garante correntes de polarização e modulação estáveis. Para evitar danos ao MAX 3667, os pinos BIASSET, MODSET e APCSET não devem ser aterrados. Um circuito de segurança interno limita a corrente de saída total a aproximadamente 150 mA. O MAX 3667 requer uma única fonte de alimentação de 3,3 V para operar. Como alternativa ao MAX 3667, o driver de laser MAX 3766 de cinco volts está disponível com taxas de dados de 155 Mbps a 1,25 Gbps. O MAX 3766 inclui todos os atributos mencionados para o MAX 3667, mas com uma largura de banda maior. Este IC estendeu as condições de segurança do laser e, com um único resistor externo, a "amplitude óptica" é mantida à medida que a temperatura e a inclinação do laser mudam. Este artigo apresenta uma solução abrangente da MAXIM para um transceptor óptico. Você pode ver a gama de dispositivos fabricados para conjuntos ópticos / elétricos e suas características em maxim-ic.com. Lá você também pode conhecer os parâmetros técnicos de 98 dispositivos básicos usados em unidades eletrônicas de comunicação por fibra óptica. Uma seleção bastante detalhada de materiais em russo sobre os produtos fabricados pela MAXIM pode ser encontrada no site rtcs.ru, Rainbow Technologies, distribuidor oficial da MAXIM nos países da CEI. Autor: A. Shitikov, ashitikov@rainbow.msk.ru; Publicação: radioradar.net
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