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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 광섬유 회선 및 통신. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
이와 관련하여 데이터가 전송되는 통신 인프라가 빠르게 발전하고 있습니다. 이 단어를 뒷받침하기 위해 다음 수치를 인용할 수 있습니다. 1993년부터 1998년까지 인터넷 페이지 수가 50천만에서 50천만으로 증가했습니다. 1998년부터 2001년까지 143년 동안 웹에 연결된 사용자 수는 700억 XNUMX만 명에서 XNUMX억 명으로 증가했습니다. 컴퓨터 공원의 성장과 개인용 컴퓨터 프로세서의 성능 증가는 인터넷과 전통적인 통신 회선(화상 전화, 전화, 팩스 서비스)을 통해 대량의 데이터 전송에 대한 수요를 창출했습니다. 위의 요구 사항을 지원하는 수신기/송신기용으로 MAXIM에서 생산한 칩셋은 SDH/SONET 광 전송 시스템에서 광/전기 변환이 가능합니다. SDH는 고속 광섬유에 대한 유럽 표준입니다. SONET은 XNUMX기가비트/초 이상의 속도로 동기식 데이터 전송을 위한 속도, 신호 및 인터페이스를 정의하는 표준입니다. 광섬유 네트워크를 통해. 네트워크 장비 제조업체는 매개변수가 개선된 신제품을 시장에 공급합니다. 그러나 더 높은 데이터 전송 성능을 갖춘 장치에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 구리선을 통한 데이터 전송 속도는 한계에 도달했으며 광섬유 케이블로 인해 더욱 빨라졌습니다. 광섬유 케이블의 물리적 특성은 데이터 전송 속도의 범위를 크게 확장할 수 있습니다. 광섬유 라인의 기회는 로컬 네트워크와 국가 간의 광범위한 데이터 네트워크 모두에서 사용됩니다. 이러한 네트워크의 추가 확장은 고속 및 고품질 정보 전송에 대한 소비자 요구를 충족시킬 것으로 예상됩니다. 광 채널을 통해 데이터를 전송하려면 신호를 전기에서 광으로 변환하고 통신 회선을 통해 전송한 다음 수신기에서 다시 전기로 변환해야 합니다. 이러한 변환은 광학 부품과 함께 전자 부품을 포함하는 트랜시버 장치에서 발생합니다. 광섬유 트랜시버 전송 기술(멀티플렉서에 연결된 저속 회선 간에 고속 채널에 대한 액세스 시간을 분할하는 장치)에서 널리 사용되는 TDM(시분할 다중화기)으로 전송 속도를 최대 10Gb/s까지 높일 수 있습니다. . 최신 고속 광섬유 시스템은 다음과 같은 전송 속도 표준을 제공합니다.
파장 분할 다중화(WDM) 또는 스펙트럼 분할 다중화의 새로운 방법을 사용하면 데이터 전송 밀도를 높일 수 있습니다. 이를 위해 여러 다중 정보 스트림이 서로 다른 파장에서 각 스트림의 전송을 사용하여 단일 광섬유 채널을 통해 전송됩니다. WDM 수신기 및 송신기의 전자 부품은 시분할 시스템에 사용되는 전자 부품과 다릅니다. 시분할 TDM을 사용하는 광 전송 시스템에서 트랜시버의 작동을 고려하십시오. 광 수신기 광 수신기는 광섬유 케이블을 통해 전송된 신호를 감지하고 이를 전기 신호로 변환한 다음 클록 신호뿐만 아니라 증폭 및 추가 변형합니다. 장치의 전송 속도 및 시스템 특성에 따라 데이터 스트림을 직렬에서 병렬로 변환할 수 있습니다. 무화과에. 도 1은 클럭 신호의 형성뿐만 아니라 직렬 또는 병렬 형태의 트랜시버에 의한 신호의 변환, 전송 및 수신을 보여줍니다.
PIN 포토다이오드(PIN) 또는 APD(Avalanche Photodiode)는 광 신호를 수신하고 전기 전도도를 변조하거나 전위를 변경하여 수신된 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있습니다. PIN 포토다이오드는 비교적 저렴한 소자로 전체 전자 소자와 동일한 공급 전압으로 동작한다. 그러나 감도는 애벌랜치 포토다이오드보다 훨씬 낮습니다. 따라서 APD를 기반으로 한 송신기와 수신기 사이의 거리를 늘릴 수 있습니다. 물론 이 모든 것이 무료는 아닙니다. APD 포토다이오드는 유형에 따라 30~100볼트의 공급 전압이 필요합니다. 또한 APD는 PIN 포토다이오드보다 더 많은 노이즈를 생성하고 비용이 많이 들고 냉각이 필요합니다. 광검출기의 신호는 전류 제어 전압 증폭기(트랜스임피던스 증폭기 - TIA)에 공급됩니다. TIA에 수신된 비대칭 전압은 증폭되어 후속 단계의 동작에 필요한 차동 신호로 변환됩니다. TIA는 높은 과부하 용량과 높은 입력 감도(높은 동적 범위)를 모두 제공해야 합니다. 광 신호는 송신기 노후화 또는 긴 통신 링크로 인해 감쇠될 수 있습니다. 따라서 TIA의 감도를 최소한으로 높이려면 자체 노이즈를 줄여야 합니다. 한편, 강한 광신호에 의한 왜곡으로 인한 비트 오류를 피하기 위해서는 높은 과부하 용량이 요구된다. TIA 증폭기의 달성 가능한 최대 트랜스컨덕턴스는 작동 주파수에 따라 다릅니다. 안정성과 필요한 대역폭을 보장하기 위해 이득은 좁은 범위 내에서만 최적화할 수 있습니다. 저전력 광 신호의 경우 이러한 제한으로 인해 증폭기의 출력 신호가 추가 처리에 충분하지 않을 수 있습니다. 1 h 2 mV 범위의 작은 전압을 증폭하기 위해 대부분의 경우 제한 증폭기(LA)인 TIA 증폭기 뒤에 다른 증폭기가 배치됩니다. 또한 이 앰프에는 들어오는 신호가 사용자가 정의한 외부 설정 임계값 아래로 떨어질 때 경고하는 낮은 신호 표시기가 포함되어 있습니다. 신호가 임계값에 가까울 때 표시기 플래그가 값을 변경하지 않도록 비교기는 히스테리시스로 수행됩니다. 리시버에서 리미팅 증폭기를 따르는 핵심 구성요소는 클록 및 데이터 복구(CDR) 회로입니다. CDR은 타이밍을 수행하고 들어오는 신호의 진폭 레벨을 결정하며 복구된 데이터 스트림의 시간과 진폭을 출력합니다. 동기화 복구 기능(외부 SAW 필터, 외부 제어 클록 신호 등)을 유지하는 방법에는 여러 가지가 있지만 통합 접근 방식만이 비용과 작업량을 모두 줄일 수 있습니다. 국제 전기 통신 연합 - 전기 통신 표준 부문(ITU - T)은 진동의 허용, 전송 및 생성에 대한 제한을 정의합니다. 리미터 증폭기의 출력에서 신호 품질은 주로 광 전송 시스템의 불완전한 구성 요소로 인해 일반적으로 좋지 않습니다. CDR 방식은 정상적이고 오류 없는 작동을 달성하기 위해 입력 데이터에서 일정량의 지터를 수용해야 하므로 모든 수신기 장치는 지터 허용 오차에 대한 ITU-T 지침을 준수해야 합니다. 지터 효과 외에도 노이즈 및 펄스 왜곡은 제어 마진의 위상을 감소시킵니다. 이것은 수신된 정보의 동기화와 각 비트의 논리 레벨 읽기를 복잡하게 합니다. PLL(위상 고정 루프) 시스템의 사용은 클록 신호가 정보 단어의 중간에 정렬되도록 클록을 데이터 스트림과 동기화하는 데 필수적인 부분입니다. 수신 데이터 신호 전환의 비대칭 상승 및 하강에 대해 BER(오류 비트 전송률)을 추가로 최적화하려면 시스템에 클록-데이터 위상 제어 선택이 포함되어야 합니다. CDR에서 복구된 데이터 및 클록의 직렬 스트림은 일반적으로 직렬-병렬 변환 장치(디시리얼라이저)로 들어갑니다. 변환 속도는 비트 전송률 및 CMOS 시스템 구성 요소와의 호환성(속도 측면에서)에 따라 다릅니다. 광 송신기 광섬유 시스템의 광 송신기는 시스템의 CMOS 구성 요소에서 제공하는 전기 데이터 시퀀스를 광학 데이터 스트림으로 변환합니다. 그림과 같이. 1에서 송신기는 클럭 합성기(시스템 설정 및 비트 전송률에 따라 다름), 드라이버 및 광 신호 소스가 있는 병렬-직렬 변환기로 구성됩니다. 광섬유 채널을 통한 정보 전송을 위해 두 가지 중요한 파장 범위가 사용됩니다. 두 번째 광학 창이라고 하는 1000h 1300nm와 세 번째 광학 창으로 알려진 1500h 1800nm입니다. 이 범위에서 - 단위 케이블 길이당 라인에서 가장 작은 신호 손실(dB/km). 광전송 시스템에는 다양한 광원을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 발광 다이오드(LED)는 근거리 통신을 위한 저렴한 근거리 통신망에서 자주 사용됩니다. 그러나 넓은 스펙트럼 대역폭과 두 번째 및 세 번째 광학 창의 파장에서 작업할 수 없기 때문에 통신 시스템에서 LED를 사용할 수 없습니다! LED와 달리 스펙트럼 순도가 높은 광학 변조 레이저 송신기는 세 번째 광학 창에서 작동할 수 있습니다. 따라서 비용이 주요 고려 사항이 아니라 고성능이 필수인 초장거리 및 WDM 전송 시스템의 경우 레이저 광원이 사용됩니다. 광통신 링크의 경우 다양한 유형의 직접 시뮬레이션된 반도체 레이저 다이오드가 단거리, 중거리 및 장거리 전송에 대해 최적의 비용/성능 비율을 갖습니다. 장치는 두 번째 및 세 번째 광학 창에서 모두 작동할 수 있습니다. 직접 변조에 사용되는 모든 반도체 레이저 다이오드에는 일반적으로 신호 전송을 위한 동작점 및 변조 전류를 설정하기 위한 DC 바이어스 전류 요구 사항이 있습니다. 바이어스 전류와 변조 전류의 양은 레이저 다이오드의 특성에 따라 다르며, 같은 종류 내에서도 종류에 따라 다를 수 있습니다. 트랜스미터 장치를 설계할 때 시간 및 온도에 따른 이러한 특성의 범위를 고려해야 합니다. 이것은 특히 경제적으로 더 수익성이 높은 비냉각 유형의 반도체 레이저에 해당됩니다. 따라서 레이저 드라이버는 다양한 레이저 다이오드를 선택할 수 있는 다양한 광 송신기가 다양한 온도에서 장기간 작동할 수 있도록 충분한 범위에서 바이어스 전류와 변조 전류를 제공해야 합니다. 레이저 다이오드의 성능 저하를 보완하기 위해 APC(Automatic Power Control) 장치를 사용한다. 여기서는 레이저의 빛에너지를 비례전류로 변환하여 레이저 드라이버에 공급하는 포토다이오드를 사용한다. 이 신호에 따라 드라이버는 레이저 다이오드에 바이어스 전류를 출력하여 광 출력이 일정하게 유지되고 원래 설정과 일치하도록 합니다. 이것은 광학 신호의 "진폭"을 유지합니다. APC 회로에 있는 포토다이오드는 자동 변조 제어(AMC)에도 사용할 수 있습니다. 이러한 기능 외에도 시스템은 드라이버를 차단하여 레이저 전송을 중지할 수 있어야 하지만 입력에서 데이터 수신이 중단되어서는 안 됩니다. 플립플롭 또는 래치를 추가하면(레이저 드라이버 또는 병렬-직렬 변환기의 일부로) 이 데이터 스트림이 레이저 다이오드 드라이버의 출력에 도달하기 전에 타이밍을 다시 조정하여 발진 효율을 향상시킬 수 있습니다. 클록 복구 및 직렬화에는 클록 펄스가 합성되어야 합니다. 이 합성기는 또한 병렬-직렬 변환기에 통합될 수 있으며 일반적으로 위상 고정 루프 회로를 포함합니다. 신디사이저는 가능한 한 적은 지터로 데이터 전송을 보장해야 합니다. 결과적으로 합성기는 광통신 시스템의 송신기에서 핵심적인 역할을 합니다. 무화과에. 2와 3은 각각 수신기와 송신기의 동기 전송 모듈(STM4)을 보여줍니다.
위에서 언급했듯이 통신용 광학 시스템의 모든 구성 요소는 ITU-T 권장 사항을 준수해야 합니다.MAXIM에서 생산한 칩셋을 사용하면 설계자는 경쟁력 있는 트랜시버 장치를 개발할 수 있습니다. 모든 제품은 p-n-p 트랜지스터의 전송 주파수가 6,4GHz, n-p-n - 8,7GHz일 때 고속 바이폴라 기술을 기반으로 합니다. 서브미크론 바이폴라 프로세스의 경우 npn 트랜지스터의 전송 주파수는 27GHz입니다. 생산 중인 STM 4용 IC는 +3,3V 전원을 사용합니다. 전치 증폭기 TIA 증폭기(MAX 3664)는 포토다이오드 센서의 비대칭 전류를 비대칭 전압으로 변환하고 증폭되어 차동 신호로 변환됩니다. 100A(p-p)의 입력 전류에서 출력은 최대 900mV(p-p)의 차동 발진을 가집니다. 낮은 입력 잡음은 신중한 IC 설계와 590pF의 입력 커패시턴스로 대역폭을 1,1MHz로 제한함으로써 달성됩니다. 단일 저잡음 핀 다이오드를 사용할 때 일반적인 입력 감도는 -32dBm 광 전력에 해당합니다. 3,3V 공급의 경우 전력 소비는 85mW에 불과합니다. 데이터 동기화 및 복구(CDR) MAX 3675 칩은 수신된 데이터 스트림과 해당 클록에서 클록 신호를 복구해야 합니다. 3664개의 IC MAX 3675 및 MAX 300는 수신기의 광전자 모듈의 기반을 형성하며 전력 소비는 3,3V에서 XNUMXmW 미만입니다. 아날로그 입력 감도는 3mV 피크-투-피크입니다. 차단 손실 경보 기능 및 입력 신호 전력 센서는 제한 증폭기와 결합됩니다. RSSI 핀의 전력 센서(수신 신호 강도 표시기)는 입력 전력에 비례하는 전압을 출력합니다. 클록 복구에 필요한 위상 고정 루프 회로도 MAX 3675에 완전히 통합되어 있으며 외부 클록 기준이 필요하지 않습니다. 직렬 병렬 변환 장치(DEMUX) 다양한 시스템 인터페이스 체계와 함께 작동하기 위해 MAXIM은 MAX 3680 및 MAX 3681 직렬-병렬 변환기를 제공합니다. MAX 3680은 622Mbps 직렬 데이터 스트림을 78Mbps 165비트 워드 스트림으로 변환합니다. 데이터 및 클럭 출력은 TTL과 호환됩니다. 전력 소비 - 3,3V 전원 공급 시 3681mW. MAX 622은 직렬 데이터 스트림(155Mbps)을 265Mbps 3,3비트 워드 스트림으로 변환합니다. 차동 데이터 및 클록 지원에는 저전압 차동 신호(LVDS)가 있습니다. 전력 소비 - XNUMXV 공급에서 XNUMXmW. SINC 핀을 통해 구동하면 클럭 신호에 따라 데이터 출력을 약간 조정할 수 있습니다. 병렬-직렬 변환기(MUX) MAX3691 칩은 155개의 622Mbps LVDS 데이터 스트림을 3,3Mbps 직렬 스트림으로 변환합니다. 필요한 전송 클록은 전압 제어 발진기, 루프 필터 증폭기 및 외부 클록 기준만 필요한 위상 검출기를 포함하는 온보드 위상 고정 루프를 사용하여 합성됩니다. 215V의 전원 공급 장치에서 소비 전력은 XNUMXmW입니다. 직렬 데이터 출력은 양의 이미터 결합 논리 차동 레벨(PECL) 신호에 의해 제공됩니다. 레이저 셰이퍼(LD) LD(MAX 3667)의 주요 임무는 레이저 다이오드의 직접 변조를 위해 바이어스 전류와 변조 전류를 공급하는 것입니다. 유연성을 위해 차동 입력은 PECL 데이터 스트림과 Vcc = 320V에서 최대 0,75mV 피크 대 피크의 차동 전압 스윙을 수용합니다. BIASSET 핀과 접지 사이의 외부 저항을 변경하여 바이어스 전류를 5~90mA로 조정할 수 있으며 변조 전류는 MODSET 핀과 접지 사이의 저항을 변경하여 5~60mA로 조정할 수 있습니다. 내부의 온도 안정화 전압 레퍼런스는 안정적인 바이어스 및 변조 전류를 보장합니다. MAX 3667의 손상을 방지하려면 BIASSET, MODSET 및 APCSET 핀을 접지하면 안 됩니다. 내부 안전 회로는 총 출력 전류를 약 150mA로 제한합니다. MAX 3667이 작동하려면 단일 3,3V 전원 공급 장치가 필요합니다. MAX 3667의 대안으로 MAX 3766 155볼트 레이저 드라이버는 1,25Mbps ~ 3766Gbps의 데이터 속도로 사용할 수 있습니다. MAX 3667은 MAX XNUMX에 대해 언급된 모든 속성을 포함하지만 대역폭은 더 넓습니다. 이 IC는 레이저 안전 조건을 확장했으며 단일 외부 저항을 사용하여 "광학 진폭"이 온도 및 레이저 기울기 변화에 따라 유지됩니다. 이 기사에서는 광 트랜시버를 위한 MAXIM의 포괄적인 솔루션을 제시합니다. maxim-ic.com에서 광학/전기 어셈블리용으로 제조된 장치의 범위와 그 특성을 볼 수 있습니다. 거기에서 광섬유 통신의 전자 장치에 사용되는 98가지 기본 장치의 기술 매개변수에 대해서도 알 수 있습니다. MAXIM에서 제조한 제품에 대한 러시아어로 된 재료의 상당히 상세한 선택은 CIS 국가의 MAXIM 공식 유통업체인 Rainbow Technologies 웹 사이트 rtcs.ru에서 찾을 수 있습니다. 저자: A. Shitikov, ashitikov@rainbow.msk.ru; 발행: radioradar.net
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