Оптические приемники

Оптические приемники
Оптические приемники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно — оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.

P-I-N — фотодиод (PIN) или лавинный фотодиод (APD) получают световой поток сигнала и путем модуляции удельной электропроводности или изменением потенциала дают возможность конвертировать полученный световой сигнал в электрический. PIN фотодиод относительно дешевый прибор и работает с тем же самым напряжением питания, что и все электронное устройство. Однако его чувствительность намного меньше, чем у лавинного фотодиода. Поэтому расстояние между передатчиком и приемником на основе APD может быть увеличено. Конечно, все это не бесплатно — APD фотодиоды требуют (в зависимости от типа) питающее напряжение от 30 до 100 Вольт. К тому же APD создает большие шумы, стоит дороже, чем PIN — фотодиод и требует охлаждения.

Сигнал с фотодетектора поступает на усилитель напряжения, управляемый током (transimpedance amplifier — TIA). Асимметричное напряжение, полученное в TIA, усиливается и преобразовывается в дифференциальный сигнал, необходимый для работы последующих каскадов. TIA должен обеспечивать как высокую перегрузочную способность, так и высокую входную чувствительность (большой динамический диапазон). Оптические сигналы могут быть ослаблены из — за старения передатчика или длинного канала связи. Поэтому для увеличения чувствительности TIA до минимума должен быть уменьшен собственный шум. С другой стороны, высокая перегрузочная способность требуется, чтобы избежать разрядных ошибок, связанных с искажениями от сильных оптических сигналов.

Максимально достижимая крутизна усилителя TIA зависит от рабочей частоты. Чтобы гарантировать устойчивость и требуемую полосу пропускания коэффициент усиления может быть оптимизирован только в пределах узкого диапазона. При маломощном оптическом сигнале это ограничение может сделать выходной сигнал усилителя недостаточным для дальнейшей обработки. Чтобы усиливать небольшие напряжения в диапазоне 1 ÷ 2 mV, после усилителя TIA ставят еще один усилитель, который в большинстве случаев является усилителем-ограничителем (LA). В этот усилитель также включен индикатор малого сигнала, который предупреждает, когда поступающий сигнал падает ниже определенного пользователем порога, устанавливаемого извне. Чтобы при сигнале близком к порогу флаг индикатора не менял свое значение, компаратор выполняется с гистерезисом.

Ключевой компонент, который следует за усилителем-ограничителем в приемном устройстве — это схема восстановления синхронизации и данных (CDR). CDR выполняет тактирование, принимает решение об уровне амплитуды поступающего сигнала и выдаёт время — и амплитуду- восстановленного потока данных. Есть несколько способов поддержания функции восстановления синхронизации (внешний ПАВ — фильтр, внешний контрольный синхросигнал и т.д. ), но только комплексный подход может снизить и стоимость и объем работ.

Международный союз Телесвязи — сектор стандартов Телесвязи (ITU — T) определяет ограничения на допуск, передачу и генерирование колебания. Качество сигнала на выходе усилителя ограничителя обычно низкое, главным образом из-за не идеальных компонентов в оптической системе передачи. Поскольку схема CDR для достижения нормальной, свободной от ошибок работы, должна принять некоторое количество колебаний входных данных, все устройства приемника должны исполнять рекомендации ITU — T по допуску на неустойчивую синхронизацию.

Помимо эффектов колебания (jitter) шум и искажение импульса также уменьшают фазу запаса регулирования. Это усложняет синхронизацию полученной информации и считывание логического уровня каждого бита. Использование системы фазовой автоподстройки частоты (PLL) — неотъемлемая часть в синхронизации генератора тактовых импульсов с потоком данных, чтобы гарантировать выравнивание синхросигнала с серединой информационного слова. Для последующей оптимизации частоты передачи бита ошибки (BER) при асимметричном повышении и падении переходов сигнала полученных данных, система должна включить выбор регулирования фазы зависимости синхроимпульсов и данных. Последовательный поток восстановленных данных и синхроимпульсов от CDR поступает, обычно, в блок преобразования последовательного кода в параллельный (deserializer). Скорость преобразования его зависит от скорости передачи битов и совместимости (по скорости) с КМОП — компонентами системы.