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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Glasfaserleitungen und Kommunikation. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Telefonie In dieser Hinsicht entwickelt sich die Kommunikationsinfrastruktur, über die Daten übertragen werden, rasant weiter. Zur Untermauerung dieser Worte lassen sich folgende Zahlen anführen: Im Zeitraum 1993 bis 1998 stieg die Zahl der Seiten im Internet von 50 auf 50 Millionen. In drei Jahren, von 1998 bis 2001, stieg die Zahl der mit dem Internet verbundenen Nutzer von 143 auf 700 Millionen Menschen. Das Wachstum des Computerparks und die Leistungssteigerung von Personalcomputerprozessoren führten zu einem Bedarf an großen Datenübertragungsmengen sowohl über das Internet als auch über herkömmliche Kommunikationsleitungen: Bildtelefon, Telefon, Faxdienste. Der Empfänger-/Sender-Chipsatz von MAXIM, der die oben genannten Anforderungen unterstützt, ermöglicht optische/elektrische Umwandlungen in optischen SDH/SONET-Übertragungssystemen. SDH ist der europäische Standard für Hochgeschwindigkeits-Glasfaser. SONET ist ein Standard, der Geschwindigkeiten, Signale und Schnittstellen für die synchrone Datenübertragung mit Raten von mehr als einem Gigabit/Sekunde definiert. über ein Glasfasernetz. Hersteller von Netzwerkausrüstung liefern neue Produkte mit verbesserten Parametern auf den Markt. Aber der Bedarf an Geräten mit höherer Datenübertragungsleistung steigt. Die Geschwindigkeit der Datenübertragung über Kupferleitungen ist an ihre Grenzen gestoßen, eine weitere Steigerung ist den Glasfaserkabeln zu verdanken. Die physikalische Natur von Glasfaserkabeln kann den Bereich der Datenübertragungsraten erheblich erweitern. Die Möglichkeiten von Glasfaserleitungen werden sowohl in Ortsnetzen als auch in ausgedehnten Datennetzen zwischen Ländern genutzt. Der weitere Ausbau dieser Netze soll die Nachfrage der Verbraucher nach Hochgeschwindigkeits- und qualitativ hochwertiger Informationsübertragung erfüllen. Um Daten über optische Kanäle zu übertragen, müssen die Signale von elektrisch in optisch umgewandelt, über eine Kommunikationsleitung übertragen und dann am Empfänger wieder in elektrisch umgewandelt werden. Diese Umwandlungen finden in der Transceiver-Vorrichtung statt, die elektronische Komponenten zusammen mit optischen Komponenten enthält. Glasfaser-Transceiver Ein in der Übertragungstechnik weit verbreiteter Zeitmultiplexer (TDM) (ein Gerät, das die Zugriffszeit auf einen Hochgeschwindigkeitskanal zwischen an den Multiplexer angeschlossenen Niedriggeschwindigkeitsleitungen aufteilt) ermöglicht es Ihnen, die Übertragungsrate auf bis zu 10 Gbit / s zu erhöhen. Moderne Hochgeschwindigkeits-Glasfasersysteme bieten die folgenden Übertragungsgeschwindigkeitsstandards.
Neue Verfahren des Wellenlängenmultiplexens (WDM) oder des Spektralmultiplexens ermöglichen es, die Datenübertragungsdichte zu erhöhen. Dazu werden mehrere Multiplex-Informationsströme über einen einzigen Glasfaserkanal gesendet, wobei die Übertragung jedes Stroms bei unterschiedlichen Wellenlängen verwendet wird. Die elektronischen Komponenten im WDM-Empfänger und -Sender unterscheiden sich von denen, die in einem Zeitmultiplexsystem verwendet werden. Betrachten Sie den Betrieb von Transceivern in einem optischen Übertragungssystem mit Zeitmultiplex-TDM. Optische Empfänger Optische Empfänger erfassen die über das Glasfaserkabel übertragenen Signale und wandeln sie in elektrische Signale um, die sie dann verstärken und weiter umformen, sowie in Taktsignale. Je nach Baudrate und Systembesonderheiten des Gerätes kann der Datenstrom von seriell auf parallel gewandelt werden. Auf Abb. Fig. 1 zeigt die Umwandlung, Übertragung und den Empfang eines Signals durch einen Transceiver in serieller oder paralleler Form sowie die Bildung eines Taktsignals.
PIN - Fotodiode (PIN) oder Avalanche-Fotodiode (APD) empfangen das Lichtsignal und ermöglichen durch Modulation der elektrischen Leitfähigkeit oder Änderung des Potentials, das empfangene Lichtsignal in ein elektrisches umzuwandeln. Die PIN-Fotodiode ist ein relativ billiges Gerät und arbeitet mit der gleichen Versorgungsspannung wie das gesamte elektronische Gerät. Seine Empfindlichkeit ist jedoch viel geringer als die einer Avalanche-Fotodiode. Daher kann der Abstand zwischen Sender und Empfänger basierend auf APD erhöht werden. Das alles gibt es natürlich nicht zum Nulltarif – APD-Fotodioden benötigen (je nach Typ) eine Versorgungsspannung von 30 bis 100 Volt. Außerdem erzeugt die APD mehr Rauschen, kostet mehr als eine PIN-Fotodiode und erfordert eine Kühlung. Das Signal des Photodetektors wird einem stromgesteuerten Spannungsverstärker (Transimpedance Amplifier - TIA) zugeführt. Die im TIA empfangene asymmetrische Spannung wird verstärkt und in ein Differenzsignal umgewandelt, das für den Betrieb nachfolgender Stufen erforderlich ist. Der TIA muss sowohl eine hohe Überlastfähigkeit als auch eine hohe Eingangsempfindlichkeit (hoher Dynamikbereich) bieten. Optische Signale können aufgrund der Senderalterung oder einer langen Kommunikationsverbindung gedämpft werden. Um die Empfindlichkeit des TIA auf ein Minimum zu erhöhen, muss daher das Eigenrauschen reduziert werden. Andererseits ist eine hohe Überlastfähigkeit erforderlich, um Bitfehler aufgrund von Verzerrungen durch starke optische Signale zu vermeiden. Die maximal erreichbare Transkonduktanz des TIA-Verstärkers hängt von der Betriebsfrequenz ab. Um die Stabilität und die benötigte Bandbreite zu gewährleisten, kann die Verstärkung nur in einem engen Bereich optimiert werden. Bei einem optischen Signal mit geringer Leistung kann diese Begrenzung dazu führen, dass das Ausgangssignal des Verstärkers für eine weitere Verarbeitung unzureichend wird. Um kleine Spannungen im Bereich von 1 h 2 mV zu verstärken, wird dem TIA-Verstärker ein weiterer Verstärker nachgeschaltet, der in den meisten Fällen ein Begrenzungsverstärker (LA) ist. Dieser Verstärker enthält auch eine Niedrigsignalanzeige, die Sie warnt, wenn das eingehende Signal unter einen benutzerdefinierten, extern eingestellten Schwellenwert fällt. Damit das Indikatorflag seinen Wert nicht ändert, wenn das Signal nahe am Schwellenwert liegt, wird der Komparator mit Hysterese ausgeführt. Die Schlüsselkomponente, die dem Begrenzungsverstärker im Empfänger folgt, ist die Takt- und Datenwiederherstellungsschaltung (CDR). Der CDR führt das Timing durch, entscheidet über den Amplitudenpegel des eingehenden Signals und gibt die Zeit – und Amplitude – des wiedergewonnenen Datenstroms aus. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Synchronisationswiederherstellungsfunktion aufrechtzuerhalten (externes SAW-Filter, externes Steuertaktsignal usw.), aber nur ein integrierter Ansatz kann sowohl die Kosten als auch den Arbeitsaufwand reduzieren. Die International Telecommunication Union – Telecommunication Standards Sector (ITU – T) definiert Beschränkungen für die Zulassung, Übertragung und Erzeugung von Schwingungen. Die Signalqualität am Ausgang des Begrenzerverstärkers ist in der Regel schlecht, hauptsächlich aufgrund unvollkommener Komponenten im optischen Übertragungssystem. Da das CDR-Schema eine bestimmte Menge an Jitter in den Eingangsdaten akzeptieren muss, um einen normalen, fehlerfreien Betrieb zu erreichen, müssen alle Empfängergeräte die ITU-T-Richtlinien für Jitter-Toleranz erfüllen. Zusätzlich zu Jitter-Effekten reduzieren auch Rauschen und Pulsverzerrung die Phase des Steuerspielraums. Dies erschwert die Synchronisierung der empfangenen Informationen und das Lesen des logischen Pegels jedes Bits. Die Verwendung eines Phasenregelkreises (PLL) ist ein integraler Bestandteil beim Synchronisieren des Takts mit dem Datenstrom, um sicherzustellen, dass das Taktsignal mit der Mitte des Informationsworts ausgerichtet ist. Um die Fehlerbitrate (BER) für einen asymmetrischen Anstieg und Abfall von empfangenen Datensignalübergängen weiter zu optimieren, muss das System eine Auswahl einer Takt-zu-Daten-Phasensteuerung enthalten. Der serielle Strom wiedergewonnener Daten und des Takts von der CDR tritt normalerweise in die Seriell-zu-Parallel-Umwandlungseinheit (Deserialisierer) ein. Seine Umwandlungsrate hängt von der Bitrate und der Kompatibilität (in Bezug auf die Geschwindigkeit) mit CMOS-Systemkomponenten ab. Optischer Sender Ein optischer Sender in einem Glasfasersystem wandelt die von den CMOS-Komponenten des Systems gelieferte elektrische Datenfolge in einen optischen Datenstrom um. Wie in Abb. 1 besteht der Sender aus einem Parallel-Seriell-Wandler mit einem Taktsynthesizer (der von der Systemeinstellung und der Bitrate abhängt), einem Treiber und einer optischen Signalquelle. Für die Übertragung von Informationen über einen Glasfaserkanal werden zwei wichtige Wellenlängenbereiche verwendet: 1000 h 1300 nm, das zweite optische Fenster genannt, und 1500 h 1800 nm, das dritte optische Fenster genannt. Auf diesen reicht - der kleinste Signalverlust in der Leitung pro Kabellängeneinheit (dB / km). Für optische Übertragungssysteme können verschiedene optische Quellen verwendet werden. Beispielsweise werden Leuchtdioden (LEDs) häufig in kostengünstigen lokalen Netzwerken für Kurzstreckenkommunikation verwendet. Die große spektrale Bandbreite und die Unfähigkeit, in den Wellenlängen des zweiten und dritten optischen Fensters zu arbeiten, erlauben jedoch nicht den Einsatz der LED in Telekommunikationssystemen! Im Gegensatz zu einer LED kann ein optisch modulierter Lasersender mit hoher spektraler Reinheit in einem dritten optischen Fenster arbeiten. Daher wird für Ultra-Langstrecken- und WDM-Übertragungssysteme, bei denen die Kosten nicht die Hauptüberlegung sind, aber eine hohe Leistung ein Muss ist, eine laseroptische Quelle verwendet. Für optische Kommunikationsverbindungen haben verschiedene Arten von direkt simulierten Halbleiterlaserdioden ein optimales Preis-/Leistungsverhältnis für kurze, mittlere und lange Übertragungen. Die Vorrichtungen können sowohl im zweiten als auch im dritten optischen Fenster betrieben werden. Alle Halbleiterlaserdioden, die für die Direktmodulation verwendet werden, haben typischerweise einen DC-Bias-Strombedarf, um den Arbeitspunkt und den Modulationsstrom für die Signalübertragung einzustellen. Die Höhe des Vorstroms und des Modulationsstroms hängt von den Eigenschaften der Laserdiode ab und kann sich von Typ zu Typ und innerhalb desselben Typs voneinander unterscheiden. Die Schwankungsbreite dieser Kennlinien mit Zeit und Temperatur muss bei der Auslegung der Sendeeinheit berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere für wirtschaftlich rentablere ungekühlte Typen von Halbleiterlasern. Daraus folgt, dass der Lasertreiber einen Bias-Strom und einen Modulationsstrom in einem ausreichenden Bereich bereitstellen muss, um zu ermöglichen, dass verschiedene optische Sender mit einer großen Auswahl an Laserdioden für lange Zeit und bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Um die nachlassende Leistung der Laserdiode auszugleichen, wird ein Gerät zur automatischen Leistungsregelung (APC) verwendet. Es nutzt eine Fotodiode, die die Lichtenergie des Lasers in einen proportionalen Strom umwandelt und diesen dem Lasertreiber zuführt. Basierend auf diesem Signal gibt der Treiber einen Vorstrom an die Laserdiode aus, sodass die Lichtleistung konstant bleibt und der ursprünglichen Einstellung entspricht. Dadurch bleibt die „Amplitude“ des optischen Signals erhalten. Die in der APC-Schaltung enthaltene Fotodiode kann auch in der automatischen Modulationssteuerung (AMC) verwendet werden. Zusätzlich zu diesen Funktionen muss das System in der Lage sein, Laserübertragungen durch Blockieren des Fahrers zu stoppen, aber der Empfang von Daten am Eingang darf nicht unterbrochen werden. Durch Hinzufügen eines Flip-Flops oder Latch (als Teil eines Lasertreibers oder Parallel-Serien-Wandlers) kann die Oszillationseffizienz verbessert werden, indem dieser Datenstrom neu getaktet wird, bevor er den Ausgang des Laserdiodentreibers erreicht. Taktrückgewinnung und Serialisierung erfordern die Synthese von Taktimpulsen. Dieser Synthesizer kann auch in einen Parallel-Seriell-Umsetzer integriert werden und enthält üblicherweise eine Phasenregelkreisschaltung. Der Synthesizer muss eine möglichst jitterfreie Datenübertragung gewährleisten. Demzufolge spielt der Synthesizer eine Schlüsselrolle im Sender eines optischen Kommunikationssystems. Auf Abb. 2 und 3 zeigen die synchronen Transportmodule (STM4) des Empfängers bzw. des Senders.
Wie oben erwähnt, müssen alle Komponenten eines optischen Systems für die Telekommunikation den Empfehlungen der ITU - T entsprechen.Der von MAXIM hergestellte Chipsatz ermöglicht Designern die Entwicklung wettbewerbsfähiger Transceiver-Geräte. Alle Produkte basieren auf Hochgeschwindigkeits-Bipolartechnologie, wenn die Übertragungsfrequenz für p-n-p-Transistoren 6,4 GHz und für n-p-n - 8,7 GHz beträgt. Für einen Bipolarprozess im Submikrometerbereich beträgt die Übertragungsfrequenz des npn-Transistors 27 GHz. Die ICs für STM 4, die produziert werden, verwenden +3,3-V-Stromversorgungen. Vorverstärker Der TIA-Verstärker (MAX 3664) wandelt den asymmetrischen Strom vom Fotodiodensensor in eine asymmetrische Spannung um, die verstärkt und in ein Differenzsignal umgewandelt wird. Bei einem Eingangsstrom von 100 A (p-p) weist der Ausgang Differenzschwingungen von bis zu 900 mV (p-p) auf. Niedriges Eingangsrauschen wird durch sorgfältiges IC-Design und durch Begrenzung der Bandbreite auf 590 MHz mit einer Eingangskapazität von 1,1 pF erreicht. Bei Verwendung einer einzelnen rauscharmen Pin-Diode entspricht die typische Eingangsempfindlichkeit einer optischen Leistung von -32 dBm. Bei einer 3,3-V-Versorgung beträgt die Leistungsaufnahme nur 85 mW. Datensynchronisierung und -wiederherstellung (CDR) Der MAX 3675-Chip muss die Taktsignale aus dem empfangenen Datenstrom und deren Taktung zurückgewinnen. Die beiden ICs MAX 3664 und MAX 3675 bilden die Basis des optoelektronischen Moduls des Empfängers, während die Leistungsaufnahme weniger als 300 mW bei 3,3 V beträgt. Die analoge Eingangsempfindlichkeit beträgt 3 mV Spitze-zu-Spitze. Die Sperrverlust-Alarmfunktion und der Eingangssignal-Leistungssensor sind mit dem Begrenzungsverstärker kombiniert. Der Leistungssensor am RSSI-Pin – ein Indikator für die Stärke des empfangenen Signals – gibt eine Spannung aus, die proportional zur Eingangsleistung ist. Die für die Taktrückgewinnung erforderliche Phasenregelkreisschaltung ist ebenfalls vollständig in den MAX 3675 integriert und benötigt keine externe Taktreferenz. Seriell-zu-Parallel-Umwandlungseinheit (DEMUX) Um mit verschiedenen Systemschnittstellenschemata zu arbeiten, bietet MAXIM die Seriell-zu-Parallel-Konverter MAX 3680 und MAX 3681 an. Der MAX 3680 wandelt einen seriellen Datenstrom mit 622 Mbit/s in einen 78-Bit-Wortstrom mit 165 Mbit/s um. Die Daten- und Taktausgabe ist TTL-kompatibel. Leistungsaufnahme - 3,3 mW bei Versorgung mit 3681 V. Der MAX 622 wandelt einen seriellen Datenstrom (155 Mbps) in einen 265 Mbps 3,3-Bit-Wortstrom um. Seine differentielle Daten- und Taktunterstützung hat ein Low Voltage Differential Signal (LVDS). Stromverbrauch - XNUMX mW bei XNUMX V Versorgung. Indem Sie den SINC-Pin durchfahren, können Sie die Datenausgabe relativ zum Taktsignal leicht abstimmen. Parallel-zu-Seriell-Konverter (MUX) Der MAX3691-Chip wandelt vier 155-Mbit/s-LVDS-Datenströme in einen seriellen 622-Mbit/s-Stream um. Der erforderliche Sendetakt wird mithilfe eines integrierten Phasenregelkreises synthetisiert, der einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Schleifenfilterverstärker und einen Phasendetektor enthält, der nur externe Taktreferenzen benötigt. Bei einer Stromversorgung von 3,3 V beträgt die Leistungsaufnahme 215 mW. Der serielle Datenausgang wird durch positive emittergekoppelte logische Differenzpegelsignale (PECL) bereitgestellt. Laserformer (LD) Die Hauptaufgabe des LD (MAX 3667) ist die Bereitstellung von Ruhestrom und Modulationsstrom zur direkten Modulation der Laserdiode. Aus Gründen der Flexibilität akzeptieren die Differenzeingänge PECL-Datenströme sowie einen Differenzspannungshub von bis zu 320 mV Spitze-zu-Spitze bei Vcc = 0,75 V. Durch Ändern eines externen Widerstands zwischen dem BIASSET-Pin und Masse kann der Bias-Strom von 5 bis 90 mA eingestellt werden, und durch Ändern des Widerstands zwischen dem MODSET-Pin und Masse kann der Modulationsstrom von 5 bis 60 mA eingestellt werden. Eine interne, temperaturstabilisierte Spannungsreferenz garantiert stabile Bias- und Modulationsströme. Um eine Beschädigung des MAX 3667 zu vermeiden, dürfen die Pins BIASSET, MODSET und APCSET nicht geerdet werden. Eine interne Schutzschaltung begrenzt den Gesamtausgangsstrom auf ca. 150 mA. Der MAX 3667 benötigt zum Betrieb eine einzelne 3,3-V-Stromversorgung. Alternativ zum MAX 3667 ist der 3766-Volt-Lasertreiber MAX 155 mit Datenraten von 1,25 Mbit/s bis 3766 Gbit/s erhältlich. Der MAX 3667 enthält alle Attribute, die für den MAX XNUMX erwähnt wurden, jedoch mit einer größeren Bandbreite. Dieser IC hat erweiterte Lasersicherheitsbedingungen und mit einem einzigen externen Widerstand wird die "optische Amplitude" beibehalten, wenn sich die Temperatur und die Laserneigung ändern. Dieser Artikel stellt eine umfassende Lösung von MAXIM für einen optischen Transceiver vor. Auf maxim-ic.com können Sie das Angebot an gefertigten Geräten für optische / elektrische Baugruppen und deren Eigenschaften einsehen. Dort können Sie sich auch mit den technischen Parametern von 98 Basisgeräten vertraut machen, die in elektronischen Einheiten der Glasfaserkommunikation verwendet werden. Eine ziemlich detaillierte Auswahl an Materialien in russischer Sprache zu den von MAXIM hergestellten Produkten finden Sie auf der Website rtcs.ru, Rainbow Technologies, dem offiziellen Distributor von MAXIM in den GUS-Staaten. Autor: A. Shitikov, ashitikov@rainbow.msk.ru; Veröffentlichung: radioradar.net
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