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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Lignes de fibre optique et communication. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Téléphonie À cet égard, l'infrastructure des communications par lesquelles les données sont transmises se développe rapidement. A l'appui de ces propos, on peut citer les chiffres suivants - pour la période de 1993 à 1998, le nombre de pages sur Internet est passé de 50 à 50 millions. En trois ans, de 1998 à 2001, le nombre d'utilisateurs connectés au Web est passé de 143 à 700 millions de personnes. La croissance du parc informatique et l'augmentation de la puissance des processeurs d'ordinateurs personnels ont créé une demande pour de gros volumes de transmission de données aussi bien sur Internet que sur les voies de communication traditionnelles : visiophonie, téléphone, fax. Le jeu de puces récepteur/émetteur de MAXIM qui prend en charge les exigences ci-dessus permet des conversions optiques/électriques dans les systèmes de transmission optique SDH/SONET. SDH est la norme européenne pour la fibre optique à haut débit. SONET est une norme qui définit les vitesses, les signaux et les interfaces pour la transmission de données synchrone à des débits supérieurs à un gigabit/s. sur un réseau de fibre optique. Les fabricants d'équipements de réseau fournissent de nouveaux produits avec des paramètres améliorés sur le marché. Mais le besoin d'appareils avec des performances de transfert de données plus élevées augmente. La vitesse de transmission des données sur les fils de cuivre a atteint sa limite, et une nouvelle augmentation est due aux câbles à fibres optiques. La nature physique des câbles à fibres optiques peut considérablement élargir la gamme des taux de transfert de données. Les opportunités de lignes à fibre optique sont utilisées à la fois dans les réseaux locaux et dans les réseaux de données étendus entre les pays. On s'attend à ce que l'expansion de ces réseaux réponde aux demandes des consommateurs en matière de transmission d'informations à grande vitesse et de haute qualité. Pour transmettre des données via des canaux optiques, les signaux doivent être convertis de l'électrique à l'optique, transmis sur une ligne de communication, puis reconvertis en électrique au niveau du récepteur. Ces conversions ont lieu dans le dispositif émetteur-récepteur, qui contient des composants électroniques ainsi que des composants optiques. Émetteurs-récepteurs à fibre optique Un multiplexeur temporel (TDM) largement utilisé dans la technologie de transmission (un dispositif qui divise le temps d'accès à un canal à haut débit entre des lignes à bas débit connectées au multiplexeur), vous permet d'augmenter le débit de transmission jusqu'à 10 Gb / s. Les systèmes modernes à fibre optique à haut débit offrent les normes de vitesse de transmission suivantes.
De nouvelles méthodes de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) ou de multiplexage par répartition spectrale permettent d'augmenter la densité de transmission des données. Pour ce faire, plusieurs flux d'informations multiplex sont envoyés sur un seul canal à fibre optique en utilisant la transmission de chaque flux à différentes longueurs d'onde. Les composants électroniques du récepteur et de l'émetteur WDM sont différents de ceux utilisés dans un système à division temporelle. Considérons le fonctionnement des émetteurs-récepteurs dans un système de transmission optique avec division temporelle TDM. Récepteurs optiques Les récepteurs optiques détectent les signaux transmis sur le câble à fibre optique et les convertissent en signaux électriques, qui les amplifient et les remodèlent ensuite, ainsi qu'en signaux d'horloge. Selon le débit en bauds et les spécificités du système de l'appareil, le flux de données peut être converti de série en parallèle. Sur la fig. La figure 1 montre la conversion, l'émission et la réception d'un signal par un émetteur-récepteur sous forme série ou parallèle, ainsi que la formation d'un signal d'horloge.
PIN - la photodiode (PIN) ou la photodiode à avalanche (APD) reçoivent le signal lumineux et, en modulant la conductivité électrique ou en changeant le potentiel, permettent de convertir le signal lumineux reçu en un signal électrique. La photodiode PIN est un dispositif relativement bon marché et fonctionne avec la même tension d'alimentation que l'ensemble du dispositif électronique. Cependant, sa sensibilité est bien inférieure à celle d'une photodiode à avalanche. Par conséquent, la distance entre l'émetteur et le récepteur basée sur l'APD peut être augmentée. Bien sûr, tout cela n'est pas gratuit - les photodiodes APD nécessitent (selon le type) une tension d'alimentation de 30 à 100 volts. De plus, l'APD génère plus de bruit, coûte plus cher qu'une photodiode PIN et nécessite un refroidissement. Le signal du photodétecteur est transmis à un amplificateur de tension commandé en courant (amplificateur à transimpédance - TIA). La tension asymétrique reçue dans le TIA est amplifiée et convertie en un signal différentiel nécessaire au fonctionnement des étages suivants. Le TIA doit fournir à la fois une capacité de surcharge élevée et une sensibilité d'entrée élevée (plage dynamique élevée). Les signaux optiques peuvent être atténués en raison du vieillissement de l'émetteur ou d'une longue liaison de communication. Par conséquent, afin d'augmenter la sensibilité du TIA au minimum, le bruit propre doit être réduit. D'autre part, une capacité de surcharge élevée est nécessaire pour éviter les erreurs de bit dues à la distorsion des signaux optiques forts. La transconductance maximale réalisable de l'amplificateur TIA dépend de la fréquence de fonctionnement. Afin de garantir la stabilité et la bande passante requise, le gain ne peut être optimisé que dans une plage étroite. Avec un signal optique de faible puissance, cette limitation peut rendre le signal de sortie de l'amplificateur insuffisant pour un traitement ultérieur. Afin d'amplifier de petites tensions de l'ordre de 1 h 2 mV, un autre amplificateur est placé après l'amplificateur TIA, qui dans la plupart des cas est un amplificateur limiteur (LA). Cet amplificateur comprend également un indicateur de signal faible qui vous alerte lorsque le signal entrant tombe en dessous d'un seuil externe défini par l'utilisateur. Pour que lorsque le signal est proche du seuil, le drapeau indicateur ne change pas de valeur, le comparateur est réalisé avec hystérésis. Le composant clé qui suit l'amplificateur limiteur dans le récepteur est le circuit d'horloge et de récupération de données (CDR). Le CDR exécute la synchronisation, décide du niveau d'amplitude du signal entrant et produit le temps - et l'amplitude - du flux de données récupéré. Il existe plusieurs façons de maintenir la fonction de récupération de synchronisation (filtre SAW externe, signal d'horloge de contrôle externe, etc.), mais seule une approche intégrée peut réduire à la fois le coût et la quantité de travail. L'Union internationale des télécommunications - Secteur des normes de télécommunication (UIT - T) définit les restrictions d'admission, de transmission et de génération d'oscillations. La qualité du signal à la sortie de l'amplificateur limiteur est généralement médiocre, principalement en raison de composants imparfaits dans le système de transmission optique. Étant donné que le schéma CDR doit accepter une certaine quantité de gigue dans les données d'entrée pour obtenir un fonctionnement normal et sans erreur, tous les appareils récepteurs doivent être conformes aux directives ITU-T pour la tolérance de gigue. En plus des effets de gigue, le bruit et la distorsion des impulsions réduisent également la phase de la marge de contrôle. Ceci complique la synchronisation des informations reçues et la lecture du niveau logique de chaque bit. L'utilisation d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) fait partie intégrante de la synchronisation de l'horloge avec le flux de données pour garantir que le signal d'horloge est aligné avec le milieu du mot d'information. Afin d'optimiser davantage le débit binaire d'erreur (BER) pour la montée et la descente asymétriques des transitions de signal de données reçues, le système doit inclure une sélection de commande de phase horloge-données. Le flux série de données récupérées et d'horloges du CDR entre généralement dans l'unité de conversion série-parallèle (désérialiseur). Son taux de conversion dépend du débit binaire et de la compatibilité (en termes de vitesse) avec les composants du système CMOS. Transmetteur optique Un émetteur optique dans un système à fibre optique convertit la séquence de données électriques fournies par les composants CMOS du système en un flux de données optiques. Comme le montre la fig. 1, l'émetteur se compose d'un convertisseur parallèle-série avec un synthétiseur d'horloge (qui dépend du réglage du système et du débit binaire), d'un pilote et d'une source de signal optique. Pour la transmission d'informations sur un canal à fibre optique, deux gammes de longueurs d'onde importantes sont utilisées : 1000 h 1300 nm, appelée deuxième fenêtre optique, et 1500 h 1800 nm, appelée troisième fenêtre optique. Sur ces gammes - la plus petite perte de signal dans la ligne par unité de longueur de câble (dB / km). Diverses sources optiques peuvent être utilisées pour les systèmes de transmission optique. Par exemple, les diodes électroluminescentes (DEL) sont souvent utilisées dans les réseaux locaux à faible coût pour les communications à courte distance. Cependant, une large bande spectrale et l'impossibilité de travailler dans les longueurs d'onde des deuxième et troisième fenêtres optiques ne permettent pas l'utilisation de la LED dans les systèmes de télécommunication ! Contrairement à une LED, un émetteur laser modulé optiquement à haute pureté spectrale peut fonctionner dans une troisième fenêtre optique. Par conséquent, pour les systèmes de transmission ultra longue distance et WDM, où le coût n'est pas la considération principale, mais où la haute performance est un must, une source optique laser est utilisée. Pour les liaisons de communication optiques, différents types de diodes laser semi-conductrices à simulation directe présentent un rapport coût/performance optimal pour les transmissions courtes, moyennes et longues. Les dispositifs peuvent fonctionner à la fois dans les deuxième et troisième fenêtres optiques. Toutes les diodes laser à semi-conducteur utilisées pour la modulation directe ont généralement une exigence de courant de polarisation CC pour définir le point de fonctionnement et le courant de modulation pour la transmission du signal. La quantité de courant de polarisation et de courant de modulation dépend des caractéristiques de la diode laser et peut différer d'un type à l'autre et les uns des autres au sein du même type. La plage de ces caractéristiques avec le temps et la température doit être prise en compte lors de la conception du boîtier émetteur. Cela est particulièrement vrai pour les types de lasers à semi-conducteurs non refroidis économiquement plus rentables. Il s'ensuit que le pilote laser doit fournir un courant de polarisation et un courant de modulation dans une plage suffisante pour permettre à différents émetteurs optiques avec un large choix de diodes laser de fonctionner pendant une longue durée et à différentes températures. Pour compenser la détérioration des performances de la diode laser, un dispositif de contrôle automatique de puissance (APC) est utilisé. Il utilise une photodiode qui convertit l'énergie lumineuse du laser en un courant proportionnel et la fournit au pilote laser. Sur la base de ce signal, le pilote délivre un courant de polarisation à la diode laser afin que la sortie lumineuse reste constante et corresponde au réglage d'origine. Cela maintient "l'amplitude" du signal optique. La photodiode trouvée dans le circuit APC peut également être utilisée dans le contrôle automatique de la modulation (AMC). En plus de ces fonctions, le système doit pouvoir stopper les transmissions laser en bloquant le driver, mais la réception des données en entrée ne doit pas être interrompue. En ajoutant une bascule ou un verrou (dans le cadre d'un pilote laser ou d'un convertisseur parallèle-série), l'efficacité de l'oscillation peut être améliorée en resynchronisant ce flux de données avant qu'il n'atteigne la sortie du pilote de diode laser. La récupération d'horloge et la sérialisation nécessitent la synthèse d'impulsions d'horloge. Ce synthétiseur peut également être intégré dans un convertisseur parallèle-série et comprend généralement un circuit à boucle à verrouillage de phase. Le synthétiseur doit assurer la transmission des données avec le moins de gigue possible. De ce fait, le synthétiseur joue un rôle clé dans l'émetteur d'un système de communication optique. Sur la fig. Les figures 2 et 3 montrent les modules de transport synchrone (STM4) du récepteur et de l'émetteur, respectivement.
Comme mentionné ci-dessus, tous les composants d'un système optique pour les télécommunications doivent être conformes aux recommandations ITU - T. Le chipset produit par MAXIM permet aux concepteurs de développer des dispositifs émetteurs-récepteurs compétitifs. Tous les produits sont basés sur la technologie bipolaire à grande vitesse, lorsque la fréquence de transmission pour le transistor p-n-p est de 6,4 GHz et pour n-p-n - 8,7 GHz. Pour un processus bipolaire submicronique, la fréquence de transmission du transistor npn est de 27 GHz. Les circuits intégrés pour STM 4 en cours de production utilisent des alimentations +3,3 V. Préamplificateur L'amplificateur TIA (MAX 3664) convertit le courant asymétrique du capteur à photodiode en une tension asymétrique, qui est amplifiée et convertie en un signal différentiel. Avec un courant d'entrée de 100 A (p-p), la sortie présente des oscillations différentielles allant jusqu'à 900 mV (p-p). Un faible bruit d'entrée est obtenu grâce à une conception soignée des circuits intégrés et en limitant la bande passante à 590 MHz avec une capacité d'entrée de 1,1 pF. Lors de l'utilisation d'une seule diode PIN à faible bruit, la sensibilité d'entrée typique correspond à une puissance optique de -32 dBm. Avec une alimentation de 3,3 V, la consommation électrique n'est que de 85 mW. Synchronisation et récupération des données (CDR) La puce MAX 3675 doit récupérer les signaux d'horloge du flux de données reçu et leur cadencement. Les deux circuits intégrés MAX 3664 et MAX 3675 forment la base du module optoélectronique du récepteur, tandis que la consommation électrique est inférieure à 300 mW à 3,3 V. La sensibilité de l'entrée analogique est de 3 mV crête à crête. La fonction d'alarme de perte de blocage et le capteur de puissance du signal d'entrée sont combinés avec l'amplificateur limiteur. Le capteur de puissance sur la broche RSSI - un indicateur de la force du signal reçu - produit une tension proportionnelle à la puissance d'entrée. Le circuit de boucle à verrouillage de phase requis pour la récupération d'horloge est également entièrement intégré au MAX 3675 et ne nécessite pas de référence d'horloge externe. Unité de conversion série-parallèle (DEMUX) Pour travailler avec divers schémas d'interface système, MAXIM propose les convertisseurs série-parallèle MAX 3680 et MAX 3681. Le MAX 3680 convertit un flux de données série de 622 Mbps en un flux de mots de huit bits de 78 Mbps. La sortie de données et d'horloge est compatible TTL. Consommation d'énergie - 165 mW lorsqu'il est alimenté par 3,3 V. Le MAX 3681 convertit un flux de données série (622 Mbps) en un flux de mots de quatre bits à 155 Mbps. Ses données différentielles et son support d'horloge ont un signal différentiel basse tension (LVDS). Consommation électrique - 265 mW à une alimentation de 3,3 V. En traversant la broche SINC, vous pouvez légèrement régler la sortie de données par rapport au signal d'horloge. Convertisseur parallèle-série (MUX) La puce MAX3691 convertit quatre flux de données LVDS de 155 Mbps en un flux série de 622 Mbps. L'horloge de transmission nécessaire est synthétisée à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase embarquée comprenant un oscillateur commandé en tension, un amplificateur de filtre de boucle et un détecteur de phase qui ne nécessite que des références d'horloge externes. Avec une alimentation de 3,3V, la consommation électrique est de 215 mW. La sortie de données série est fournie par des signaux de niveau différentiel logique à couplage d'émetteur positif (PECL). Façonneur laser (LD) La tâche principale du LD (MAX 3667) est de fournir un courant de polarisation et un courant de modulation pour la modulation directe de la diode laser. Pour plus de flexibilité, les entrées différentielles acceptent les flux de données PECL ainsi qu'une variation de tension différentielle jusqu'à 320 mV crête à crête à Vcc = 0,75 V. En changeant une résistance externe entre la broche BIASSET et la terre, le courant de polarisation peut être ajusté de 5 à 90 mA, et en changeant la résistance entre la broche MODSET et la terre, le courant de modulation peut être ajusté de 5 à 60 mA. Une référence de tension interne stabilisée en température garantit des courants de polarisation et de modulation stables. Pour éviter d'endommager le MAX 3667, les broches BIASSET, MODSET et APCSET ne doivent pas être mises à la terre. Un circuit de protection interne limite le courant de sortie total à environ 150 mA. Le MAX 3667 nécessite une seule alimentation de 3,3 V pour fonctionner. Comme alternative au MAX 3667, le pilote laser 3766 volts MAX 155 est disponible avec des débits de données de 1,25 Mbps à 3766 Gbps. Le MAX 3667 comprend tous les attributs mentionnés pour le MAX XNUMX mais avec une bande passante plus large. Ce circuit intégré a des conditions de sécurité laser étendues et, avec une seule résistance externe, "l'amplitude optique" est maintenue lorsque la température et la pente du laser changent. Cet article présente une solution complète de MAXIM pour un émetteur-récepteur optique. Vous pouvez consulter la gamme d'appareils fabriqués pour les assemblages optiques / électriques et leurs caractéristiques sur maxim-ic.com. Vous pourrez également vous y familiariser avec les paramètres techniques de 98 appareils de base utilisés dans les unités électroniques de communication par fibre optique. Une sélection assez détaillée de documents en russe sur les produits fabriqués par MAXIM est disponible sur le site Web rtcs.ru, Rainbow Technologies, le distributeur officiel de MAXIM dans les pays de la CEI. Auteur : A. Shitikov, ashitikov@rainbow.msk.ru ; Publication : radioradar.net
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