收发器设计之前确定电路功率预算--上海韬放电子科技有限公司

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2020-05-08

光纤电路的收发器设计是复杂的电路设计，需要选择收发器组件以适应损耗以及激光二极管和光电二极管的动态范围。可以根据它们的相对输出功率和灵敏度简单地选择这些组件，但是光纤电路损耗也会加剧这些组件的局限性。确定光纤电路中的插入损耗预算后，即可确定相关组件的电路功率预算。

“电路功率预算”与“插入损耗预算”可以互换使用，并且这两个术语肯定是相关的。确定插入损耗预算后，就可以选择合适的Tx激光二极管来沿光纤发送数据脉冲，并且可以确定激光二极管的输出功率范围。在收发器设计中，需要仔细将其与接收光电二极管配对。

光纤电路的功率和损耗

尽管光纤电缆中的电磁和光学行为可能会变得非常复杂，但是光纤电路的设计却非常简单。从光学的角度来看，只有三个关键组件：

激光二极管：这会沿光纤发送光数据脉冲。

光纤：光纤的几何形状将决定波长（最小频率）和通道数（以MMF为单位）。

光电二极管：接收光电数据脉冲并将其转换为电信号。

显然，构建收发器模块还需要其他光学和电子组件。诸如透镜和耦合器之类的光学组件对于发送和检测数据脉冲很重要，而在MMF中进行多路复用/多路分解则需要衍射光栅。这些都会给光学系统增加一些损耗，在配对发射器和接收器组件时需要考虑这些损耗。

光纤链路的基本结构

在设计光纤电路时，通常首先选择光纤的类型，因为这受电路长度和电路将在其中运行的网络类型的限制。因此，您需要首先确定插入损耗预算，然后才能专注于配对激光二极管，光电二极管和其他光学组件。这是确定插入损耗预算作为整体电路功率预算一部分的方法。

插入损耗和电路功率预算计算

您要使用的光纤类型（或电缆类型，例如，用于铜缆以太网）将确定电路中的极大插入损耗。此外，标准化光纤具有额定衰减系数，该衰减系数需要包含在电路功率预算计算中。不同光纤波长的标准衰减系数如下所示。

要考虑的下一点是光纤中的损耗。任何光纤中都有许多损耗源。对于传播模式，光缆中的所有损耗都由反射和散射控制，它们共同决定了插入损耗。耦合器，接头，散射以及具有折射率对比的任何界面都会产生反射和/或散射。单个接头可能只会产生约0.3 dB的损耗，但是多个接头会导致光纤迅速达到其插入损耗预算。

要确定光纤电路上的总损耗，请将沿光纤电路的每个源的损耗加起来。如果使用以太网光纤，则可以在IEEE 802.3xx标准中找到指定的插入损耗预算，该标准指定了给定以太网数据速率/指定的极大允许插入损耗。一旦知道总损耗或插入损耗预算，就可以确定收发器电路所需的光电二极管和激光二极管对。

要确定是否可以同时使用激光二极管和光电二极管，只需使用下面显示的公式进行比较。首先，发射功率Ptx（以dBm为单位）需要在接收器灵敏度Pmin和线性范围的高端之间变化，线性范围是根据动态范围DR定义的：

允许的Tx功率输出可确保光纤电路中接收器的线性度而不会造成损失。

如果存在损耗，只需将插入损耗预算（ILB）添加到上式的LHS中，即可确定所需的输出功率范围：

允许的Tx功率输出可确保光纤电路中接收器的线性度而不会造成损失。

该方程式告诉您电路功率预算的影响：Tx功率需要克服插入损耗预算，但不能超过接收器的动态范围。从上面的等式可以明显看出，ILB <DR是为了使任何光传播到电路并在接收器的线性范围内被检测到。

收发器电路设计

确定收发器所需的Tx和Rx组件后，就需要设计和仿真驱动器和接收器电路。接收器电路非常简单，基本上是带有低噪声放大器的雪崩光电二极管电路。放大器的线性范围和光电二极管的负载线将定义收发器的动态范围。发送器侧的驱动电路需要具有低相位噪声，以确保数字数据具有低抖动。