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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Líneas y comunicaciones de fibra óptica. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Telefonia En este sentido, la infraestructura de comunicaciones a través de la cual se transmiten los datos se está desarrollando rápidamente. Para confirmar estas palabras, se pueden citar las siguientes cifras: durante el período de 1993 a 1998, el número de páginas en Internet aumentó de 50 a 50 millones. En tres años, de 1998 a 2001, el número de usuarios conectados a Internet aumentó de 143 a 700 millones de personas. El crecimiento del parque informático y el aumento de la potencia de los procesadores de las computadoras personales han creado una demanda de grandes volúmenes de transmisión de datos tanto a través de Internet como a través de líneas de comunicación tradicionales: servicios de videoteléfono, teléfono y fax. El conjunto de chips producido por MAXIM para el receptor/transmisor, que soporta los requisitos anteriores, permite conversiones ópticas/eléctricas en sistemas de transmisión óptica SDH/SONET. SDH es un estándar europeo para medios de fibra óptica para transmisión de datos de alta velocidad. SONET es un estándar que define velocidades, señales e interfaces para la transmisión de datos síncrona a velocidades superiores a un gigabit/seg. a través de una red de fibra óptica. Los fabricantes de equipos de red suministran al mercado nuevos productos con parámetros mejorados. Pero la necesidad de dispositivos con mayor rendimiento de transferencia de datos está aumentando. La velocidad de transmisión de datos a través de hilos de cobre ha llegado a su límite y se debe a los cables de fibra óptica un aumento adicional. La naturaleza física de los cables de fibra óptica puede expandir significativamente el rango de tasas de transferencia de datos. Las oportunidades de las líneas de fibra óptica se aprovechan tanto en redes locales como en extensas redes de datos entre países. Se espera que una mayor expansión de estas redes satisfaga las demandas de los consumidores de transmisión de información de alta velocidad y alta calidad. Para transmitir datos a través de canales ópticos, las señales deben convertirse de eléctricas a ópticas, transmitirse a través de una línea de comunicación y luego volver a convertirse a eléctricas en el receptor. Estas conversiones tienen lugar en el dispositivo transceptor, que contiene componentes electrónicos junto con componentes ópticos. Transceptores de fibra óptica Un multiplexor por división de tiempo (TDM) muy utilizado en la tecnología de transmisión (un dispositivo que divide el tiempo de acceso a un canal de alta velocidad entre líneas de baja velocidad conectadas al multiplexor), permite aumentar la tasa de transmisión hasta 10 Gb/s . Los modernos sistemas de fibra óptica de alta velocidad ofrecen los siguientes estándares de velocidad de transmisión.
Los nuevos métodos de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) o multiplexación por división espectral permiten aumentar la densidad de transmisión de datos. Para hacer esto, se envían múltiples flujos de información múltiplex a través de un solo canal de fibra óptica utilizando la transmisión de cada flujo en diferentes longitudes de onda. Los componentes electrónicos del receptor y transmisor WDM son diferentes de los que se utilizan en un sistema de división de tiempo. Considere la operación de transceptores en un sistema de transmisión óptica con división de tiempo TDM. Receptores ópticos Los receptores ópticos detectan las señales transmitidas por el cable de fibra óptica y las convierten en señales eléctricas, que luego las amplifican y remodelan aún más, así como en señales de reloj. Según la velocidad en baudios y las especificaciones del sistema del dispositivo, el flujo de datos se puede convertir de serie a paralelo. En la fig. 1 muestra la conversión, transmisión y recepción de una señal por un transceptor en forma serial o paralela, así como la formación de una señal de reloj.
Un fotodiodo PIN (PIN) o un fotodiodo de avalancha (APD) reciben una señal luminosa y, modulando la conductividad eléctrica o modificando el potencial, permiten convertir la señal luminosa recibida en eléctrica. El fotodiodo PIN es un dispositivo relativamente económico y funciona con la misma tensión de alimentación que todo el dispositivo electrónico. Sin embargo, su sensibilidad es mucho menor que la de un fotodiodo de avalancha. Por lo tanto, se puede aumentar la distancia entre el transmisor y el receptor en función de APD. Por supuesto, todo esto no es gratuito: los fotodiodos APD requieren (según el tipo) una tensión de alimentación de 30 a 100 voltios. Además, el APD genera más ruido, cuesta más que un fotodiodo PIN y requiere refrigeración. La señal del fotodetector se alimenta a un amplificador de voltaje controlado por corriente (amplificador de transimpedancia - TIA). La tensión asimétrica recibida en el TIA es amplificada y convertida en una señal diferencial necesaria para el funcionamiento de las etapas posteriores. El TIA debe proporcionar tanto una alta capacidad de sobrecarga como una alta sensibilidad de entrada (alto rango dinámico). Las señales ópticas pueden atenuarse debido al envejecimiento del transmisor o a un enlace de comunicación largo. Por lo tanto, para aumentar al mínimo la sensibilidad del TIA, se debe reducir el ruido propio. Por otro lado, se requiere una alta capacidad de sobrecarga para evitar errores de bit debido a la distorsión de señales ópticas fuertes. La transconductancia máxima alcanzable del amplificador TIA depende de la frecuencia de funcionamiento. Para garantizar la estabilidad y el ancho de banda requerido, la ganancia solo puede optimizarse dentro de un rango estrecho. Con una señal óptica de baja potencia, esta limitación puede hacer que la señal de salida del amplificador sea insuficiente para su posterior procesamiento. Para amplificar pequeños voltajes en el rango de 1 h 2 mV, se coloca otro amplificador después del amplificador TIA, que en la mayoría de los casos es un amplificador limitador (LA). Este amplificador también incluye un indicador de señal baja que lo alerta cuando la señal entrante cae por debajo de un umbral establecido externamente definido por el usuario. Para que cuando la señal esté cerca del umbral, la bandera del indicador no cambie su valor, el comparador se realiza con histéresis. El componente clave que sigue al amplificador limitador en el receptor es el circuito de recuperación de datos y reloj (CDR). El CDR realiza la temporización, decide el nivel de amplitud de la señal entrante y emite el tiempo y la amplitud del flujo de datos recuperado. Hay varias formas de mantener la función de recuperación de sincronización (filtro SAW externo, señal de reloj de control externo, etc.), pero solo un enfoque integrado puede reducir tanto el costo como la cantidad de trabajo. La Unión Internacional de Telecomunicaciones - Sector de estándares de telecomunicaciones (UIT - T) define restricciones de admisión, transmisión y generación de oscilaciones. La calidad de la señal en la salida del amplificador limitador suele ser deficiente, principalmente debido a componentes menos que ideales en el sistema de transmisión óptica. Debido a que el esquema CDR debe aceptar una cierta cantidad de fluctuación en los datos de entrada para lograr un funcionamiento normal y sin errores, todos los dispositivos receptores deben cumplir con las pautas de ITU-T para la tolerancia a la fluctuación. Además de los efectos de fluctuación, el ruido y la distorsión del pulso también reducen la fase del margen de control. Esto complica la sincronización de la información recibida y la lectura del nivel lógico de cada bit. El uso de un sistema de bucle de bloqueo de fase (PLL) es una parte esencial en la sincronización del reloj con el flujo de datos para garantizar que la señal del reloj esté alineada con la mitad de la palabra de información. Para optimizar aún más la tasa de bits de error (BER) para transiciones asimétricas de subida y bajada de señales de datos recibidas, el sistema debe incluir una selección de control de fase de reloj a datos. El flujo en serie de datos y relojes recuperados del CDR generalmente ingresa a la unidad de conversión de serie a paralelo (deserializador). Su velocidad de conversión depende de la tasa de bits y la compatibilidad (en términos de velocidad) con los componentes del sistema CMOS. transmisor óptico Un transmisor óptico en un sistema de fibra óptica convierte la secuencia de datos eléctricos suministrada por los componentes CMOS del sistema en un flujo de datos ópticos. Como se muestra en la fig. 1, el transmisor consta de un convertidor de paralelo a serie con un sintetizador de reloj (que depende de la configuración del sistema y la tasa de bits), un controlador y una fuente de señal óptica. Para la transmisión de información por un canal de fibra óptica se utilizan dos importantes rangos de longitud de onda: 1000 h 1300 nm, denominada segunda ventana óptica, y 1500 h 1800 nm, conocida como tercera ventana óptica. En estos rangos, la pérdida de señal más pequeña en la línea por unidad de longitud de cable (dB / km). Se pueden utilizar varias fuentes ópticas para los sistemas de transmisión óptica. Por ejemplo, los diodos emisores de luz (LED) se utilizan a menudo en redes de área local de bajo costo para comunicaciones de corta distancia. Sin embargo, un amplio ancho de banda espectral y la imposibilidad de trabajar en las longitudes de onda de la segunda y tercera ventana óptica no permiten el uso del LED en los sistemas de telecomunicaciones. A diferencia de un LED, un transmisor láser modulado ópticamente con alta pureza espectral puede operar en una tercera ventana óptica. Por lo tanto, para sistemas de transmisión de ultra larga distancia y WDM, donde el costo no es la consideración principal, pero el alto rendimiento es imprescindible, se utiliza una fuente óptica láser. Para los enlaces de comunicación óptica, varios tipos de diodos láser semiconductores de simulación directa tienen una relación costo/rendimiento óptima para transmisiones cortas, medianas y largas. Los dispositivos pueden operar tanto en la segunda como en la tercera ventana óptica. Todos los diodos láser semiconductores utilizados para la modulación directa suelen tener un requisito de corriente de polarización de CC para establecer el punto de funcionamiento y la corriente de modulación para la transmisión de la señal. La cantidad de corriente de polarización y corriente de modulación depende de las características del diodo láser y puede diferir de un tipo a otro y entre sí dentro del mismo tipo. El rango de estas características con el tiempo y la temperatura debe tenerse en cuenta al diseñar la unidad transmisora. Esto es especialmente cierto para los tipos de láseres semiconductores no refrigerados económicamente más rentables. De ello se deduce que el controlador láser debe proporcionar una corriente de polarización y una corriente de modulación en un rango suficiente para permitir que diferentes transmisores ópticos con una amplia variedad de diodos láser funcionen durante mucho tiempo y a diferentes temperaturas. Para compensar el deterioro del rendimiento del diodo láser, se utiliza un dispositivo de control automático de potencia (APC). Utiliza un fotodiodo que convierte la energía luminosa del láser en una corriente proporcional y la suministra al controlador del láser. Basándose en esta señal, el controlador produce una corriente de polarización en el diodo láser para que la potencia de la luz permanezca constante y coincida con la configurada originalmente. Esto mantiene la “amplitud” de la señal óptica. El fotodiodo que se encuentra en el circuito APC también se puede utilizar en el control de modulación automática (AMC). Además de estas funciones, el sistema debe poder detener las transmisiones láser bloqueando el controlador, pero la recepción de datos en la entrada no debe interrumpirse. Al agregar un flip-flop o pestillo (como parte de un controlador de láser o un convertidor de paralelo a serie), se puede mejorar la eficiencia de la oscilación volviendo a sincronizar este flujo de datos antes de que llegue a la salida del controlador de diodo láser. La recuperación y serialización del reloj requieren la síntesis de pulsos de reloj. Este sintetizador también se puede integrar en un convertidor de paralelo a serie y generalmente incluye un circuito de bucle de bloqueo de fase. El sintetizador debe garantizar la transmisión de datos con la menor fluctuación posible. Como resultado, el sintetizador juega un papel clave en el transmisor de un sistema de comunicación óptica. En la fig. 2 y 3 muestran los módulos de transporte síncrono (STM4) del receptor y transmisor, respectivamente.
Como se mencionó anteriormente, todos los componentes de un sistema óptico para telecomunicaciones deben cumplir con las recomendaciones ITU - T. El conjunto de chips producido por MAXIM permite a los diseñadores desarrollar dispositivos transceptores competitivos. Todos los productos se basan en tecnología bipolar de alta velocidad, cuando la frecuencia de transmisión para el transistor p-n-p es de 6,4 GHz y para n-p-n - 8,7 GHz. Para un proceso bipolar submicrónico, la frecuencia de transmisión del transistor npn es de 27 GHz. Los circuitos integrados para STM 4 que se están produciendo utilizan fuentes de alimentación de +3,3 V. Preamplificador El amplificador TIA (MAX 3664) convierte la corriente asimétrica del sensor de fotodiodo en un voltaje asimétrico, que se amplifica y convierte en una señal diferencial. Con una corriente de entrada de 100 A (p-p), la salida tiene oscilaciones diferenciales de hasta 900 mV (p-p). El ruido de entrada bajo se logra mediante un diseño IC cuidadoso y limitando el ancho de banda a 590 MHz con una capacitancia de entrada de 1,1 pF. Cuando se utiliza un solo diodo pin de bajo ruido, la sensibilidad de entrada típica es de -32 dBm de potencia óptica. Con una fuente de alimentación de 3,3 V, el consumo de energía es de solo 85 mW. Sincronización y recuperación de datos (CDR) El chip MAX 3675 debe recuperar las señales de reloj del flujo de datos recibido y su sincronización. Los dos circuitos integrados MAX 3664 y MAX 3675 forman la base del módulo optoelectrónico del receptor, mientras que el consumo de energía es inferior a 300 mW a 3,3 V. La sensibilidad de la entrada analógica es de 3 mV de pico a pico. La función de alarma de pérdida de bloqueo y el sensor de potencia de la señal de entrada se combinan con el amplificador limitador. El sensor de potencia en el pin RSSI, un indicador de la fuerza de la señal recibida, emite un voltaje proporcional a la potencia de entrada. El circuito de bucle de enganche de fase necesario para la recuperación del reloj también está totalmente integrado en el MAX 3675 y no requiere una referencia de reloj externa. Unidad de conversión de serie a paralelo (DEMUX) Para trabajar con varios esquemas de interfaz de sistema, MAXIM ofrece los convertidores de serie a paralelo MAX 3680 y MAX 3681. El MAX 3680 convierte un flujo de datos en serie de 622 Mbps en un flujo de palabras de ocho bits de 78 Mbps. La salida de datos y reloj es compatible con TTL. Consumo de energía: 165 mW cuando funciona con 3,3 V. El MAX 3681 convierte un flujo de datos en serie (622 Mbps) en un flujo de palabras de cuatro bits de 155 Mbps. Sus datos diferenciales y soporte de reloj tienen una señal diferencial de bajo voltaje (LVDS). Consumo de energía: 265 mW con suministro de 3,3 V. Al conducir a través del pin SINC, puede ajustar ligeramente la salida de datos en relación con la señal del reloj. Convertidor paralelo a serie (MUX) El chip MAX3691 convierte cuatro flujos de datos LVDS de 155 Mbps en un flujo serial de 622 Mbps. El reloj de transmisión necesario se sintetiza utilizando un bucle de bloqueo de fase incorporado que incluye un oscilador controlado por voltaje, un amplificador de filtro de bucle y un detector de fase que solo requiere referencias de reloj externas. Con una fuente de alimentación de 3,3 V, el consumo de energía es de 215 mW. La salida de datos en serie es proporcionada por señales positivas de nivel diferencial lógico acoplado por emisor (PECL). Moldeador láser (LD) La tarea principal del LD (MAX 3667) es suministrar corriente de polarización y corriente de modulación para la modulación directa del diodo láser. Para mayor flexibilidad, las entradas diferenciales aceptan flujos de datos PECL, así como oscilaciones de voltaje diferencial de hasta 320 mV de pico a pico a Vcc = 0,75 V. Al cambiar la resistencia externa entre el pin BIASSET y tierra, la corriente de polarización se puede ajustar de 5 a 90 mA, y la corriente de modulación se puede ajustar de 5 a 60 mA cambiando la resistencia entre el pin MODSET y tierra. Una referencia de voltaje interna estabilizada por temperatura garantiza corrientes de polarización y modulación estables. Para evitar dañar el MAX 3667, los pines BIASSET, MODSET y APCSET no deben conectarse a tierra. Un circuito de seguridad interno limita la corriente de salida total a aproximadamente 150 mA. El MAX 3667 requiere una sola fuente de alimentación de 3,3 V para funcionar. Como alternativa al MAX 3667, el controlador láser de cinco voltios MAX 3766 está disponible con velocidades de datos de 155 Mbps a 1,25 Gbps. El MAX 3766 incluye todos los atributos mencionados para el MAX 3667 pero con un ancho de banda más amplio. Este IC tiene condiciones extendidas de seguridad del láser, y con una sola resistencia externa, la "amplitud óptica" se mantiene a medida que cambia la temperatura y la pendiente del láser. Este artículo presenta una solución integral de MAXIM para un transceptor óptico. Puede consultar la gama de dispositivos fabricados para montajes ópticos/eléctricos y sus características en maxim-ic.com. Allí también puede familiarizarse con los parámetros técnicos de 98 dispositivos básicos utilizados en unidades electrónicas de comunicación por fibra óptica. Se puede encontrar una selección bastante detallada de materiales en ruso sobre los productos fabricados por MAXIM en el sitio web rtcs.ru, Rainbow Technologies, el distribuidor oficial de MAXIM en los países de la CEI. Autor: A. Shitikov, ashitikov@rainbow.msk.ru; Publicación: radioradar.net
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