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10Gb/s XFP 光模块系统数字诊断功能需要进行信号丢失(LOS)监控。通过监控光功率是否过低，可探测到导致误码率劣化的系统故障。本文以MAX3991进行信号丢失探测，用限幅放大器的IC时钟和数据恢复电路对XFP模块的10Gb/s接收器进行了优化。该器件的精密LOS探测器监控跨阻放大器(TIA)输出信号幅度，输出信号幅度与TIA线性范围内的接收光功率峰-峰值(即光调制幅度OMA)成正比。可根据不同BER设置LOS报警指示，还可通过附加滞回实现小信号输入时的可靠LOS探测，针对给定误码率(BER)调整LOS报警阈值。
10Gb/s接收器
图1是一个XFP模块中典型的10Gb/s光接收器。10Gb/s跨阻放大器将光电流转换为电压。通常恢复信号幅度和时钟在噪声受限光接收器中，信噪比和BER互相影响。对于一个输入噪声受限的接收器，BER是接收信号功率的函数。因此，可通过在限幅放大器输入端探测信号幅度，实现对BER劣化精确监控，对于较小的光功率，该幅度与OMA成正比。这种OMA探测对于没有调制控制的光发射器非常关键，因为随温度和时间变化，这类发射器消光比将会减小。
图1 10Gb/s XFP光接收器 LOS探测器特性 MAX3991的LOS探测器是均方根功率探测器，简化的LOS探测方案如图2所示。其具有精度高、稳定性好，功耗极低的特性。对于固定控制电压VTH，报警精度在时间、温度和电源变化时优于±1.5dB，稳定度在温度和变化时优于±10%。较高的精度和稳定度使模块设计人员可直接设置光报警阈值，而不必针对环境变化重新校准。 图2 MAX3991的LOS探测方案 MAX3991的报警电压范围为15～50mVp-p。进行报警设置时在VTH引脚加载所需报警电压10倍的控制电压。图3是LOS报警(Vassert)、解除报警(Vde-assert)电压与控制电压VTH的关系。阈值VTH决定LOS报警时的探测功率期望值。功率探测器固有噪声导致其输出在均值上下变化。这种变化为高斯分布，将影响LOS报警电平的重复性。MAX3991高斯分布的功率探测器输出测得的标准偏差σ约为0.4mVrms。如果报警均值电压为20mVp-p，则器件在99.8%的时间里，会在18.8mVp-p和21.2mVp-p(±3σ)之间报警。如果不使用LOS功率探测器，则将VTH引脚连接至VCC，强制将LOS输出置低，这样可降低约15mW的功耗。 图3 LOS报警和控制电压关系 采用外部电阻增大LOS滞回 数字模式的MAX3991具有精确受控的内置滞回，最小3.5dB，最大3.9dB，相当于1.75dB至1.95dB的光功率滞回。滞回(hysteresis)定义为： (1) 图3是报警和解除报警额定滞回。考虑到功率探测器噪声，如果所需输入报警电压接近或低于15mVp-p，偶尔会发生LOS信号抖动的现象。可用图4所示外部电阻来增大滞回，防止小信号输入时出现这种情况。 图4 采用外部电阻增大LOS滞回 假设VREF(V)为外部加载电压，阈值控制电压VTH为： (2) (3) 附加滞回为： (4) 总滞回为内部滞回和公式(4)所示附加滞回之和(以dB表示)。电阻R2的功能是防止出现LOS引脚过载，建议阻值大于40kΩ。电阻R1负责将滞回提高到所需数值。 合成LOS和LOL输出 接收光信号必须具有足够的功率和正确的数据速率才能实现无误码接收。LOS探测器仅监控信号功率，要实现更高的接收信号质量，还需监控PLL丢锁(LOL)状态。LOL探测器比较恢复时钟和参考时钟频率差。在没有输入信号时，指示PLL失锁所需的时间依赖于内部VCO漂移速率，具有很大不确定性。为防止输入信号无变化时LOL报警时间的不确定性，可按表1所示，在外部合成LOS和LOL输出。 表1 不同状态的LOS和LOL 信号丢失(LOS)探测实验分析 本实验用MAX3991进行信号丢失探测实验，从而设置LOS报警光功率，某接收器参数如下：
表2 典型接收器误码率和信号电平 假定接收器灵敏度仅受接收器输入参考噪声决定时，实验得出表2不同BER和信号电平间的关系，例如，如果希望LOS在BER=10-3时报警，应将MAX3991报警阈值设为26mVp-p。这相当于-21.6dBm的平均报警光功率、-19.85dBm解除报警光功率和 1.75dB光滞回，如图5所示。可针对给定误码率(BER)调整LOS报警阈值。 图5 信号丢失功能 |
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