Bộ phát tín hiệu chế độ burst-mode BM-Tx bao gồm 2 khối chính : laser diode nằm trong khối TOSA hoặc BOSA như hình vẽ 2.3 ở trên và IC điều khiển laser
diode (LDD) cung cấp điện áp DC yêu cầu và dòng điều chế cho laser diode. IC
điều khiển laser diode này phải có công suất tiêu thụ rất thấp nên nó có thể được cung cấp nguồn pin dự phòng trong trường hợp thiếu năng lượng cung cấp. Ngoài ra, IC này phải có giá thành thấp và chạy ổn định trong khoảng nhiệt độ rộng do bộ
thu có thểđược đặt ngoài trời.
Đặc điểm truyền dữ liệu tuyến lên theo chế độ burst-mode trong mạng PON đã
đặt ra nhiều yêu cầu mới cho mạch điều khiển laser diode. Trong sơ đồ ghép kênh TDMA, BM-LDD phải phát ra dòng phân cực và dòng điều khiển biến thiển tối thiểu trong khoảng từ 1mA tới 160mA với thời gian lên và xuống của tín hiệu dưới nano-giây. Dòng phân cực trong thời gian mở cửa cung cấp cho BM-LDD ngăn chặn việc laser diode phát xạ ảnh hưởng tới công suất phát của các nguồn tín hiệu bên cạnh suốt khoảng thời gian nó không truyền đi tín hiệu. Nếu một vài nguồn tín hiệu được phát ra từ những ONU không truyền dữ liệu sẽ tác động tới tín hiệu đầu thu của OLT và dẫn đến việc thay đổi đáng kể dải động của tín hiệu. Vì vậy, công suất laser phát xạ trong khoảng thời gian nó không truyền đi dữ liệu phải nhỏ hơn từ 25-30 dB so với công suất laser phát xạ lúc nó truyền dữ liệu. Để có thể giảm thời gian chuyển mạch giữa 2 trạng thái bật và tắt của laser diode, dòng điều chế
của laser không hoàn toàn bị tắt khi nó ở trạng thái “off” nhằm giảm thời gian trễ
khi chuyển sang trạng thái “on” và nhiễu trong chu kỳ tín hiệu được phát đi. Giải pháp phổ biến hiện nay là giữ cho dòng phân cực laser diode ở rất gần với dòng ngưỡng của nó và theo cách này, tỉ số phân biệt mức công suất giữa 2 trạng thái “on” và “off”, thời gian trễ trong quá trình chuyển đổi giữa 2 trạng thái được bảo
đảm. Lựa chọn công suất phát của laser cũng là một vấn đề quan trọng bởi nếu công suất phát cao sẽ làm giảm tỉ số phân biệt mức công suất mong muốn, ngược lại nếu công suất phát thấp có thể đẩy laser vào chếđộ phát xạ tự phát gây ra nhiễu trong việc điều chế thông tin.
BM-LDD yêu cầu phải điều khiển dòng cung cấp cho laser diode một cách ổn
định nhằm đảm bảo công suất phát quang trung bình không đổi đồng thời có tỉ số phân biệt mức công suất ổn định trong một dải nhiệt độ rộng (từ -400C tới 800C). Hình 2.20 thể hiện đặc tính nhiệt độ của F-P laser bằng đường đặc tuyến P-I. Như
và hệ số nhiệt độ của laser; những tham số này phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc và nhiệt độ hoạt động của laser. Để bù lại sự thay đổi công suất phát của laser và tỉ số
phân biệt mức công suất vào nhiệt độ, một mạch điều khiển công suất tốc độ cao APC (Auto Power Control) cần phải được sử dụng. Mạch APC này dựa vào điện áp tham chiếu thu được từ photodiode điều khiển của LD (thường đặt ở mặt sau của laser) rồi thực hiện việc ổn định công suất cho laser khi phát tín hiệu mức cao và thấp. Khi laser không phát ra các gói burst truyền đi trên đường truyền, một mạch kiểm soát mức tín hiệu đỉnh sẽđiều khiển công suất phát của laser và một vòng hồi tiếp sẽ giữ cho dòng phân cực ở trạng thái này ở gần dưới ngưỡng. Khi laser ở trạng thái hoạt động để truyền đi các gói dữ liệu burst, mạch kiểm soát mức tín hiệu trên sẽ chuyển sang điều khiển công suất phát xạ trung bình của laser thông qua photodiode PD và vòng hồi tiếp sẽ giữ cho dòng phân cực và điều chế của laser diode ổn định ở mức tín hiệu mong muốn. Nhờ vậy, công suất phát quang của laser sẽ giữổn định một cách tin cậy ở mức cho phép.
Hình 2.20–Đặc tuyến nhiệt độ của laser F-P
Hình 2.21 thể hiện sơ đồ khối của một IC laser driver điển hình. Tín hiệu đầu vào
được sử dụng dưới dạng PECL (Positive Emitter-Coupler Logic) điện áp thấp hoặc dạng tín hiệu dùng cho CMOS điện áp thấp (LVCMOS – Low-Voltage CMOS). Trong thiết kế này, dòng dữ liệu đưa vào được bù nhiễu trong khối TODC trước khi
điều khiển laser diode ở tầng điều khiển laser LDS (Laser Driver Stage). Vì vậy, nó có khả năng bù nhiễu do thời gian trễ khi chuyển sang trạng thái “on” của laser diode và sau đó hoạt động không cần tới dòng phân cực. Tín hiệu từ photodiode
điều khiển được hồi tiếp về mạch so sánh đỉnh PC (Peak Comparator) để so sánh giá trị điện áp hồi tiếp từ photodiode với giá trị điện áp tham chiếu. Khối xử lý số
DIG điều khiển dòng ở trạng thái “on” của tầng LDS và cung cấp tín hiệu báo hiệu EOL (End of Alarm). Giao tiếp giữa mạch BM-LDD và mạch điều khiển laser diode được ghép DC nhằm giảm thời gian đáp ứng của mạch so với mạch ghép AC thông thường.
Hình 2.22 so sánh hoạt động của tầng LDS trong 2 trường hợp : hoạt động ở chế độ liên tục và chếđộ burst-mode . Mạch LDS hoạt động dưới chếđộ liên tục được thiết kế như hình 2.22a nhằm mục đích giữ cho dòng phân cực cho laser ổn định; từ đó, công suất phát quang cũng giữ giá trị ổn định trong vùng hoạt động. Điều đó cho thấy mạch LDS này không cần thiết phải thay đổi dòng phân cực một cách nhanh chóng nên hầu hết các mạch điều khiển laser chế độ liên tục không có khả
năng điều khiển ở chế độ burst-mode . Tuy nhiên, LDS cũng có khả năng sử dụng cho việc điều chế tín hiệu quang của laser diode dưới tốc độ dữ liệu mong muốn có khả năng hoạt động nhanh với tốc độđiển hình lên tới Gbps. Các mạch tương tự có thểđược sử dụng để điều chế dòng phân cực với tốc độ tương tự. Như thấy được ở
hình 2.22, mạch điều khiển laser được thiết kế với thời gian Ton và Toff rất ngắn (trong khoảng vài ns). Từđiểm này có thể thấy mạch điều khiển laser chếđộ burst- mode không cần thiết phải xây dựng mạch phức tạp hơn so với mạch điều khiển laser chếđộ liên tục.
Hình 2.22–So sánh giữa mạch LDS trong 2 chếđộ liên tục và burst-mode
Hình 2.23 là 2 sơ đồ chuẩn dùng cho mạch chức năng điều khiển APC trong mạch
điều khiển laser diode chế độ burst-mode . Đặc điểm chính của mạch APC là dựa vào vòng hồi tiếp từ photodiode điều khiển. Trong trường hợp đầu tiên (sơ đồ trên), bộ biến đổi I/V dải rộng và mạch xác định đỉnh được sử dụng; chúng thường tiêu thụ công suất khá cao. Do đó, mạch tương tự xác định đỉnh chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian giới hạn nên thường dẫn đến việc xác định sai mức công suất tín hiệu tại thời điểm đầu của dòng tín hiệu burst.
Trong hình 2.23, sơ đồ phía dưới là một giải pháp khác cho mạch APC với khả
năng tiêu thụ công suất ít hơn và giảm sai sót gây ra bởi thời gian hoạt động giới hạn của mạch xác định đỉnh. Mạch APC này có thể hoạt động theo từng gói tín hiệu burst hoặc theo từng bit dữ liệu và không cần thiết phải sử dụng những mạch có tốc
độ xử lý cao, tiêu thụ công suất lớn. Trong suốt chuỗi dữ liệu burst đầu tiên, điện dung của photodiode Cpd được tích tụ tới giá trị xác định. Sau đó, trong suốt quá trình truyền dữ liệu burst tụđiện này được tích tụ từ dòng điện của photodiode hoặc xả bởi xung dòng phát ra từ chuỗi dữ liệu burst và nguồn dòng tham chiếu. Tại thời
điểm cuối của dòng dữ liệu burst, điện áp trên tụđiện sẽ được sẽ được so sánh với
điện áp tích tụ ban đầu bởi khối so sánh để phát ra xung clock. Tùy thuộc vào tín hiệu đầu ra, một bộ đếm sẽ điều khiển công suất ra của laser lên cao hoặc xuống thấp theo từng bước xác định. Do mức công suất của tín hiệu được lựa chọn bởi bộ đếm lên hoặc xuống nên thời gian giữ của mạch này là vô hạn; nhờđó đã khắc phục nhược điểm thời gian giữ hữu hạn của mạch xác định đỉnh trước.
So sánh với phương pháp điều khiển công suất theo từng bit, phương pháp điều khiển công suất theo từng burst có đáp ứng chậm hơn. Mặc dù thời gian đáp ứng của phương pháp này chậm hơn nhưng nó chỉ chiếm khoảng thời gian vài ms nên
đáp ứng này vẫn rất nhanh khi so sánh với sự thay đổi của nhiệt độ và thời gian sống của laser. Ngay sau khi hệ thống được bật lên, một vài gói dữ liệu sẽ được truyền đi với mức công suất rất thấp bởi bộ đếm vẫn chưa tự điều chỉnh được tới giá trị mong muốn. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra trong lần đầu tiên ONU được bật lên và có thể khắc phục bằng cách phát đi một chuỗi ngắn các gói burst thăm dò nhằm mục đích điều chỉnh giá trị của bộ đếm trong suốt thời gian ONU được bật lên từ pin dự phòng và giá trị của bộđếm vẫn còn tham gia vào hệ thống.
Hình ảnh của tín hiệu quang và định thời của BM-Tx cho mang EPON được thể
hiện như hình 2.24 trong đó là các mẫu mắt, gói dữ liệu burst, mẫu tín hiệu laser ở
chếđộ burst “on” và “off”. Mẫu mắt được đo bằng cách truyền chuỗi dữ liệu bất kỳ
27 – 1 bit và công suất phát của laser khi không truyền dữ liệu < -47 dBm. Thời gian laser burst-off dưới 2ns còn thời gian laser burst-on dưới 8ns.
Hình 2.24–Tín hiệu định thời và mẫu mắt của BM-Tx mạng EPON
Hình 2.25 là một ví dụ mẫu mắt đo được trong dải nhiệt độ rộng từ -400C tới 800C. Do tác dụng của mạch APC, laser có công suất phát ổn định trong khoảng 25% cạnh mắt và tỉ số phân biệt mức công suất ổn định trên 10dB. Do tốc độ đáp
ứng nhanh của các IC điều khiển laser chế độ burst-mode có tốc độ từ 155Mbps
đến 1,25Gbps nên các IC này được sử dụng phổ biến trong các mạng EPON, GPON và BPON. Các mạch điều khiển laser có thểđiều khiển một cách độc lập dòng phân cực và điều chế thông qua vòng lặp APC nhằm mục đích bù sự biến thiên công suất phát của laser do sự thay đổi của nhiệt độ và điện áp đặt vào. Các IC điều khiển laser F-P và DFB thường có dòng điều chế khoảng 100mA và dòng phân cực khoảng 80mA. Để giảm giá thành của các module ONU, các bộ khuếch đại giới hạn chế độ liên tục thường được tích hợp với mạch điều khiển laser chế độ burst-mode trên 1 chip.
Hình 2.25–Mẫu mắt đo được ở các nhiệt độ khác nhau 2.2.4.2. Bộ thu quang chếđộ burst-mode
Đặc điểm chính của bộ thu chếđộ burst-mode là có độ nhạy cao, dải động rộng và đáp ứng nhanh. Độ nhạy của đầu thu liên quan chặt chẽ tới dự trữ công suất trong mạng PON. Nếu độ nhạy được cải thiện 3 dB thì đồng nghĩa với việc tăng gấp
đôi tỉ số chia trong mạng PON tức là sẽ có gấp đôi số người dùng được chia sẻ
trong cùng một mạng. Dải động là tham số cần phải quan tâm vì nó ảnh hưởng tới
độ dài mạng được lắp đặt cho phép sử dụng chung giữa người dùng ở gần hoặc xa bộ chia quang trong mạng.
Yêu cầu đặt ra cho bộ thu tín hiệu burst-mode là khả năng nhanh chóng khôi phục lại mức logic của các chuỗi burst riêng biệt. Nguyên tắc cơ bản là sử dụng các mạch ghép DC để nhanh chóng đo được mức tín hiệu tới từ dòng dữ liệu đến rồi nhanh chóng điều chỉnh mức ngưỡng phù hợp. Bộ thu tín hiệu chế độ burst-mode được chia thành 2 cấu trúc chính : cấu trúc hồi tiếp phía sau và hồi tiếp phía trước như
hình 2.26.
Trong cấu trúc hồi tiếp phía trước, mạch tiền khuếch đại ghép DC thường được sử
dụng. Tín hiệu nhận được sẽ được khuếch đại rồi chia thành 2 nhánh. Nhánh đầu tiên từđầu ra của bộ khuếch đại sẽ đi tới bộ khuếch đại vi sai được ghép trực tiếp. Nhánh thứ hai được hồi tiếp về phía trước tới mạch xác định đỉnh để lấy lại thông tin từ biên độ tín hiệu tới của các gói nhận được. Từ đầu ra của bộ xác định đỉnh, mức ngưỡng thích hợp được lựa chọn thích nghi ở phía trước bộ khuếch đại vi sai.
Tại đầu ra của bộ khuếch đại vi sai, biên độ tín hiệu thu được từ các gói dữ liệu
được khôi phục và xử lý tiếp tục.
Trong cấu trúc hồi tiếp phía sau, biên độ tín hiệu sẽđược khôi phục tại tầng tiền khuếch đại. Bộ khuếch đại vi sai biến đổi trở kháng với mạch xác định đỉnh hình thành một vòng lặp. Mạch xác định đỉnh quyết định mức ngưỡng tức thời cho tín hiệu tới. Đầu ra của tầng tiền khuếch đại sẽ được ghép DC với các tầng khuếch đại kế tiếp. Trên quan điểm thiết kế thì mạch hồi tiếp phía sau sẽ hoạt động ổn định hơn mạch hồi tiếp phía trước bởi vòng hồi tiếp âm cho phép bộ thu hoạt động ổn định hơn nhưng lại yêu cầu thêm một mạch tiền khuếch đại biến đổi trở kháng. Trong cấu trúc hồi tiếp phía trước, mạch tiền khuếch đại ghép DC thông thường được sử
dụng nhưng cần được thiết kế một cách kỹ lưỡng để tránh xảy ra tự kích gây ra dao
động trong mạch.
Bộ thu quang còn có thểđược phân loại dựa vào cách xác định ngưỡng của nó. Cách đặt ngưỡng đầu tiên là đầu thu xác định ngưỡng thích nghi dựa vào tín hiệu quang thu ở đầu vào. Do đó, phương pháp này gọi là phương pháp tự động điều khiển ngưỡng ATC (Auto Threshold Control). Cách đặt ngưỡng thứ hai là đầu thu xác định ngưỡng hoàn toàn dựa vào trường “preamble” trong gói dữ liệu thông qua kỹ thuật tự động điều khiển hệ số khuếch đại AGC và giữ giá trị là hằng số trong trường “payload”.
Hình 2.26–Cấu trúc bộ thu tín hiệu chếđộ burst-mode
Hình 2.27 thể hiện sơ đồ khối của một IC khuếch đại chếđộ burst-mode bao gồm bộ khuếch đại giới hạn, đệm tín hiệu đầu ra và mạch ATC. IC này hoạt động do 1 nguồn +3.3V cung cấp. Mạch ATC gồm có : mạch xác định ngưỡng, mạch hồi tiếp DC, mạch chia đôi và mạch “reset”. Như đã thấy đáp ứng của mạch ATC trong hình 2.27, mạch xác định ngưỡng khi nhận được mức logic “1” ở đầu vào tín hiệu
thì mạch hồi tiếp DC sẽ giữ mức logic “0”. Mạch chia đôi sẽ đặt mức ngưỡng ở
giữa 2 mức tín hiệu trên. Để xóa tín hiệu đầu ra của mạch xác định ngưỡng, mạch “reset” nhanh chóng xả điện tích thông qua tụđiện giữ mức đỉnh cùng với tín hiệu “reset” được gửi tới. Như vậy, rõ ràng mạch ATC là mạch xác định đỉnh có độ
chính xác cao với đáp ứng nhanh và độ nhạy cao.
Bộ thu chế độ burst-mode yêu cầu khả năng hoạt động dưới một dải động rất rộng, đáp ứng nhanh bắt đầu từ bit tín hiệu đầu tiên của gói dữ liệu đưa tới và xác
định được tín hiệu với tỉ số phân biệt rất thấp. Để có thể hoạt động đạt được những yêu cầu trên, mạch tiền khuếch đại cần phải tự điều chỉnh hệ số khuếch đại theo từng burst tức là hệ số khuếch đại lớn cho tín hiệu nhỏ và hệ số khuếch đại nhỏ cho tín hiệu lớn. Trong cùng một thời điểm, mạch tiền khuếch đại burst-mode phải có thể phân biệt được mức tín hiệu có hệ số phân biệt thấp với độ nhạy cao.
Nếu đầu vào là tín hiệu lớn nhưng có hệ số phân biệt thấp tới mạch tiền khuếch
đại AGC thông thường, dạng tín hiệu đầu ra sẽ bị phân cực lớn như hình 2.28a.