Đặc điểm chính của bộ thu chế độ 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 từ đầu 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 sẽ được 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 thể được 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 chế độ burst-mode
Hình 2.27 thể hiện sơ đồ khối của một IC khuếch đại chế độ 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 tụ điện 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. Biên độ tín hiệu ra sẽ bị hạn chế làm cho đầu thu khó có thể phân biệt được mức logic “0” và “1” một cách phù hợp. Nhằm giải quyết vấn đề về sự hạn chế của tỉ số phân biệt mức tín hiệu đầu ra, một khối AGC có khả năng điều khiển khuếch đại biến đổi trở kháng cần được thêm vào từng tầng trong mạch phụ thuộc vào biên độ tín hiệu đầu vào. Hình 2.28b là đáp ứng của khối AGC này cho tín hiệu burst có tỉ số phân biệt thấp. Đường G1 trên hình vẽ là đáp ứng của bộ khuếch đại biến đổi trở kháng cho tín hiệu lớn, đường G2 là đáp ứng cho tín hiệu nhỏ với hệ số khuếch đại cao hơn so với trường hợp tín hiệu lớn. Để bảo đảm khuếch đại trong cùng một tầng, mức logic “0” không thể lớn bằng mức logic “0” trong các bộ tiền khuếch đại thông thường. Nhờ vậy, mạch này có khả năng phân biệt mức logic “0” và “1” một cách thích hợp, cho phép đầu thu khôi phục lại tín hiệu burst với tỉ số phân biệt thấp.
Hình 2.27–Sơ đồ khối của một IC tiền khuếch đại chế độ burst-mode
Hình 2.28–So sánh giữa mạch AGC thông thường và mạch AGC burst-mode
Hình 2.29a là hình dạng một bộ tiền khuếch đai AGC. Mạch này gồm một mạch xác định mức nền BLD (Bottom Level Dectector), mạch điều khiển khuếch đại GCC (Gain Control Circuit), mạch “reset” và một transistor FET nối song song với điện trở hồi tiếp. Hình 2.29b là đáp ứng của từng khối với tín hiệu burst ở đầu vào. BLD nhanh chóng xác định mức nền của tín hiệu sau tầng khuếch đại thứ ba và mạch giữ trong BLD sẽ giữ lại mức tín hiệu này. Tùy theo mức tín hiệu này, mạch GCC sẽ phát ra một điện áp không đổi trong suốt quá trình hoạt động của tầng này để đưa tới điện áp cực cổng của FET (FET được nối song song với điện trở hồi tiếp nhằm mục đích giảm trở kháng hồi tiếp). Khi dòng đầu vào IC tăng (do công suất
tín hiệu quang tới cao), điện áp cực cổng của FET tăng làm giảm biến đổi trở kháng. Vì thế biến đổi trở kháng phụ thuộc vào dòng điện đầu vào. Khi tín hiệu trong tầng thay đổi, một tín hiệu “reset” được phát ra tới BLD, đầu ra của mạch GCC và mạch khuếch đại biến đổi trở kháng để chúng trở về trạng thái ban đầu. Kết quả là tầng khuếch đại có dải động lớn mặc dù với tín hiệu có tỉ số phân biệt thấp.
Hình 2.29–Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của tầng tiền khuếch đại AGC Tất cả các bộ thu được nói đến ở trên đều được ghép trực tiếp giữa các tầng giúp cho chúng có đáp ứng nhanh và giảm sai sót với tín hiệu burst. Những thiết bị này được xây dựng cho mạng BPON và GPON với đặc điểm định thời một cách chặt chẽ. Có thể lấy ví dụ trong mạng GPON tốc độ dữ liệu 1,244Gbps với 32 bit bảo vệ (25,6ns) được chỉ định cho thời gian laser bật và tắt, 44 bit trong trường “preamble” (35,4ns) tại đầu mỗi gói burst chỉ định cho việc điều khiển khuếch đại và phục hồi xung clock. Như đã biết trong mạng EPON, bộ thu có thời gian khởi động lên tới 400ns cho phép sử dụng mạch ghép AC cho những ứng dụng có thời gian đủ ngắn cho phép. Khi mạch ghép AC được ứng dụng cho những mạch có hằng số thời gian nhỏ làm cho mạch có đáp ứng rất nhanh với tín hiệu đầu vào. Hình 2.30 thể hiện sơ đồ khối của 2 mạch thu quang chế độ burst-mode ghép AC và ghép DC. Trong hình 2.30, mạch ghép AC gồm 1 tụ ngăn cách giữa 2 tầng liên tiếp, mạch tiền
khuếch đại tại đầu ra đã được phối hợp trở kháng và mạch khuếch đại giới hạn phối hợp trở kháng đầu vào.
Hình 2.30–So sánh giữa đầu thu sử dụng mạch ghép AC và DC
Tóm lại, kiến trúc transceiver của mạng FTTH sử dụng chế độ truyền burst-mode đã đẩy nhanh tốc độ truyền nhận dữ liệu. Thông qua việc thiết kế chi tiết các mạch điều khiển laser, sử dụng ghép tầng trực tiếp DC, mạch xác định tín hiệu thích nghi, … ; mạng FTTH có thể có tốc độ truyền nhận dữ liệu gấp nhiều lần kiến trúc transceiver thông thường. Công nghệ mạch tổ hợp sẽ tiếp tục giúp tăng tốc độ của kiến trúc này.
Chương III : MẠCH PHÁT VÀ LÀM SẮC XUNG CỰC NGẮN
Hiện nay, khi mạng FTTH đang ngày càng đẩy nhanh tốc độ truyền tải dữ liệu (từ 1,25Gbps lên tới 10Gbps), việc tạo và làm sắc xung có sườn khoảng vài trăm ps là vấn đề tất yếu xảy ra. Bên cạnh đó, hầu hết các linh kiện phát quang là LED và laser đều bị hạn chế tốc độ bởi thời gian sống của hạt tải dẫn tới việc kéo dài sườn xuống của xung quang. Điều này đã dẫn tới vấn đề cần phải thiết kế một máy phát xung cực ngắn có sườn lên và xuống tầm cỡ từ vài chục tới vài trăm pico giây. Có rất nhiều giải pháp được đưa ra giải quyết vấn đề này như sử dụng chuyển mạch quang dẫn, sử dụng đường truyền phi tuyến NTLT hoặc sử dụng diode SRD,… Trong đó, máy phát xung sử dụng diode SRD là một giải pháp đơn giản có giá thành thấp nhất thỏa mãn được nhu cầu cần thiết này. Trong luận văn này, vấn đề trên đã được giải quyết bằng cách sử dụng máy phát xung SRD với khả năng điều chỉnh độ rộng xung dùng đường dây trễ ngắn mạch.