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【漏风书场】光通信科普

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楼主
本帖最后由 wolfe_yu 于 2021-6-10 11:05 编辑

#申请原创#
@21小跑堂



科普贴——光模块演绎及PAM-4简介
前言
随着大数据、云计算和物联网时代的到来,人们对数据的流量的需求急剧增长,传统的光通信技术已经远远无法满足人们的需求,这就让人们不断的寻求新的传输协议。
于是,从最早的串口通信,发展到后面的以10M/100M以太网,再到更后面的光通信……

光通信起源
光通信,顾名思义是通过光信号的变化来传输信息,达到数据通信的目的,最早的光通信,可以追溯到中国的商周时期,那时候没有先进的通信设施,军队调动,主要依靠点燃烽火来做敌情信号的传输。[size=14.6667px]
烽火传输,有个优点,传输速度快,有一缺点,信息量少,只能告诉你有情况,快支援,其他啥信息没有,极有可能是,主帅整顿大部队到达战场,发现就抓了几个游击。后来被废弃。
光模块基本原理
到了近现代,随着串口通信协议和速率的不断提高,光模块得到突飞猛进的发展,从最初的155M、622M到后面的100G、200G等。
光模块的大致工作原理如下图所示:
发端把电信号通过控制激光二极管通断,把电信号通过调制转换成光信号,同时,收端把光信号再解调为电信号的过程,就是光模块的简单工作原理。
在实际光收发一体模块设计,会涉及到光的调制解调、发端驱动、收端放大等,所以,实际的光模块大致框图如下图所示:

光模块关键部件
Ø  调制解调
在高速信号的收发过程中,为了节约成本,我们通常的做法是通过码元传输数据,时钟信号通常是隐藏在码元之中,在接收端有一个无法避免的话,就是时钟同步问题,时钟同步技术有很多种,大致分为:插入导频法、平方提取法、科斯塔斯(Costas)环法,由于科斯塔斯环法不需要信号预先做平方处理,导频分量,开销最低,所以,大部分CDR都是采用基于科斯塔斯环法来实现的,科斯塔斯环法框图大致如下:
CDR除了提取时钟信息之外,还会把在传输过程中变形的码元信息重构一次,完整的CDR大致框图如下图所示:


Ø  光接收组件
光电探测器PD是光接收组件(ROSA)的最核心,一般来说,PD大致可以分为两大类:PIN管和APD,另外还有诸如MSM、UTC-PD、WD-PD等。
PIN二极管主要是在P和N层之间加入一个I层,作为耗尽层,可以吸收绝大多数光子,形成光电流。特点:需要施加的偏压小,噪声小,无电压倍增作用;
雪崩二极管(APD)是利用雪崩倍增效应,使光电流得到倍增的高灵敏度探测器,APD能承受高的反向偏压,从而在PN结内部形成高电场区。特点:能提供内部增益,工作速度高,施加偏压大。
TIA是Trans-ImpedanceAmplifier,跨阻放大器的缩写,用来把电流信号转换成电压信号。
Ø  光发射组件
TOSA里面最核心的就是Laser(激光器),激光器分为两类,一类是边沿发射激光器Edge Emitter Laser(EEL),另一类是垂直表面腔激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
激光器有一个PI曲线,随着激光器温度升高,以前同样的调制电流输入到激光器后,平均光功率Pavg和消光比ER都会变差,因此,设计Transceiver的时候需要做必要的温度补偿,所以,我们会在Laser中加入TEC做温度补偿。
在光发射组件中,Driver是另一个非常重要的部分,Driver芯片里面有两个电流源,一个是偏置电流源IBias控制平均光功率,一个是调制电流源Imod控制消光比ER。Transceiver输入端的电压信号,0或者1就控制上图的那个开关切换到哪个位置。
开关切换到位置1,流过激光器的电流是Ibias+Imod,电流大,所以激光器发出强光,开关切换到位置0,流过激光器的电流是Ibias,电流小,所以激光器发出弱光,这样,就完成了电压信号到光强光弱的转换,从而完成了信号的调制。
新的挑战及PAM-4
Ø  传输速率瓶颈
许多串行链路受带宽限制,在任何长度的铜线上移动都难以超过28 Gb/s,所以,我们想要做到更高的传输速率,就必须突破现有技术,寻求新的技术方向。
Ø  PAM-4技术简介
PAM4是脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation)的一种,是继NRZ(Non-Return-to-Zero)后的热门信号传输技术,当前已被广泛应用在高速信号互连领域。
NRZ和PAM4信号的典型区别在于:每个时钟周期,NRZ输出两个状态,传输1Bit逻辑,PAM4为可以输出4个状态,传输2Bit逻辑。在同样波特率条件下,PAM-4信号比特速率是NRZ信号的2倍,传输效率提高一倍。
PAM-4架构如下图所示,发端将两路1 bit NRZ信号合并成一路2 bit PAM-4信号,下图为PAM-4的系统架构图。
PAM-4和传统NRZ码元传输的最大差别在于,PAM-4必须依赖于DSP做抽样判断,发端通过DSP-DAC转换发射码元,收端放大整形之后,通过DSP-ADC判断码元,核心框图如下。
Ø  PAM-4技术未来趋势
从目前看来,PAM-4还会采用DSP的方式做码元处理,但是从未来可操作性和成本角度考虑,新的CDR技术可以很容易的替代现有的DSP方案,最终实现低成本。

Microchip解决方案
一直以来,Microchip深耕光模块市场,成功Design Win了很多物料,也帮客户做到比较优化的设计。

Ø  Microchip主要机会

Ø  MCU
ATSAML21J18B-UNUT
优势:
a128KBytes<20msMicrochip集成RWW 64 Bytes FLASH模拟EEPROM
b
Microchip集成PLA/CCLI/O复用;
c
、温度等级,Microchip的温度等级可以支持到125℃(高);
d
I2C擦写速度最高可达3.4M;
e、封装,Microchip支持小封装;
f
、低功耗(中);
g、低成本。
Ø  Memory
SPI Flash  SST25PF040CT-40I/NP
优势:
a、非易失性,高可靠性;
b
、擦写速度快。
EEPROM  AT25M02-U1UM0B-T
优势:
非易失性,高可靠性。
Ø  DC/DC
DCDC  LX7180A-01CLQ-TR
优势:
a、电流输出4A
bQFN,小封装,不易碎。
Ø  Clock
Oscillators  VC-830-ECE-KAAN-156M25
优势:
a、低抖动;
b、高性能频率稳定性。

Oscillators DSC1222DL3-156M2500

优势:
a、小体积;
b、高性能频率稳定性。

Fanout Buffer SY89311UMG-TR

优势:
a、小体积;
b、低相位抖动。
Ø  其他
功率监测     PAC1934
温度传感器   MCP9700
Load Switch  MIC95410

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21小跑堂 打赏了 10.00 元 2021-06-10
理由:恭喜通过原创文章审核!请多多加油哦!

评论

wolfe_yu 2021-6-11 07:16 回复TA
@Clancymike :谢邀,讲光通信的书比较杂,如果是偏理论,推荐看看樊昌信编的通信原理之类的书籍,偏科普的话,最近光通信圈有一个很火的人,匡国华,写了一篇漫谈光通信。 谢谢! 
Clancymike 2021-6-10 23:09 回复TA
@wolfe_yu :好的,非常感谢!请问光通信方面有什么值得推荐的书吗? 
wolfe_yu 2021-6-10 08:51 回复TA
@Clancymike :最简单的方法,看对应的协议,协议上的指标通常是根据模块的使用场景,计算光链路预算,最后留点裕量来的。 
Clancymike 2021-6-9 23:19 回复TA
新人小白,刚刚接触这个部分内容,这里想问一下如何确定光模块中激光器得TX功率范围呢? 
AckerlyYang 2021-6-9 11:35 回复TA
点赞,持续关注! 小狼加油! 
AckerlyYang 2021-6-9 11:33 回复TA
很细致的讲解,感谢小狼,持续关注,希望可以继续分享这么好的文章! 
沙发
John13| | 2021-6-9 07:19 | 只看该作者
继续关注

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板凳
自己造声卡| | 2021-6-9 12:31 | 只看该作者
这个确实不错的知识贴。很棒的。

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地板
xiu1991| | 2021-6-9 13:42 | 只看该作者
如果您想了解更多信息和索样测试,请发送邮件至IOT@excelpoint.com.cn,Excelpoint(世健)的技术团队会第一时间联系您

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5
水蛭| | 2021-6-9 16:31 | 只看该作者
接下来,来个专业贴吧! 把这方案DIY搞出来,赚点外块。

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6
wolfe_yu|  楼主 | 2021-6-9 18:29 | 只看该作者
水蛭 发表于 2021-6-9 16:31
接下来,来个专业贴吧! 把这方案DIY搞出来,赚点外块。

果然想的比较周到

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7
martin| | 2021-6-10 10:00 | 只看该作者
写得很专业,赞!

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8
AckerlyYang| | 2021-6-10 12:47 | 只看该作者
专业!小狼加油!

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9
xudeng22| | 2021-6-10 15:04 | 只看该作者
专业啊 ,一下把光模块原大概理搞懂了

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10
yangxiaor520| | 2021-6-10 21:42 | 只看该作者
专业讲解。

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11
勇者无惧你和我| | 2021-6-11 08:53 | 只看该作者
一定要夯实基础知识的,不然不知道怎么弄。

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12
hex8069| | 2021-6-12 18:29 | 只看该作者
microchip 那个插图太漂亮了!

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13
两只袜子| | 2021-6-15 15:56 | 只看该作者
文档做的很漂亮

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14
chenqianqian| | 2021-6-15 20:32 | 只看该作者
专业讲解

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