提高数字光通信系统品质 ---安捷伦科技 mt-rj小封装模块的设计、应用指南
目前，mt-rj光连接器已被广泛应用在100mb/s快速以太网及千兆位(gbit)以太网中。mt-rj连接器采用一个塑料套管,简化了装配难度,也降低了成本,其较小的端口尺寸也相应降低了千兆比特系统的辐射噪声。安捷伦科技公司的mt-rj小封装光纤模块在数码速率高达1.25gbd的应用中具有宽广的适用领域。本文将重点介绍该系列产品在光纤信道以及千兆以太网的应用。前缀为hfbr的模块适用于多模光纤,前缀为hfct的模块适用于单模光纤。后缀为5910e的模块用于光纤信道,后缀为5912e的模块则应用于千兆以太网。本文提供的参考指导,旨在简化千兆位通信系统设计过程，缩短其市场化(商品化进程）。
千兆位物理连接界面
将并行结构的数字系统连接至一个千兆位串行通信链路的功能块如图1所示。当数据从多比特并行字转换成8位字节,编码成10字节码位,并转换成高速串行数据时,随着时钟频率的提高和字节周期的缩短,相位噪声(aka抖动)的影响将变得更加明显。为使输入10比特宽的编码字节串行化,设置在串并行转换器(serdes)发送端的锁相环(pll)会将并行数据时钟频率提高10或20倍,由编码过程将并行数据复用,产生高速串行数据。嵌入在serdes芯片接收器内的另一pll可提取将串行数据转换并行格式所需的时钟。安捷伦科技的(serdes芯片)嵌入式pll使用完善的相位频率检测器及电荷泵误差信号放大器,改进了对电源噪声的抗扰性。虽然这一措施已经达到很高水平,但在每个pll中压控振荡器是模拟的,因此serdes芯片被称作是含有数字和模拟功能块的混合信号集成电路。
在光纤收发器模块中也集成了一个复杂的电路,用来将serdes的数据输出转换为调制激光器所需的模拟信号,并将接收到的光脉冲转换回差分数据输出。尽管集成的水平已很高,但通信系统的噪声仍有可能干扰serdes芯片和光纤收发器的正常工作。
在设计方面，本文的主导思想之一是使噪声干扰达到最小，降低图1所示1、2、3、4测试点的抖动。等式1a和1b给出了串行数据通信线路的信号速率,用波特率(码位/秒)表示。该参数可被用于测定(评判)光纤信道和千兆以太网的应用效率。
千兆位光纤链路通用的印制电路设计规则
当串并行转换器(serdes)芯片连接千兆位mt-rj小封装(sff)光模块时,其必须遵守的设计规则可归纳为下述要点。只要遵循这些规则,就可以最大限度地缩短设计周期,节省工程资源。
1)在千兆位sff模块与serdes之间的高速数据串行线,必须是一条有50 特性阻抗的传输线。
2)用差分信号线连接千兆位sff模块与serdes,以防止失衡和单端高速数据线可能造成的脉宽失真。
3)布线时将高速差分串行线并在一起,并使它们长度一样,这样可使辐射影响和脉宽失真最小。
4)避免高速串行数据线上的90o弯曲。在高速数据线改变方向时，应用大圆角或≤45o折线角。
5)采用具有地层和电源层的多层板。
6)千兆位sff模块和serdes必须使用所建议的电源滤波器。为主系统数字硬件供电的直流电源电磁噪声相对较强,使用电源滤波器可以减少serdes中锁相环(pll)的抖动,可保证集成在千兆位sff模块中接收电路的灵敏度。
7)将所建议的电源滤波器设计安装在被保护的千兆位sff模块和serdes芯片附近。
8)用10管脚电连接千兆位sff模块时,只需要为数不多的无源器件。必须用低通滤波器抑制来自+3.3v电源的电磁干扰,此电源是为主系统的数字逻辑电路供电的，必须用两个130 下拉电阻接到光纤接收器的差分数据输出端。光纤发送器的差分输入是交流耦合的,并且其终端匹配电路已被设计在发送器内,所以在来自serdes芯片串行输出的传输线末端不需要无源器件。
9)连接千兆位sff模块接收器和serdes的串行数据输入端的传输线必须用一个与传输线特性阻抗相同的电阻(100)端相连接。这个终端电阻应安装在serdes芯片的串行数据输入端附近。
10)安捷伦科技的千兆位sff模块数据手册中给出了可选用的耦合电容和偏置电阻网络,这样可以使设计者从不同制造商那里选用sff光纤模块。本文后附的参考电路将重点介绍,在安捷伦科技千兆位sff模块与serdes芯片联合使用时,可实现的简化连接。
印制电路板传输线设计规则
连接serdes芯片与千兆位sff模块的高速串行数据线应做成带-线或微带传输线的结构。图2标出一种带-线传输线尺寸。在这种情况下,信号是在印制电路(pc)板两个等距的交流地平面之间的介质夹层中传送的。带-线的阻抗由pc板材料的介电常数率( r)、电介质厚度(b)、传输线宽度(w)及铜传输线厚度(t)等决定。带-线的特性阻抗可用等式2计算。
图3描述了微带传输线的尺寸。在这种情况下,传输线在顶部是暴露在空气中的，底部在pc板上,地或电源层则位于印制电路内层。微带线的阻抗由pc板材料的介电常数( r)、介质厚度(
