智能SFP光模块的设计与研究概要

智能 SFP 光模块的设计与研究

0 引言

在光通信产品中 , 光模块占有十分重要的地位。光收发模块作为光纤通信网的关键技术之一 , 被广泛应用在同步光纤网络 (SONET和同步数字体系 (SDH、异步传输模式 (ATM、光纤分布数据接口 (FDDI,以及快速以太网和千兆以太网等系统中[1]。在现在的光通信产品中 ,SFP 光模块越来越得到青睐 , SFP 模块体积比 GBIC 模块减少一半 , 还可以支持热拔插等功能,已经得到广泛的使用。同时 , 在现有的各种网络中所需要的光收发一体模块种类越来越多 , 要求也越来越高。为了满足系统不断增长的性能要求 , 光模块正不断向智能化、快速和高密度互联方向发展。

智能 SFP 光模块 , 即采用数字诊断功能的 SFP 光模块 , 将成为新一代光收发一体模块中的亮点。它可以实现网络管理单元实时监测收发模块的温度、供电电压、偏置电流 , 以及发射和接收光功率。通过对这些参数的监测 , 可以帮助系统管理员预测光模块的寿命、隔离系统故障并在现场安装中验证模块的兼容性等 [2]。

1 智能 SFP 光模块系统设计

1.1 发射部分

光发射模块在光传输过程中的主要作用是将电脉冲信号转换成光脉冲信号,输入的是电信号,输出的是光信号。发射模块所示, 主要由 TOSA 及激光驱动电路组成。其中 TOSA 由激光器 LD 及背光二极管 PD 组成。 LD 采用的是垂直腔面发射激光器 VCSEL 。激光驱动器首先将输入的电信号调制为满足数字光纤通信系统传输要求的激光器驱动信号,驱动信号由偏置电流 Ibias 和调制电流 Imod 组成,激光器在驱动信号的驱动下发出相应的光信号,光信号被耦合进光纤中并传输到接收端。在本方案中激光驱动器选用 MAX3286。

激光驱动器具有自动功率控制 (APC功能, APC 电路利用 TOSA 中的背光二极管,监测激光器背光的大小。当光功率小于某一额定值时,通过反馈电路使驱动电流增加,激光器输出功率增加为额定功率值。反之,若光功率大于某一额定值,则通过反

馈电路使驱动电流减小,激光器输出功率随之减小。因此, APC 电路可动态调节激光器驱动偏置电流的大小,能够自动补偿激光器由于环境温度的变化或老化而引起的输出光功率的变化,保持其输出光功率波动范围相对稳定。

1.2 接收部分

接收模块主要作用就是将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光电转换成为电脉冲信号,并给予足够的放大, 还原成为标准的数字脉冲信号。光接收模块原理图所示,主要由光电二极管 PD 、前置放大器、限幅放大器等组成。其中光电二极管和前置放大器集成封装共同构成 ROSA 。

光电二极管是数字光接收机的核心器件,它将光脉冲信号通过光电转换成为电脉冲信号,常用的主要有 PIN 光电二极管和 APD 雪崩光电二极管。光信号从光接口进入光电二极管 PD 后,转换成微弱的电流,电流经过前置放大器转换成电压并一级放大到合适的电平。

本次设计所采用的为 PIN 光电二极管。

限幅放大器的作用是把前置放大器输出的幅度不同的模拟信号处理成等幅的数字信号,同时对这些信号进行放大。为了与光电探测器进行良好的匹配并获得低噪声和宽频带,前置放大器的增益不能太高,前置放大器的输出电压幅度通常从几毫伏到几十毫伏,如此小的信号不能直接输出光模块,因此,有必要对该信号进一步放大;另一方面,由光电探测器从光信号中检测出的电流信号幅度定义在一容限电平上,这一容限考虑了光纤的容差、接头损耗以及因温度和老化引起的参数起伏,然而,为了对数据作进一步的处理, 信号幅度最好为恒定值。因此, 限幅放大器需要在一定的动态范围内, 该动态范围通常要求超过 20dB 。在本方案中限幅放大器采用

MAX3768。

1.3 数字诊断 DDM 部分

数字诊断部分主要由 MCU 来完成。通过 MCU ,网络管理单元可以实时监测收发模块的温度,供电电压,激光偏置电流以及发射和接收的光功率。通过对这些参数的测量,管理单元能够迅速找出光纤链路中发生故障的具体位置,简化维护工作,提高

系统的可靠性。

五个 DDM 参数首先由采集电路进行采集转换,后送至 ADC 输入端, ADC 电路将送来的五个模拟电压量转换成数字信号,经译码电路存于支持 DDM 的存储器的相应地址位上。信息的传递通过两线串行接口 (时钟线 SCL 和数据线 SDA 来实现。

1.3.1 SFF-8472 协议简介

SFF-8472 协议是对相关参数在线监控及数字化的具体规范 , 它将模块的EEPROM 划分出 2 个 256 字节的存储单元 , 在协议中保留了原来 SFP/GBIC 在地址 A0h 处的地址映射 , 并在地址 A2h 处又增加了一个 256 字节存储单元。 A0h 存储单元用于存储 SFP 模块的一些通用信息 , 如模块类型、序列号、生产日期、波长和传输距离等。 A2h 存储单元用 MCU 的 RAM 和 FLASH 代替 EEPROM 。MCU 实时采集到的 5 个模拟量的数字化测量结果、报警 /告警标志位、系统状态标志位、用户自定义标志位等常常改变又不需要保护的数据存储在 RAM 中,等待上位机采集。报警 /告警阈值 , 内外校准参数、光通信系数、某些用户自定义参数等需要保护的数据存储在 FLASH 中,一旦上位机改变这些数据, MCU 接收到新数据后,就要写到 FLASH 保存起来,若掉电或者故障等缘故重启系统,则先从 FLASH 中把这些保护的数据读出来给 RAM 等待上位机读取 [3]。

1.3.2 数字诊断硬件设计

光收发模块的 5 个诊断参量分别由激光驱动器和接收部分相关器件产生,但是这些参量的状态都是模拟电压信号,要实现数字诊断,首先必须将这些模拟信号通过模数转换器转换为数字信号,再跟据 SFF-8472 协议的规定,实现光收发模块的数字诊断功能 [4]。

MCU 是整个 DDM 系统的监测控制中心,必须满足以下条件:具有足够容量且支持在线编程的 FLASH 及 RAM ;具有多通道的 ADC 功能;内置 IIC 控制模块,既可做主机模式,也可以做从机模式;具备较快的处理速率;具备较多的 I/O 接口以方便扩展等。

结合以上要求,本系统 MCU 采用 Atmel 公司的 Atmega16。 Atmega16 有一个10 位的逐次逼近型 ADC ,该 ADC 与一个 8 通道的模拟多路复用器连接,能对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以 0V(GND为基准。 ADC 还包括一个采样保持电路,以确保在转换过程中输入到 ADC 的电压保持恒定。ADC 由 AVCC 引脚单独提供电源, AVCC 与 VCC 之间的偏差不能超过士 0.3V 。数字诊断原理所示。

1.3.3 数字诊断软件实现方式

在硬件设计完成以后,还必须开发单片机工作控制程序,才能完成光模块的数字诊断功能。根据光收发一体模块的设计要求,当模块工作环境在允许范围内时,光模块的一切参数性能都必须满足 SFF-8472 的要求。这就要求当单片机上电时,控制程序就开始运行,进行数字诊断。

当单片机上电后,控制程序首先开始初始化,包括对单片机 I/O 接口的配置、TWI 的配置、 ADC 通道的配置以及看门狗定时器的配置等。初始化结束后,控制程序循环开始运行。软件的程序流程图所示。

2 SFP 光模块信息存储

2.1 EEPROM 芯片 AT24C02A 介绍

在智能化的 SFP 光模块中 , 总是将各种信息 (如该模块的版本号、光模块类型、激光器类型、各种告警信息以及状态信息等存储在光模块上的 EEPROM 存储芯片中。本设计方案选用的 EEPROM 是 ATMEL 公司的 AT24C02A 。该芯片主要是用于数据存储 , 共有 8 个管脚 , 其中 :A0-A2 作为地址线 (主要是用作判断和读取相应地址寄存器的数据信息 ;SDA 和 SCL 管脚共同组成了 IIC 总线 , 分别对应其