3G SFP光发射模块的原理、性能及测试结果分析

在传统的演播环境中都是用同轴电缆传输未压缩数字视频信号，而3G SFP光发射模块的设计实现能使光纤代替同轴电缆进行信号传输。SFP光发射模块又称小型可热插拔光发射模块，它的作用是通过模块内的发射组件TOSA将电信号转换成光信号，使得信号可以用光纤进行传输。

当前，国内外光发射模块市场以2.5G为主，10G光发射模块和40G光发射模块也在迅速地发展。对于传输高清数字视频信号的SFP光发射模块，仅支持速率为1.485 Gbps的1080i和720p视频信号，3G SFP的研究则针对全高清1080p视频信号，最高速率达2.97 Gbps.

本文研究了3G SFP光发射模块，其作用是将速率为2.97 Gbps的数字视频信号转换成光信号，用光纤传输代替传统的同轴电缆传输，不仅大大地节约了基础设备的资金投入，同时也给管理员维护升级带来了便利。

1 光发射模块基本原理

这里的3G指的是3G SDI串行链路标准。串行数字接口（Serial Digital Interface,SDI）是ITUR BT.656以及移动图像和电视工程师协会（SMPTE）提出的串行链路标准，在演播环境中通过75 Ω同轴电缆来传输未压缩的数字视频。该标准的第一版是SMPTE 259M.随着1080i和720p等高清视频标准的出现，对接口进行了调整以处理更高的1.485 Gbps数据速率，由SMPTE 292M进行定义。幸运的是，为了支持1080p和数字影院等分辨率更高的图像质量，SMPTE批准了名为SMPTE 424M[1]的新标准，SDI数据速率达到了2.97 Gbps,这一标准也称为3G SDI.

3G SFP光发射模块的设计要满足SFP MSA多源协议[2]和SFF8472协议的要求。该发射模块主要由TOSA及LD驱动电路组成。TOSA即光发射组件，包括激光器LD和光电二极管PD,其作用是把光信号转换成电信号，而LD驱动电路用于驱动控制LD.首先，输入模块的电信号由LD驱动电路接收，并调制到LD的驱动电流上，驱动激光器发出带有数据调制信号的激光。LD驱动电路具备自动功率控制（APC）功能，可通过检测背光二极管产生的光电流来实现闭环控制。通过APC环路，LD驱动电路可动态调节LD驱动电流的大小。

作为发射模块的重要功能部件的选择，必须依据各类型光源器件的特点和匹配性能需求来进行选择和设计。常用光源的半导体发光器件主要有3种：LED发光管、FP激光器、DFB激光器。它们各自特点如下：LED发光管输出光功率低、发散角大、光谱宽、调制速率低、价格低廉，适合短距离通信；FP激光器输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合中距离通信；DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件使其只有一个纵模输出，性能优于FP激光器，成本较高，用于长距离通信。

3G SFP光发射模块主要用于在演播室环境中传输高清视频信号，传输距离不会超过10 km.综合考虑，选择1310 nm FP型激光器作为TOSA的激光器。

在LD驱动电路的设计上，采用MCU加外围电路的方式。 MCU芯片采用ADN2873,该款芯片完全符合SFF8472要求，工作速率为50 Mbps~4.25 Gbps,内带自动功率控制环路，3.3 V供电，满足3G SFP光发射模块的数据速率要求。

2 光发射功能的主要性能研究

在光发射模块中，激光二极管是半导体器件。温度升高时，它的阈值电流增大，光功率电流曲线斜率就降低。光功率电流（PI）曲线如图1所示。

图1 光功率电流（PI）曲线

设计光发射模块最重要的指标是模块的平均光功率和消光比。要使所设计的光发射模块工作稳定，就要保证平均光功率和消光比维持在一个稳定的范围内。

平均光功率PAVG用公式表示为：

其中，P1表示高电平时最大光功率，P0表示低电平时最小光功率。APC环路通过调节偏置电流变化可以维持PAV的稳定。消光比ER的公式：

要想稳定ER就要知道P1和P0.在知道平均光功率PAVC的情况下，由于光幅度功率PPP是最大光功率与最小光功率的差值（即PPP=P1-P0），因此，P1和P0可以用PAVG和PPP表示，即消光比的稳定与平均光功率和光幅度功率有关，在驱动电路中通过调节调制电流变化维持PPP稳定。

ADN2873内部结构如图2所示。ADN2873内置APC自动功率控制环路，外接MPD背光二极管后形成一个闭环反馈回路。当输出平均光功率变化时，流过MPD二极管的电流也相应地发生变化，APC环路根据这种变化相应调整偏置电流大小，达到稳定平均光功率的目的。在ADN2873中，反馈电流IMPD就是引脚PAVSET到地的电流。设计时PAVSET外接电阻，反馈电流IMPD等于PAVSET端电压与该电阻的比值，而PAVSET端电压是芯片内部固定电压（为1.2 V），所以只需要知道外接电阻的大小就能确定IMPD的大小。APC电路根据IMPD的变化自动调节偏置电流，保证平均光功率稳定。

图2 ADN2873内部结构图

同样，在引脚ERSET外接电阻RERSET.由图2可知，标准电压12 V经过了100倍的放大，那么调制电流IMOD=1.2 V×100/RERSET.RERSET是热敏电阻，当模块温度改变时，热敏电阻改变电阻值以补充激光器随温度影响的变化，通过校准温度系数值来稳定调制电流，从而达到维持消光比稳定的目的。

3 测试结果及分析

测试中用模拟的pathological图样信号作为测试信号，给3G SFP光发射模块提供2.97 Gbps的pathological图样信号，测试温度为常温25 ℃，供电电压为3.3 V,选用4.25G滤波器。发射光眼图如图3所示。从图3可以看到清晰的眼图，同时可以读出峰峰抖动值为72.11 ps,上升时间为123.4 ps,下降时间为135.7 ps,上升最大时间不得超过165 ps,下降最大时间不得超过180 ps,即所设计的3G SFP光发射模块可满足传输3G SDI信号的要求。

图3 发射光眼图