KR100540497B1 - 데이터 부호화를 이용한 에이씨결합방식 버스트 모드광송수신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기에 관한 것으로, 연속되는 비트열의 수를 제한하는 소정의 부호화 방식을 이용하여 원래의 데이터 신호가 충분한 천이를 갖도록 출력하는 부호화기, 부호화된 신호를 광신호로 변환하여 출력하는 다수의 광송신부, 광송신부의 출력신호를 이동시키는 광전송선로, 광전송선로의 출력신호를 전기적 신호로 변환하는 AC 결합방식의 버스트 모드 광수신부, 및 전기적 신호를 복호화하여 원래의 전기적 신호를 출력하는 복호화기를 포함하여 구성된다.

Description

데이터 부호화를 이용한 에이씨결합방식 버스트 모드 광송수신기{AC-coupled Burst-Mode Optical Transmitter and Receiver Employing Data Coding}

도 1 은 DC 결합방식 버스트 모드 광수신기의 구성도,

도 2 는 본 발명에 따른 버스트 모드 광송수신기의 구성도,

도 3a 는 AC 결합방식의 버스트 모드 광수신기의 회로구성도,

도 3b 는 2개의 크기가 다른 버스트 패킷에 대한 AC 결합부의 출력,

도 4 는 신호 형태에 따른 AC 결합방식 버스트 모드 광수신기의 에러율,

도 5 는 차단주파수가 14.5㎒인 AC 결합부 출력에서 측정된 버스트 모드 응답,

도 6 은 본 발명의 광수신기를 이용하여 버스트 모드 신호를 수신할 때 발생하는 광전력 페널티와 광수신기에서 요구되는 보호시간을 도시하고 있다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

21: 부호화부 22: 광송신부

23: 광전송선로 24: 광수신부

25: 복호화부 31: 광검출부

32: 전치증폭부 33: AC 결합부

34: 제한증폭부

본 발명은 광수신기에 관한 것으로, 상세하게는 AC 결합방식의 버스트 모드 광수신기에 관한 것이다.

지금까지 고속 대용량의 통합된 정보를 전달하기 위한 기간망(backbone network)은 비약적인 성장을 이루었지만, 가입자망(access network)에서는 상대적으로 발전이 적었다. 특히, 엄청난 인터넷 트래픽 증가는 광통신 기술을 이용한 광가입자망 시스템을 요구하고 있다. 이러한 시스템을 구현하는 하나의 구성요소가 광송수신기이다.

버스트 모드 광수신기는 망의 유연성을 위해 동적범위(dynamic range)가 커야 하고, 버스트 패킷의 검출을 위하여 응답시간이 짧아야 하며, 망의 신뢰도를 만족시키기 위해 튼튼하고 간단하게 구현할 수 있어야 한다.

버스트 모드 광수신기는 1990년 오타(Ota)와 슈와츠(Swartz)에 의해 처음으로 구현되었는 데, 이 광수신기는 DC 결합(DC Coupling)방식을 채택하였으며, 자동으로 검출 임계값(detection threshold)을 조정하는 기능을 갖추고 있다. 이와같 이, 서로 다른 크기의 버스트 패킷을 수신하기 위해 기존의 버스트 모드 광수신기들은 주로 DC 결합방식을 사용한다.

도1은 DC 결합방식 버스트 모드 광수신기의 구성도이다. 도1의 광수신기는 피드포워드(feedforward) 형으로, 광검출부(11), 전치증폭부(12), 판별임계값제어부(ATC, automatic threshold controller: 13), 제한증폭부(LA, limiting amplifier: 14) 등으로 구성된다. 이 방식은 광검출부(11)에서 수신된 신호가 전치증폭부(12)에서 증폭된 후 두 부분으로 나누어져 한 부분은 제한증폭부(14)에 DC 결합되어 입력되고 다른 부분은 ATC(13)로 입력되어 수신된 패킷의 판별 임계값을 추출한다. ATC(13)의 판별 임계값은 패킷의 크기에 따라 자동으로 바뀌게 되는 데, 전치증폭부(12)의 출력단 신호의 최대값과 최소값을 검출하여 그 평균을 취하여 사용한다. 임계값은 제한증폭부(14)에 기준전압으로 입력되어, 신호 "1"레벨과 신호 "0"레벨을 결정하는 임계전압으로 사용된다. 제한증폭부(14)는 입력된 서로 다른 크기의 신호를 증폭하여 일정한 진폭의 신호로 복원하는 역할을 한다. 제한증폭부(14)에서 증폭되어 복원된 신호는 클럭 복원과 데이터 판별 등의 후처리 과정을 겪는다.

이러한 DC 결합방식은 버스트 신호를 빠르게 복원할 수 있어서 패킷 사이의 보호시간(guard time)과 프리엠블 시간(preamble time)을 줄일 수 있고, 따라서 패킷의 전송효율을 높일 수 있다.

그러나, DC 결합방식은 ATC(13)에서 발생하는 임계값의 DC 오프셋 등으로 인해 펄스폭 왜곡(pulse width distortion)이 일어나기 쉽다. 더구나, DC 오프셋은 기온이나 시간에 따라 변하는 데, 이는 구현을 어렵게 한다. 또한, 연속되는 패킷을 쉽게 검출하기 위해서는 임계값을 각 패킷이 끝날 때마다 초기값으로 복원시켜야 한다. 이를 위해서는 외부로부터 리셋(reset) 신호의 인가가 필요하다. 만약, 리셋 신호에 의해 이전 패킷의 크기 정보가 지워지지 못하면 다음 패킷의 크기 정보가 바르게 추출되지 못하여 수신감도를 열화시키게 된다. 여기서, 리셋 신호는 패킷의 바로 앞에 위치시키는 것이 정확한 임계값을 추출하는 데 유리한 데, 입력 시간을 예측할 수 없는 버스트 모드 신호에 대해서 리셋 신호를 패킷 앞에 위치하도록 만드는 것은 망의 상위계층의 제어를 복잡하게 만든다.

임계값의 DC 오프셋이나 리셋 신호 등에 따른 구현의 어려움과 구조적 복잡성에서 보면, 광수신기는 DC 결합방식보다 AC 결합방식을 채택하는 것이 바람직하다. 그러나, AC 결합방식은 버스트 모드 데이터의 전송특성에 비추어 여러 문제점이 있다. 광 다중접속망에서 각 노드는 정해진 시간슬롯(time slot)을 이용하여 다른 노드로 데이터나 패킷을 전송한다. 이 때, 점대점 링크(point-to-point link)와는 달리 각기 다른 전송 경로에서 생기는 광손실(감쇄(attenuation)나 분산(dispersion))로 인해 수신된 데이터나 패킷의 크기와 위상이 각각 달라질 수 있다. 경로차 등에 의한 패킷 크기의 차이는 AC 결합방식에 사용되는 결합 커패시터의 충방전 시간을 증가시킨다. 충방전 시간의 증가는 패킷 사이의 보호시간이나 프리엠블 시간을 증가시켜 패킷의 전송효율을 떨어뜨린다.

본 발명은 DC 결합방식보다 구조가 간단하고 구현이 쉬운 AC 결합방식을 채용하면서도, 빠른 응답의 달성 및 AC 결합에 따른 신호 왜곡의 감소를 통해 AC 결합방식의 문제점으로 지적되고 있는 결합 커패시터의 충방전 시간 증가에 따른 보호시간이나 프리엠블 시간을 감소시켜 AC 결합방식의 장점을 최대로 살릴 수 있는 버스트 모드 광수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광송신부 및 광수신부에 데이터 천이를 구현할 수 있는 부호화부 및 복호화부를 구비하여 전송되는 신호의 특성을 AC 결합방식의 광수신기에 적합한 방식으로 변환시킴으로써, 응답속도 및 신호왜곡이 개선시킨 AC 결합방식의 광수신기를 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 버스트 모드 광송수신기의 구성도이다. 도2에 도시된 바와같이, 부호화부(21), 송신부(22), 광전송선로(23), 수신부(24), 복호화부(25) 등으로 구성된다.

부호화부(21)는 데이터를 부호화하여 송신부(22)로 보낸다. 여기서, 부호화된 데이터는 1과 0의 값들이 변화하는 데이터 천이(transition)가 충분히 이루어져 전송 특성이 개선되도록 한다. 예를들어, 이더넷 시스템에서, 10비트를 이용하여 8비트의 데이터를 표현하는 8B/10B 부호화 등의 방법으로 데이터를 천이시키면, 연 속된 비트의 길이가 5개 까지로 제한되어 저주파 성분이 감소되고, 따라서 DC 기준선이 안정화된다. 여기서, 부호화 비율은 연속된 비트열이 제한되는 어떤 부호화 방식도 적용할 수 있다. 예를들어, 4B/5B, 5B/6B, 64B/66B 등의 다양한 부호화 방식이 적용될 수 있다. 또한, RZ(return to zero)와 맨체스터(manchester) 방식과 같이 연속된 비트열이 존재하지 않는 변조방식 등에도 적용될 수 있다.

광송신부(22)는 전기신호를 광신호로 변환시켜 광전송선로(23)에 인가하는 것으로, 보통 레이저 다이오드를 사용한다.

광전송선로(23)는 광송신부(22)의 광신호를 광수신부(24)에 전달하는 통로로서, 감쇄나 분산이 일어날 수 있다.

광수신부(24)는 광전송선로(23)로부터 수신되는 광신호를 전기신호로 변환시킨다. 광수신부(24)는 보통 포토 다이오드를 사용한다.

복호화부(25)는 부호화된 데이터를 원본 데이터로 복호화시킨다.

도3a는 AC 결합방식의 버스트 모드 광수신기의 회로구성도이고, 도3b는 2개의 크기가 다른 버스트 패킷에 대한 AC 결합부의 출력을 도시하고 있다.

도3a에 도시된 바와같이, AC 결합방식 광수신기는 광검출부(31), 전치증폭부(32), AC결합부(33), 제한증폭부(34) 등으로 구성된다.

광검출부(31)는 입력되는 광신호를 전류신호로 변환시킨다. 보통, PIN 포토다이오드가 사용된다.

전치증폭부(32)는 광검출부(31)에서 출력된 전류신호를 전압신호로 변환시키 는 것으로, 광검출부(31)에서 검출된 신호에서 잡음을 최소화시키면서 증폭시킨다. 보통, TIA(Trans-Impedance Amplifier)로 구성된다.

AC 결합부(33)는 전치증폭부(32)의 출력신호에서 DC 오프셋을 차단한 후 제한증폭부(34)에 입력시키는 데, 여기서 AC 결합은 구성요소들이 다른 DC 바이어스 레벨로부터 영향을 받음이 없이 매칭이 가능하도록 한다. AC 결합부(33)는 소정 주파수 이하의 성분을 차단하는 필터로 구성된다. AC 결합부(33)는 보통 고역필터로 구성되는 데, 이로인해 신호의 DC 성분뿐만 아니라 저주파 AC 성분까지 차단하므로, "1"이나 "0"의 긴 비트열의 입력에 대해서 신호왜곡을 발생시킨다. 특히, AC 결합부(33)의 시상수가 작아질수록 AC 결합부(33)의 차단주파수가 높게 형성되어 저주파 신호의 왜곡은 더 심해진다.

도3b에 도시된 바와같이, 첫번째 패킷의 마지막 비트가 끝나면 AC 결합부의 결합 커패시터에 충전된 신호가 방전되면서 신호의 자취가 남게 된다. 이 신호의 자취는 두번째 패킷이 입력되기 전에 없어져야 하는 데, AC 결합부의 시상수가 작을수록 빨리 줄어든다. 도3b에는 첫번째 패킷의 신호 자취가 사라진 시점에서 두번째 패킷이 입력되고 있다. 두번째 패킷이 입력되면, 패킷의 평균값을 결합 커패시터에 충전하기 위해 시간이 소요된다. 이 충전시간도 AC 결합부의 시상수가 작을수록 줄어들게 된다. 결국, AC 결합부의 시상수 설계는 패킷의 보호시간(guard time)과 프리엠블시간(preamble time) 내에 결합 커패시터의 충방전이 완료되도록 하여야 한다.

따라서, 종래의 AC 결합방식만으로는 버스트 모드 신호를 수신하기에 적절하 지 않다. 그러나, 본 발명의 부호화된 신호는 충분한 천이를 가지므로 연속된 비트 열이 발생할 확률이 적어 신호의 저주파 성분이 줄어들게 된다. 이는, 본 발명의 부호화된 신호가 AC 결합방식의 시스템에 적합한 주파수 특성을 가지게 됨을 의미하며, 따라서 AC 결합부의 시상수가 작게 회로를 구성하여도 저주파 신호의 큰 왜곡이 없이 버스트 모드 신호를 수신할 수 있게 된다.

제한증폭부(34)는 AC 결합부(33)의 출력신호를 그 평균값을 기준으로 증폭하여 일정한 진폭의 신호로 복원한다. 여기서, 제한증폭부(34)가 평균값을 기준으로 신호를 증폭시키므로 DC 결합방식에서의 펄스폭 왜곡 등의 문제는 발생하지 않는다.

(실시예)

AC 결합방식의 광수신기는 기가비트 이더넷용 가용 IC 들, 즉 InGaAs PIN-TIA 모듈(XL, XPD0125CT-001), 제한증폭기(Maxim, MAX3268), 그리고 테스트 보드의 칩 커패시터를 이용하여 구현되었다. TIA는 자동이득제어(AGC)를 갖는 4㏀의 트랜스임피던스 이득을 가지며, 1㎂에서 1.5㎃까지의 넓은 입력전류 범위를 허용한다. AC 결합 고역필터의 차단주파수는 커패시터, 그리고 TIA 출력단 및 제한증폭부 입력단 각각의 임피던스에 의하여 결정된다. 네트웍 분석기로 측정한 전체 임피던스는 234Ω이었다. 이 값과 커패시터의 조정에 의하여 차단주파수가 결정된다.

비트에러율(BER:bit error rate)을 측정하기 위하여, 1.25Gbit/s 환경에서 PRBS(pseudo random bit sequence) 2⁹-1 데이터와 8B/10B 부호화된 데이터를 프로그램가능한 BER 테스터를 이용하여 발생시켰다.

도4는 신호 형태에 따른 AC 결합방식 버스트 모드 광수신기의 에러율을 도시하고 있다. 차단주파수는 PRBS 2⁹-1와 8B/10B 모두 14.5㎒에 세팅되어 있는 데, 이는 47㎊의 커패시터에 해당한다. 결과는 차단주파수가 6.8㎑를 갖는 기존의 AC 결합방식 광수신기의 비트에러율(도4에서 ●로 표시)과 비교하여 검토되었으며, 그 결과가 도4에 도시되어 있다. 여기서, PRBS 2⁹-1 데이터(도4에서 ◆로 표시)의 경우 10^-12 비트에러율에서 -25dBm을 보여주고 있지만, 8B/10B 데이터(도4에서 ▲로 표시)는 10^-12 비트에러율에서 -27dBm의 민감도(sensitivity)를 보여주고 있는 데, 이는 8B/10B의 차단주파수가 기존 광수신기보다 훨씬 높음에도 10^-12 비트에러율에서 8B/10B와 기존의 광수신기가 비슷한 민감도를 보여 주고 있어서 시사하는 바가 크다.

한편, 기존 광수신기와 비교하여 전력 페널티(power penalty)는 8B/10B 데이터는 0.7dB, PRBS(pseudo random bit sequence) 2⁹-1 데이터는 3dB 였다. 이 사실은 8B/10B 부호화가 PRBS 포맷보다 신호왜곡에 보다 강하다는 것을 말해주고 있다.

도5는 차단주파수가 14.5㎒인 AC 결합부 출력에서 측정된 버스트 모드 응답을 도시하고 있다. 광수신기가 보호시간 내에 버스트 패킷에 응답할 수 있느냐는 중요하다. 광수신기가 필요로하는 최소 보호시간을 알기 위해서, AC 결합 커패시터의 출력에서 과도응답을 측정하였다. 입력은 1.25Gbit/s 환경의 8B/10B 부호화된 데이터로서, 두 개의 전력레벨 -6dBm 과 -27dBm에 대한 결과이다. 오실로스코프의 50Ω 입력임피던스를 감안하여, 커패시터는 차단주파수가 14.5㎒를 유지하도록 교체되었다. 전력 -6dBm를 보면, 마지막 비트의 응답이 74ns 동안에 패킷 진폭의 100%에서 0.09%로 감소하였다. 이와같이, 21dB의 광전력차에 대하여 필요한 보호시간은 74ns이다. 패킷의 전반부에서 과도 현상을 안정화시키는 데 필요한 프리엠블 시간도 74ns이다. 이들은 EPON 표준에 부합한다. 여기서, EPON 표준은 패킷 보호를 위해 512ns 레이저 온/오프 타임을 규정하고, 프리엠블을 위해 400ns 수신기 안정시간을 규정하고 있다. 한편, 전력 -27dBm를 보면, 보호시간이 31ns 로 감소되었다. 이는 TIA의 AGC 동작에 기인한 것이다. TIA의 AGC는 -15dBm 이상의 광전력에 대해서만 작동되어, 수신기의 응답을 딜레이시킨다.

도6은 본 발명의 광수신기를 이용하여 버스트 모드 신호를 수신할 때 발생하는 광전력 페널티와 광수신기에서 요구되는 보호시간을 도시하고 있다. 여기서, 패킷들의 광전력차(dynamic range)는 21dB로 가정되었다.

AC 결합부의 차단주파수가 데이터속도의 0.01%(f_c/R_b=10^-4)가 되면 신호왜곡이 매우 작으며, 전력 페널티는 무시할 만 하다. 이 경우, 요구되는 보호시간은 7696비트로 길어진다. 이와같은 값은 시상수는 일반적인 연속모드 광수신기에 사용되며, 버스트 모드 수신기에는 응용할 수 없다.

반면, AC 결합부의 차단주파수를 데이터속도의 1.6%로 설계할 경우, 8B/10B 부호화된 신호를 수신했을 때 전력 페널티는 1dB로 충분히 작다. 이 경우 요구되는 보호시간은 47비트이다. 하지만, 부호화되지 않은 랜덤비트열(PRBS 2⁹-1)을 수신할 경우 전력 페널티는 3.7dB로 증가한다. 이와같이 부호화된 신호를 사용할 경우, 차단주파수를 데이터속도의 1.6% 이하로 설계하면, 전력 페널티를 1dB 이하로 줄일 수 있다.

도6에서, 광수신기의 차단주파수의 범위는 다음과 같이 정할 수 있다. 먼저, 버스트 모드 광수신기가 전력 페널티를 연속모드 광수신기에 비교하여 1dB 이하로 하고 패킷 사이의 보호시간을 100비트 이하로 할 때, 차단주파수는 데이터속도의 0.8% 이상, 1.6% 이하가 되어야 한다. 예를들어, 1.25Gbit/s의 이더넷 시스템에 적용하면, 차단주파수는 10㎒에서 20㎒ 사이가 된다. 차단주파수는 AC 결합부 커패시터의 커패시턴스를 결정하며, 이에 따라 시상수가 결정되어, AC 결합방식 광수신기의 응답속도 등이 결정된다.

한편, 비트에러율과 요구보호시간에 대한 AC결합의 영향을 보면, 차단주파수에 대한 함수로 표현되는 양 팩터는 역관계를 갖는 것을 알 수 있다. 예를들어, 8B/10B 부호화 방식에서, 차단주파수가 7.5㎒일 때, 전력 페널티는 0.1dB, 보호시간은 131ns를 보여주었다. 복잡한 오프셋 보상 기술을 이용한 DC 결합방식의 버스 트 모드 광수신기의 전력 페널티가 0.5dB임을 고려하면, 8B/10B 부호화 방식이 보여주는 전력 페널티 등은 상당한 의미를 갖는다. 상대적으로 양호한 에러특성을 보여주는 결과는 이더넷 버스트 모드 패킷 통신에서 AC 결합방식의 이용가능성이 높을 수 있음을 말해 주고 있다.

종래의 DC 결합방식의 버스트 모드 광수신기는 구조가 복잡하고, 임계값의 오프셋이나 리셋 신호 등의 문제로 실제 회로의 구현이 쉽지 않았다.

그러나, 본 발명의 AC 결합부는 결합 커패시터만으로 구성할 수 있으므로, 전체 수신단의 구성이 간단해진다. 또한, 본 발명의 광수신기는 전치증폭부와 제한증폭부를 AC 결합하므로, 오프셋 문제를 해결하고, AC 결합부의 시상수를 작게 조정하는 것이 가능하여, 버스트 모드 신호를 빠르게 복원할 수 있다.

Claims (5)

1. AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기에 있어서,

   연속되는 비트열의 수를 제한하는 소정의 부호화 방식을 이용하여 원래의 전기적 신호를 천이시켜 출력하는 부호화기;

   상기 부호화된 신호를 광신호로 변환하여 출력하는 다수의 광송신부 ;

   상기 광송신부의 광신호를 이동시키는 광전송선로;

   상기 광전송선로의 광신호를 수신하여 부호화 신호로 변환하고, 소정 주파수 이하의 성분을 필터링 제거하는 AC 결합방식의 버스트 모드 광수신부; 및

   상기 부호화 신호를 복호화하여 원래의 전기적 신호를 출력하는 복호화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기.
2. 제1항에 있어서, 상기 AC 결합방식 버스트 모드 광수신기는

   광전송선로의 출력 광신호를 전류신호로 변환시키는 광검출부;

   상기 광검출부의 출력 전류신호를 전압신호로 변환하여 증폭시키는 전치증폭부;

   커패시터를 포함하여 상기 전치증폭부의 출력신호에서 소정 주파수 이하의 저주파 성분을 차단하는 AC 결합부; 및

   상기 AC 결합부의 출력신호를 평균값을 기준으로 증폭하여 일정한 진폭의 신호로 복원시키는 제한증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기.
3. 제2항에 있어서, 상기 AC 결합부의 커패시터는

   차단주파수가 데이터속도의 0.8% 이상, 1.6% 이하의 값이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부호화기의 부호화 방식은

   8B/10B, 4B/5B, 5B/6B, 64B/66B, RZ, 맨체스터로 이루어진 부호화 방식의 그룹 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기.
5. AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신기를 이용하여 신호를 전송하는 방법에 있어서,

   연속되는 비트열의 수를 제한하는 소정의 부호화 방식을 이용하여 원래의 전기적 신호를 천이시켜 출력하는 신호부호화 단계;

   상기 부호화된 신호를 광신호로 변환하여 송신하는 광송신 단계;

   상기 송신된 광신호를 수신하여 부호화된 신호로 변환하는 광수신단계:

   AC 결합방식을 이용하여 부호화된 수신신호에서 소정 주파수 이하를 신호성분을 제거하는 필터링단계; 및

   상기 필터링된 부호화신호를 복호화하여 원래의 전기적 신호를 출력하는 복호화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부호화를 이용한 AC 결합방식의 버스트 모드 광송수신 방법.

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