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圖四 接收同步型訊框
IV
圖五 OCDMA 傳送端模擬架構圖
圖 七 BER vs. Powe
圖 六 OCDMA 接收端模擬架構圖
V
光網路分碼多工接收機前級及信號品質監測電 路之研製（子計畫四）
‘‘Design and Implementation of Circuits for CDMA PON Receiver and Metro/Access Network
Signal Quality Monitoring’’
計畫編號：NSC95-2213-E-002-049 執行期間：95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日
主持人：曹恆偉 教授（國立台灣大學）
參與人員：鐘國晉、謝明志、王勝賢、黃乾宗、
卓均勇、吳嘉訓（國立台灣大學）
摘要
近幾年為了滿足對頻寬不斷增加的需求，骨 幹網路和區域網路都有很大進展，介於兩者之 間的擷取網路，其速度的需求也隨著提升，就 研究顯示，被動式光網路是寬頻擷取網路的最 好選擇，可以作為連接這兩者之間的中介。
光分碼多工乙太被動光網路是乙太被動光網 路[1]的一個改良版本，與分時多工相比，能對 頻寬作更有效的利用，本報告討論光分碼多工 乙太被動光網路接收機前端電路的設計及實 作，操作在 1.25Gb/s的速度之下，利用 0.35-μm CMOS 製程，將前端類比電路和類比相關器整 合在單一晶片上，前端電路包含轉阻放大器、
可變增益放大器和後端放大器，這前端電路具 備有高度的動態範圍來保持接收訊號的線性度 及工作完整性，模擬結果顯示，整個前段電路 的增益有 78.8dB，頻寬約為 1.27GHz，在 3.3 伏特的工作電壓下，總消耗功率為 452 毫瓦，
全部的晶片面積佔了 1.0 × 1.4 mm2。
為了有效對光通信系統進行誤碼率的監控，
光域取樣是相當重要的研究議題。本報告第二 部份討論非同步取樣在 10Gb/s 非歸零碼傳輸系 統中的應用，並對信號原時脈少許之頻率差異 對取樣均勻度的影響作探討。此外，為了增加 取樣過程之均勻度，我們將取樣時脈進行頻率 調變。經模擬後發現，此法能在頻率差量比±
50ppm 內提供可靠的誤碼率監控資訊。
關鍵字 – 光纖通訊，光接收機，被動光 網路，乙太被動光網路，光分碼多工，類比相 關器，非同步取樣，頻率差量比，頻率調變，
頻率展開比，直方圖。
Abstract
Recently, the backbone network and the Local-Area Network (LAN) have a great advance up to tens of gigabit per second. However, there is still a gap between backbone and LAN. The progress in access network doesn’t keep with the great advance of backbone and LAN. This is a well-known “the First Mile” problem. The passive optical network (PON) has been investigated as the best candidate for the access network, which can bridge this gap.
An Optical CDMA-based EPON is a modified version of EPON, which can utilize the bandwidth better than EPON. In this work, the front end circuit of OLT receiver for Optical CDMA-based EPON system is designed and implemented. The receiver operates at the rate of 1.25Gb/s, and integrates the analog front end and the analog correlateor on the same chip using the 0.35-μm CMOS process. The front end including transimpedance amplifier (TIA), variable gain amplifier (VGA) and post amplifier has a wide dynamic range to preserve the linearity of the received signal. The simulated results show the front end has a transimpedance gain of 78.7dB over the bandwidth of 1.27GHz. Under the supply voltage of 3.3V, the whole chip dissipates a power of 452mW. And the whole chip occupies an area of 1.0 × 1.4 mm2.
In order to monitor the bit error rate (BER) of optical communication systems efficiently, optical sampling is an important method. In this report, we will discuss the application of asynchronous sampling in 10 Gb/s nonreturn-to-zero (NRZ)
1
附件四
附件四
transmission systems, and the effect of sampling uniformity in signal clock with a small amount of frequency deviation. Moreover, to increase the sampling uniformity, we apply frequency modulation to the sampling pulses. According to simulation results, this method can provide reliable information about BER with frequency deviation ratio within ±50ppm.
Index Terms – Optical communication,
optical receivers, passive optical network (PON), Ethernet passive optical network (EPON), Optical CDMA, analog correlator, asynchronous sampling, frequency deviation ratio, frequency modulation, spread ratio, histogram.【Part A】
前言
目前都會網路對於頻寬的需求與日俱增，提 供安全、穩定、高速的寬頻擷取服務是都會網 路的一大課題，被動式乙太光網路是制定於 IEEE 802.3ah 的ㄧ種新的網路架構，被動式乙 太光網路有著低成本、易建置的特性，能將光 纖普及到用戶端，提供寬頻擷取，被認定是「最 後一哩」最佳的解決方案，本研究將找出被動 式乙太光網路 OLT 頭端電路最適合的硬體實現 方法。
研究目的
目前 IEEE 所提出的被動式乙太光網路採取 分時多工機制來達成上行傳送，但分時多工有 頻寬使用效率不佳的缺點，因此本研究根據完 美相差碼所架構的分碼多工機制來達成上行傳 送，用成本低廉的 TSMC 0.35μm CMOS 製程來 實現分碼多工接收機，將前端電路所包含的轉 阻放大器、可變增益放大器、後級放大器以及 分碼多工相關器整合在單一晶片上。
研究方法
在此光網路分碼多工接收機前端電路的設計 上有以下兩大考量：
1.) 線性度以及動態範圍
在 PON 的系統架構中，每一個 OLT 約需服務 32 個 ONU[2]，而系統中處於傳送狀態的 ONU 數目並不固定，因此 OLT 所收到的訊號大小並 不固定，在此情況之下，前端電路的訊號路徑 部份必須工作在線性區域，需要線性度佳以及 高動態範圍的特性。
2.) 分碼多工相關器
光域分碼多工系統之工作原理和無線分碼多 工系統類似，主要差別在於展頻碼特性的不 同，電域展頻碼有完全正交的特性，而光域的 展頻碼最多只能具有準正交的特性[3]，因此在 設計上必須加以考慮，一般來說分碼多工相關 器可以用數位或類比的方法來實現，在高速電 路上，用數位的方法來實現相關器必須使用高 速類比數位轉換器，先將類比訊號轉成數位訊 號，在數位的領域來實現相關器，倘若以類比 的方式來實現，則可以免去高速類比數位轉換 器的使用，大大地減低接收機的成本及功率消 耗，所以我們將採取類比的方式來實現相關器 的設計。
圖一是光網路分碼多工接收機的方塊圖，光 纖訊號由光電二極體轉成電流訊號，經過前級 放大器轉成電壓訊號，但此級輸出訊號往往過 小，所以會接著由後級放大器放大，再輸入至 分碼多工相關器，解調出訊號之後，再由類比 數位轉換器將訊號取樣送入數位晶片作處理。
本前端電路包含轉阻放大器(TIA)、可變增益 放大器(VGA)、後級放大器、和類比相關器 (Analog Correlator)，利用 TSMC 0.35μm CMOS 製程將其整合在一個單晶片上，完整架構如圖 二所示：
2
圖一、光網路分碼多工接收機（OLT 端）
圖二、光網路分碼多工接收機前端電路架構圖
接下來，將介紹光網路分碼多工接收機前端 電路各個部份的設計。
A. 轉阻放大器
為了達到比較高的頻寬，我們採用共閘極形 式的轉阻放大器(TIA)，除此之外我們還採用調 節式堆疊(RGC, Regulated Cascade)的技術[4]，
如圖三所示，MB、MT、M2 形成調節式堆疊組 態，可以大大減低輸入端的等效阻抗，讓轉阻 放大器有更高的操作頻寬。
Iin
TIA
CD
Replica RGC RGC
CD1
Vout
VGA
R1 M3
Vout
MB MT
VDD
Iin
M2
ISS2
ISS1
(a) (b)
圖三、轉阻放大器 (a)架構圖 (b)電路圖 圖四、可變增益放大器電路圖
B. 可變增益放大器
這是一個折疊式的 Gilbert 放大器[5]，利用控 制迴路 M5、M6 來控制通過 M1、M2 以及 M3、
M4 的電流，產生不同的轉導增益，相減
圖四、可變增益放大器電路圖
之後，得到可調式放大器的輸出訊號，此放 大器的線性範圍達到輸入±276mV，增益調控的 範圍為 18dB 到-34dB，約有 52dB 的動態範圍，
為了能操作在高頻的範圍，如圖四所示，我們 利用主動回授的方法[6]來提高操作頻寬。
C. 後級放大器
如圖五，後級放大器包含了直流偏差修正電 路，在放大器中我們一樣使用主動回授機制 [6]
來提高工作頻寬，直流偏差修正電路可以修正 因為非理想效應所產生的直流偏差，而且也可 以增加輸出訊號的振幅範圍，迴路裡的低通濾 波器中我們採用 PMOS 來實現電阻，NMOS 來 實現電容，如此一來，可以將被動元件整合在 晶片上而不會佔太大的面積。
3
圖五、後級放大器 (a)架構圖 (b)電路圖
D. 類比相關器
相 關 器 (Correlator) 包 含 相 乘 和 累 積 的 運 算，相乘部份，我們提出一個改良式Gilbert放大 器的架構，當完美相差碼是 ”1” 的時候，可產 生放大訊號，在 ”0” 的時候，不產生放大訊 號，Ms1和Ms2能增加此相關器的線性度。透過 積分器，可以將此輸出訊號作累加，此類比相 關器輸出訊號頻寬約為 22MHz，如圖六所示，
我們採用兩個時間交叉式(time interleaved) 的積分器，讓一個處於被取樣階段時，另一個 仍能正常地處理相關器產生的訊號。
(c)
(d)
圖六、類比相關器之 (a)架構圖和 (b)控制訊號圖，類 比相關器內部中的 (c)相關器和 (d)積分器之電路圖
結果與討論 A. 模擬結果
模擬結果主要針對兩部分，類比前端電路和 類比相關器，類比前端電路由轉阻放大器、可 變增益放大器和後級放大器組成，我們輸入完 美相差碼來觀測前端電路輸出的眼圖，類比相 關器部分則觀測在採用和輸入信號相對應的完 美相差碼作相關運算之後是否能產生極大值，
若輸入非相對應的完美相差碼時應產生極小 值。
圖七是類比前端電路的頻率響應圖，可提供 78.7dB 的增益，圖八是類比前端電路輸出眼 圖，輸入信號為完美相差碼所得輸出的眼圖。
圖九是類比相關器的暫態分析圖，由圖可見當
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切換開關ϕ1 打開時，第一個積分器會正常工 作，另一個則處於被取樣狀態之後便重置 (reset)，Vinte1(pre)和 Vinte2(pre)是
Pre-simulation 的結果 Vinte1(post)和 Vinte2(post) 是 Post-simulation 的結果，可看見當類比相關器 輸入和輸入訊號相對應的完美相差碼時，類比 相關器都能產生極大值，由此可驗證整個晶片 的工作正確性，圖十則呈現了最後晶片的微影 圖。
圖七、類比前端電路頻率響應圖(Post Simulation)
圖八、類比前端電路輸出眼圖(Post Simulation)
圖八、類比前端電路輸出眼圖(Post Simulation)