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汽车应用中的光网络收发器
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Transceivers For Optical Networks In Automotive
Applications
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■英飞凌科技 徐国维
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目前，各种车辆内的数据传输使用的主要是铜缆，但现代汽车在控制、安全性、通信及娱乐功能方面包含了越来越多的电子装备，产生了极大量的需要在设备之间传输的数据。数据率要求的不断提升使由POF(塑料光纤)构成的光数据链路走向了应用。
物理层基于POF的总线系统在汽车应用中特别有优势，与相应的电系统相比有许多优点：
●光缆重量比较轻；
●以低成本获得高数据率；
●抗EMI噪声干扰且传输安全性强；
●无光纤间串扰；
●完全电绝缘，无接地回路；
●操作/接连容易，系统成本低。
西门子及现在的英飞凌科技光纤器件组性能达5MBps的标准器件已广泛用于火车列车和各个不同的工业领域中。
现有的汽车用光网络
MOST系统由OASIS公司与合作伙伴共同开发，传输数据率22 MBps。该多媒体系统通过一个用户友好的人机界面，与诸如GPS、电话、收音机、TV、有源扬声器、CD、后座视频及更多设备相连。
第二种光总线系统称作Byteflight系统，由BMW公司开发。系统以10 MBps进行安全性与信息数据的处理，采用的是有源星形网络结构。它将是第一个用于无源安全性、舒适性和车身控制的、基于光物理层的成批生产产品。
Byteflight总线对高优先级信息与低优先级数据加以区别。它通过一个确定性协议，借助总线对所有识别位的灵活访问，保障安全性相关数据在一个典型
的250 s SYNC帧内进行同步传输，而车身控制及诊断等低优先级信息会非同步填满该SYNC帧。
汽车应用环境有一些基本要求需要通过光网络的各器件尤其是收发器来达成 。这些要求包括：设计紧凑、操作便利、成本低、可靠性高。
光收发器特性
MOST发射器
MOST发射器是一种结合了高速LED的高度集成CMOS IC，为高达50M波特的传输应用而设计。它将标准逻辑级的电输入变换成一种符合MOST的光输出。为改进光传输性能，数据经双相编码达到50M波特。LED驱动器与内部的
峰化电路 (peaking circuit)协同工作以优化 眼图。IC与高速LED配合使用，可实现光信号的开关时间为5 ns。
MOST接收机
为在不额外添加外部电路的情况下实现所要求的光到逻辑的转换，MOST接收机中包含了一个结合了高速PIN光电二极管的CMOS IC。该器件用来接收高达50M波特的光数据并将之转换成CMOS兼容数据流。另外，器件还要有比较大的增益，以便即使在最小的光功率下也能将1
A 范围的光电 流 (photo current)在输出端放大到逻辑级。
这种高性能、低成本的CMOS接收机由一个低噪声互阻抗放大器和数据通道上的比较器构成。当前，在整个温度范围内，输入光功率为-25
dBm 到 -3dBm时可获得完全的功能性。
作为客户的一个重要要求是在8.5 s内(休眠状态)没有光数据接收时使接收机转入低功率模式。在这种低功率模式下，PIN光电二极管仍在接收光信号，如果检测到活动性的存在，IC将在4ms内重新回到全功率操作和全速度模式。STATUS脚指示调制光是否接收到。借助这种功能性，接收机可以用来在环路上没有通信联络时关闭整个装置(如收音机)的电源。而后在接收到光信号时将装置唤醒，不需要额外增加电开关线路。
安全性和信息应用 'Byteflight'收发器
鉴于Byteflight是采用需要POF链路数最少的星形拓扑结构，因此Byteflight系统的收发器须在单一POF上实施双向、半双工数据传输。
正常情况下，实施双向传输需要使用分光器，而分光器为发射端和接收端都带来各3 dB的 损耗 。这种收发器采用一种chip on chip(COC)技术实现双向数据传输。集成到该器件上的CMOS
IC构成发射器所需电流的供应源，另一方面还包括实现光到逻辑、逻辑到光完全功能性的低噪声互阻抗放大器(前置)和后置放大器的功能性。
专为安全性相关应用的光双向数据传输设计的ASIC，存在另外几方面特性：
●IC器件可识别持续时间为3 s 的同步脉冲和2 s的报警脉冲等具体信号，并相应对一个特殊的输出针脚进行转换；
●在光功率水平降到某一具体值以下时，Data输出脚给出一个诊断脉冲以示警告，而系统在此水平下仍在完好地工作；
●发射器和接收器电路相互锁定，以使由发射器到接收器或反之，不存在干扰。
收发器的组装
上面提到的每一种收发器都是将一块特殊设计的IC和器件LED/光电二极管结合到一个封装体内。光收发器的封装不仅要必须满足机械稳定性要求，此外光学参数还须在所要求的-40℃
到85 ℃温度限定范围内得到保持。
MOST发射器/接收器
在MOST发射器中(见图1)，采用0.5 mCMOS工艺制作的LED驱动器尽可能靠近高速 LED放置，做成一个具有逻辑-光功能的小型(紧凑型)发射器。
MOST接收器包括一个高速但大面积的光电二极管以便于与IC(在同一块芯片上的前置、后置放大器)和附加电容器进行光纤耦合，实现电性能的改善(见图2)。
为双向数据传输应用而设计的Byteflight接收器采用先进的chip on chip (COC)技术。LED芯片安装在大面积光电二极管上面的中心位置(图3)。这样装配的优势是不会降低接收器的耦合效率。只使光电二极管的灵敏度减小，原因是LED芯片沉积区的遮蔽作用。
未来进展
新型多媒体应用的涌现和改进，远程信息处理业务以及X-by-wire的进展，使未来汽车将要求至少100 Bps的更高数据率。下一代光收发器的设计存在几种不同的方法。
一种可行方案是使用绿色光发射器，其优点是光纤衰减较低，在510 nm波长下约为0.1dB/m，而不是650nm波长下的0.2dB/m。英飞凌科技能够完成100
MBps的设计。而由于存在510 nm下所发射的光功率和硅探测器的响应均较小的事实，目前，绿光发射器只有在应用距离超过约30m的情况下才能胜过红光LED。
另一方面，在收发器端和改进型光电二极管上放置红光RCLED的做法已经用于250 MBps POF数据传输应用中。
但在进行这下一步应用之前，必须对能够满足更高数据率要求的新型塑料光纤进行改进，使其适于大批量生产。
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