在傳統的演播環境中都是用同軸電纜傳輸未壓縮數字視頻信號，而3G SFP光發射模塊的設計實現能使光纖代替同軸電纜進行信號傳輸。SFP光發射模塊又稱小型可熱插拔光發射模塊，它的作用是通過模塊內的發射組件TOSA將電信號轉換成光信號，使得信號可以用光纖進行傳輸。

當前，國內外光發射模塊市場以2.5G為主，10G光發射模塊和40G光發射模塊也在迅速地發展。對于傳輸高清數字視頻信號的SFP光發射模塊，僅支持速率為1.485 Gbps的1080i和720p視頻信號，3G SFP的研究則針對全高清1080p視頻信號，最高速率達2.97 Gbps.

本文研究了3G SFP光發射模塊，其作用是將速率為2.97 Gbps的數字視頻信號轉換成光信號，用光纖傳輸代替傳統的同軸電纜傳輸，不僅大大地節約了基礎設備的資金投入，同時也給管理員維護升級帶來了便利。

1 光發射模塊基本原理

這里的3G指的是3G SDI串行鏈路標準。串行數字接口（Serial Digital Interface,SDI）是ITUR BT.656以及移動圖像和電視工程師協會（SMPTE）提出的串行鏈路標準，在演播環境中通過75 Ω同軸電纜來傳輸未壓縮的數字視頻。該標準的第一版是SMPTE 259M.隨著1080i和720p等高清視頻標準的出現，對接口進行了調整以處理更高的1.485 Gbps數據速率，由SMPTE 292M進行定義。幸運的是，為了支持1080p和數字影院等分辨率更高的圖像質量，SMPTE批準了名為SMPTE 424M[1]的新標準，SDI數據速率達到了2.97 Gbps,這一標準也稱為3G SDI.

3G SFP光發射模塊的設計要滿足SFP MSA多源協議[2]和SFF8472協議的要求。該發射模塊主要由TOSA及LD驅動電路組成。TOSA即光發射組件，包括激光器LD和光電二極管PD,其作用是把光信號轉換成電信號，而LD驅動電路用于驅動控制LD.首先，輸入模塊的電信號由LD驅動電路接收，并調制到LD的驅動電流上，驅動激光器發出帶有數據調制信號的激光。LD驅動電路具備自動功率控制（APC）功能，可通過檢測背光二極管產生的光電流來實現閉環控制。通過APC環路，LD驅動電路可動態調節LD驅動電流的大小。

作為發射模塊的重要功能部件的選擇，必須依據各類型光源器件的特點和匹配性能需求來進行選擇和設計。常用光源的半導體發光器件主要有3種：LED發光管、FP激光器、DFB激光器。它們各自特點如下：LED發光管輸出光功率低、發散角大、光譜寬、調制速率低、價格低廉，適合短距離通信；FP激光器輸出光功率大、發散角較小、光譜較窄、調制速率高，適合中距離通信；DFB激光器是在FP激光器的基礎上采用光柵濾光器件使其只有一個縱模輸出，性能優于FP激光器，成本較高，用于長距離通信。

3G SFP光發射模塊主要用于在演播室環境中傳輸高清視頻信號，傳輸距離不會超過10 km.綜合考慮，選擇1310 nm FP型激光器作為TOSA的激光器。

在LD驅動電路的設計上，采用MCU加外圍電路的方式。 MCU芯片采用ADN2873,該款芯片完全符合SFF8472要求，工作速率為50 Mbps~4.25 Gbps,內帶自動功率控制環路，3.3 V供電，滿足3G SFP光發射模塊的數據速率要求。

2 光發射功能的主要性能研究

在光發射模塊中，激光二極管是半導體器件。溫度升高時，它的閾值電流增大，光功率電流曲線斜率就降低。光功率電流（PI）曲線如圖1所示。

圖1 光功率電流（PI）曲線

設計光發射模塊最重要的指標是模塊的平均光功率和消光比。要使所設計的光發射模塊工作穩定，就要保證平均光功率和消光比維持在一個穩定的范圍內。

平均光功率PAVG用公式表示為：

其中，P1表示高電平時最大光功率，P0表示低電平時最小光功率。APC環路通過調節偏置電流變化可以維持PAV的穩定。消光比ER的公式：

要想穩定ER就要知道P1和P0.在知道平均光功率PAVC的情況下，由于光幅度功率PPP是最大光功率與最小光功率的差值（即PPP=P1-P0），因此，P1和P0可以用PAVG和PPP表示，即消光比的穩定與平均光功率和光幅度功率有關，在驅動電路中通過調節調制電流變化維持PPP穩定。

ADN2873內部結構如圖2所示。ADN2873內置APC自動功率控制環路，外接MPD背光二極管后形成一個閉環反饋回路。當輸出平均光功率變化時，流過MPD二極管的電流也相應地發生變化，APC環路根據這種變化相應調整偏置電流大小，達到穩定平均光功率的目的。在ADN2873中，反饋電流IMPD就是引腳PAVSET到地的電流。設計時PAVSET外接電阻，反饋電流IMPD等于PAVSET端電壓與該電阻的比值，而PAVSET端電壓是芯片內部固定電壓（為1.2 V），所以只需要知道外接電阻的大小就能確定IMPD的大小。APC電路根據IMPD的變化自動調節偏置電流，保證平均光功率穩定。

圖2 ADN2873內部結構圖

同樣，在引腳ERSET外接電阻RERSET.由圖2可知，標準電壓12 V經過了100倍的放大，那么調制電流IMOD=1.2 V×100/RERSET.RERSET是熱敏電阻，當模塊溫度改變時，熱敏電阻改變電阻值以補充激光器隨溫度影響的變化，通過校準溫度系數值來穩定調制電流，從而達到維持消光比穩定的目的。

3 測試結果及分析

測試中用模擬的pathological圖樣信號作為測試信號，給3G SFP光發射模塊提供2.97 Gbps的pathological圖樣信號，測試溫度為常溫25 ℃，供電電壓為3.3 V,選用4.25G濾波器。發射光眼圖如圖3所示。從圖3可以看到清晰的眼圖，同時可以讀出峰峰抖動值為72.11 ps,上升時間為123.4 ps,下降時間為135.7 ps,上升最大時間不得超過165 ps,下降最大時間不得超過180 ps,即所設計的3G SFP光發射模塊可滿足傳輸3G SDI信號的要求。

圖3 發射光眼圖