CN101385263A - 采用分布式增益控制的光纤到户（ftth）光接收机 - Google Patents

Abstract

光纤到户(FTTH)系统经由光纤传送诸如视频、语音、及数据信号等前向和反向光信号，并包括多个住户网络单元。住户网络单元包括用于接收视频、语音、及数据信号中的至少一个的光接收机。包括了遍布该光接收机分布的多个增益级。这些增益级包括前置放大器级、两个中间级放大器、以及后置放大器级。两个增益控制电路基于到FTTH光接收机的输入功率电平自动调节视频信号的增益。另外，倾斜网络为位于外部的同轴电缆执行电平补偿。然后以具有低噪声信号的恰当RF电平经由同轴电缆将信号提供给位于住户内的设备。

Description

采用分布式增益控制的光纤到户（FTTH）光接收机

发明领域

本发明涉及光纤到户(FTTH)光传输系统，尤其涉及该系统中使用的在维持最优性能的同时对接收和处理视频、语音、及数据光信号具有分布式增益控制的FTTH光接收机。

发明背景

近年来，对经由铺设到户的光纤——即光纤到户(FTTH)系统传输视频、语音、及数据信号一直有着浓厚的兴趣。传统上，有线运营商通过混合光纤/同轴电缆(HFC)系统提供视频和数据信号。在FTTH系统中，光信号是经由光纤发送的以便在更长的距离上传输。然后光信号在正要进入住户之前被转换成射频(RF)信号以便在同轴电缆上传输。相反，电话运营商传统上经由铺设到户的光纤提供语音和数据信号，并且这些信号随后经由与同轴电缆相对的双绞线电缆进入住户。随着对视频、语音、和数据服务的需求不断增长，光纤方案不断获得越过有线和电话运营商的传统HFC和电话系统的势头。另外，利用铺设得离住户更近的光纤来提供有线和电话服务有若干优点。

有利的是，光纤系统通常享有高信号质量、维护成本低且易于故障检修；低衰减率；以及易于扩展，这仅列出了很少一部分。相反地，光纤系统的一些缺点是对诸如光接收机等装置的维持增益控制、供电和功耗、安装、以及简单性要求。因此，需要的是一种能够通过光纤到户(FTTH)系统提供包括视频、语音、及数据信号的全套宽带服务同时能够克服任一缺点的光接收机。

附图简述

图1示出了传统光纤到户(FTTH)光接收机的框图。

图2示出了适用于图1的FTTH光接收机的三工器的详图。

图3是根据本发明适用于FTTH系统的光接收机的第一实施例。

图4是根据本发明适用于FTTH系统的光接收机的第二实施例。

优选实施例的具体描述

以下将参照附图更全面地描述本发明，在附图中相似附图标记在若干附图中表示相似要素并且在附图中示出了本发明的各实施例。然而，本发明还可以不同形式体现并且不应被理解为限于在此所阐述的各实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开将透彻而完整，并且向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。例如，本发明可使用分立组件和MMIC放大器来体现。另外，本发明还可使用纳入集成电路的定制RFIC来体现。此外，本发明还可与光电二极管相组合，这可以通过将两者一同设放在一个封装中或为光学和射频(RF)电子器件使用同一基底来实现。本发明还可安放在位于住户或企业的墙壁之外的围墙内。这样，就应最小化功率耗散并且针对户外环境设计该电路。因此，热补偿自动增益电路对于在温度变化情况下维持性能是相当重要的。

将认识到，本发明解决了对为光纤到户(FTTH)系统设计的光接收机的需求。然而，本发明并不限于FTTH系统。更具体地，本发明还可用于光纤到路边(FTTC)系统、光纤到企业(FTTB)系统、或者混合光纤/同轴电缆(HFC)系统。有利地，根据本发明，增益控制电路分布在各级中的光接收机上以便解决噪声和失真性能、增益控制、低功耗、以及良好受控的射频(RF)输出电平。这样，光接收机的设计允许FTTH系统在维持必需的系统规范的同时享有扩展的光输入范围的益处。

图1示出了常规光纤到户(FTTH)光接收机100的框图。FTTH光接收机100能够从位于上游的服务供应商接收多个波长的光信号，其中包括视频、语音和数据信号。例如，视频信号可在1550纳米(nm)波长上发送；下行或前向语音和数据信号可使用1490nm波长发送；而上行或反向语音和数据信号可使用1310nm波长发送。将认识到，波长可根据FTTH系统中使用的光纤装备而不同。FTTH光接收机100被容纳于诸如光网络单元(ONU)(未示出)等住户安设单元内。住户安设单元可包括用于处理语音和数据信号的附加电话电路。语音和数据信号随后可以常规方式经由双绞线电缆被提供给恰当的住户装备。

除了语音和数据信号之外，光接收机100还接收并处理视频/音频信号。这相对于专门处理语音和数据信号的常规ONU而言是一重大改进。这样，原本可能已有FTTH系统的传统电话或有线运营商可为现有ONU添加该FTTH光接收机100并处理视频、语音、及数据信号。通常，经由FTTH光接收机100提供给住户的视频信号与由常规HFC系统提供的视频信号相比质量相等或更佳。

三工器105区分并分离具有不同波长的不同信号。这些经分离的信号随后被提供给ONU或FTTH光接收机100内的恰当设备以作进一步处理。图2示出了适于FTTH光接收机100中使用的三工器105的详图。三工器105接收光信号，并根据收到信号的波长将它们路由至恰当的内部光电二极管。更具体地，视频镜205将由波长确定的视频信号反射至视频光电二极管210。目前，传送视频信号的优选波长在1550到1560nm，这是由于现有的光纤装备、在该波长上光纤损耗较低、EDFA技术、以及激光器的可用性等。视频光电二极管210以前向频率将视频信号提供给FTTH光接收机100内的放大器级。用于视频信号的典型前向频率是从45到1000兆赫兹(MHz)。第二个镜215将例如1490nm的第二波长反射至第二光电二极管220。第二光电二极管220随后以例如155兆比特每秒(mbps)输出包括语音和数据信号的数字流。激光器225以例如155mbps提供包括语音和数据信号的光数字流输出。数字光电二极管220和激光器225提供去往和来自ONU中的附加电路(未示出)的数字流以便以常规方式处理并随后提供去往在整个住户路由的双绞线电缆。然而，还将认识到，可仅对视频服务使用双工器或标准光电二极管。关于可在光接收机中使用的三工器的其它信息可在同一发明人的题为“Fiber To The Home(FTTH)Optical Receiver having Gain Control and a Remote Enable(具有增益控制和远程使能的光纤到户(FTTH)光接收机)”美国专利No.6,674,967号中找到，该专利的公开和教义通过引用包括于此。

再次参照图1，视频光电二极管210具有三个输出。两个输出被提供给变换器110以将视频信号匹配至前置放大器级；第三个输出(未示出)是接地引脚。将认识到，该匹配可以多种方式来实现，但本发明的优选实施例通过变换器110和偏置网络112来实现该匹配。这些还可起到改善光接收机噪声性能的作用。光电二极管210和变换器110向两个推挽放大器115、120的输入提供两个反向的RF电流连接——一个为0°而一个为180°。来自光电二极管210的宽带电流信号在被耦合至组合变换器125之前在放大器115、120中被转换成经放大的RF电压信号。

包括放大器115、120和140、145的增益级利用其教义被包括于此的美国专利No.5,347,389号中所述的推挽式应用。增益级(即，前置放大器级和后置放大器级)被设计成提供足以驱动通常具有与四向分离器和同轴电缆相关联的损耗的住户网络的增益。将认识到，放大器115、120、140、145或者也可以是单个末端放大器级，只要它们的线性性能足够。使用单个末端放大器还消除了变换器125和135，由此降低了成本。

增益控制和倾斜(tilt)组合网络130接收组合的RF信号。网络130的增益控制部分对FTTH系统提供的广范围的输入光功率进行补偿。将认识到，在不要求增益控制网络的情况下构造FTTH系统也是可能的。然而，在这种方式下运营商必须构造具有预定光纤长度和已知RF输入电平的住户系统以便将各放大器级设为恰当的电平。虽然设计和实现都更加困难，但也将认识到如果不使用增益控制网络，则就不再需要变换器125、135。然而在本发明的优选实施例中，设置了网络130的增益控制部分以适应具有变化的光线长度和RF输入电平的系统的灵活性。

增益控制网络130是通过感测来自光电二极管210的输出的光输入功率电平来导出恰当增益的开环增益控制网络。预定的补偿(back off)量被设成维持可接受的到户的输入信号电平。例如利用PIN二极管的T字桥电路设置网络130中的预定补偿。这样，通过使用该预定补偿而简化了FTTH光接收机100的安装，因为不需要如常规光接收机和放大器所要求地那样设置输出RF电平。另外，在光调制索引(OMI)已知且恒定的情况下该预定补偿量是有效的。一不太昂贵的AGC网络方法涉及将增益变化限于0dB损耗或10dB损耗。可调节该阈值点以优化噪声性能，但保持RF输出电平在允许限度内。还可实现滞后网络来控制电路并消除该阈值点附近的任何振荡状态。

网络130的增益控制部分是位于前置放大器级与后置放大器级之间的级间设备。或者，增益控制可以安放于接收机100的输出处，但级间放置降低了对后置放大器的线性要求。增益控制和倾斜网络130的输出被提供给变换器135以将该RF信号匹配至两个推挽后置放大器140和145。最后的变换器150接收经放大的RF信号并组合这些RF信号以便通过同轴电缆传输至例如机顶盒设备。

图3是根据本发明的适于在FTTH系统中使用的光接收机的第一实施例。相比于图1的常规光接收机100，根据本发明的光接收机300利用数个增益级。更具体地，根据本发明，增益级320、335、350、360遍布整个光接收机300分布而不只是实现附图1所示的前置放大器和后置放大器级。在常规光接收机100中，由于FTTH系统的输入光电平的波动，为了维持所要求的RF输出的线性规范，要求更高的功率增益级。相反，根据本发明，噪声性能被最优化且RF信号电平被防止增大至超出增益级线性区域，由此允许较小、较低的功耗增益级。将认识到，在OMI未知或者可能由于信道负载而变化的情况下，各级可以不同方式——诸如使用开环电路或闭环电路、预定补偿或RF滤波器和检测器来实现。

光电二极管305接收输入光信号并将该光信号转换成RF信号。将认识到，如果使用了外部波分复用(WDM)组件则光电二极管305可以是一单独设备。另外，所示的光电二极管305还可以是包括WDM组件的双工器或三工器模块。此外，光电二极管305可以多种方式偏置——诸如与接收机集成电路集成在一起，但在本发明的优选实施例中，它是通过还起到改善光接收机噪声性能的偏置网络308和变换器310来实现的。

光电二极管305的RF输出被提供给前置放大器级320。包括变换器310、315和放大器的前置放大器级320将RF输出信号匹配至较低的输出阻抗。将认识到，设计级320、335、350、360是为了提供足以驱动包括4向分离器和同轴电缆损耗的住户网络的增益。光接收机300的最终RF输出阻抗为75欧姆，这是户内分布网络的典型要求。还将认识到，在本发明的优选实施例中，各级中的放大器是推挽式电路，但在线性性能足够的情况下也可以是单端级。如所提及的，同时使用的单端级或推挽式电路350和360将消除光接收机中的一些变换器，由此降低了成本。如果前置放大器320级的输入噪声性能较低，还可通过消除输入变换器310并以已知方式通过RF电感器扼流圈偏置光电二极管305来降低成本。

衰减器325和增益控制网络330对可从FTTH系统接收到的宽输入光功率进行补偿。在任意增益控制之前，输入光功率有可能15dB的变化关联至RF电平30dB的变化，这对于住户网络中连接的电视和机顶盒终端而言是过大的。相应地，衰减器和增益控制电路是必需的，以便在维持对良好噪声性能、良好线性、及低功耗的要求的情况下维持可接受的到住户的输入信号电平。本发明的优选实施例包含从来自光电二极管305的传感线导出的开环补偿电路。包括在增益控制电路330中的光检测电路首先感测光输入功率。然后当光电平功率增大至超过预定阈值时，第一衰减器325衰减该输入电平。这允许光接收机300优化其噪声性能直至提供输入光信号的系统达到足够的信噪比水平。随着输入信号电平的衰减，光接收机300的噪声退化，然而，该衰减通过防止输入信号过驱动中间级放大器335和每一后续增益级350、360而有助于实现所需要的输出线性要求。

第二衰减器340总是运行的并且位于前两个增益级320、335之后。通过介于两个级335、350之间的位置，第二衰减器340将其直接效应限于光接收机的噪声性能上。更具体地，第二衰减器340允许第一衰减器325具有在其切换时延迟的能力从而允许更佳的噪声性能。当第一衰减器325切换时，第二衰减器340自动补偿以维持合需的电平。另外，由于衰减器340位于输出增益级350、360之前，信号的RF电平在输出增益级350、360之前被进一步衰减。该再次衰减允许光接收机300具有恒定的输出电平并防止了输出增益级350、360被过驱动至非线性区域。闭环第二衰减器340使用功率检测电路并从耦合器370接收其输入。另外，耦合器370将RF输出信号提供给住户网络。

还是如图1所示，本发明的光接收机300还可包括远程使能。服务供应商可通过网络远程地禁用该光接收机300。服务供应商与光接收机300之间的通信使用光纤上的波长以提供双向数字信号路径。该使能功能中断了去往增益级320、335、350、360的功率，由此提供足够的隔离以切断任何去往住户的视频信号。然而对光电二极管305的偏置仍然维持，这允许不论视频输出的状态如何都对光信号完整性进行监视。另一益处是在不需要视频服务的情况下降低了住户安设单元的功耗。

图4是根据本发明的光接收机的第二实施例。集成电路405将前置放大器415和第一中间级放大器430纳入在一个封装中。将认识到，集成电路还可耦合至光电二极管305，这或者可通过将两个电路一同设放在一个封装中或者可通过对光和RF电子使用同一基底来实现。光接收机400随后可安设在住户或企业的墙外的围栏内。包括在集成电路405中的还可以是偏置网络410和远程使能。增益控制电路420、425耦合在前置放大器级415与中间级放大器430之间。

光接收机400还包括衰减器340和RF检测和自动增益控制电路345。由于任何RF电缆损耗，然后在第二中间级放大器350与后置放大器级360之间耦合一倾斜网络435以确保RF输出设有对应户内网络的恰当倾斜。还包括了用作RF测试点的耦合器440，以允许服务供应商检验接收机400的输出处的RF电平。

以上描述了根据本发明的光接收机，它解决了接收变化较广的输入光信号并继续提供具有良好噪声失真性能的线性RF输出的需求。还将认识到，如所提及的，该光接收机具有与所示的各实施例以相类似的方式执行但仍体现了本发明的范围的若干不同实施例。

Claims (20)

1.在用于经由光纤传送诸如视频、语音、及数据信号等前向和反向光信号的光纤到户(FTTH)系统中，所述FTTH系统包括多个住户网络单元，所述多个住户网络单元包括用于接收所述视频、语音、及数据信号中的至少一个并经由同轴电缆将所述至少一个视频、语音、及数据信号提供给连接着的设备的光接收机，所述光接收机包括：

光电二极管，用于将光信号转换成RF信号；以及

遍布所述光接收机以放大所述RF信号的多个增益级，其中所述多个增益级包括前置放大器和后置放大器级以及耦合在所述前置放大器和后置放大器级之间的第一和第二中间级放大器，

由此遍布所述光接收机安放所述多个增益级提供了输出噪声信号较低且具有合需电平的后置放大器输出信号。

2.如权利要求1所述的FTTH系统，其特征在于，所述光接收机还包括：

第一增益控制网络，用于接收来自所述光电二极管的所述RF信号并提供光控制信号，其中所述RF信号包括所述光信号的输入功率电平；以及

第一衰减器，其耦合于所述前置放大器级与所述第一中间级放大器之间，所述第一衰减器用于接收所述光控制信号并在所述光信号的所述输入功率电平超出预定范围时衰减所述RF信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光接收机还包括用于向所述第一增益控制网络提供所述输入功率电平的光功率感测电路。

4.如权利要求1所述的FTTH系统，其特征在于，所述光接收机还包括：

使能电路，用于从所述FTTH系统接收控制功能信号，其中所述控制功能信号指示对所述多个增益级的功率限制功能，

其中当所述功率限制功能被使能时，所述RF信号被阻止递送至所述连接着的设备。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光接收机还包括偏置电路，其中所述偏置电路是变换器偏置电路。

6.如权利要求1所述的FTTH系统，其特征在于，所述光接收机还包括偏置电路，其中所述偏置电路是电阻器偏置电路。

7.如权利要求2所述的FTTH系统，其特征在于，所述光接收机还包括：

第二衰减器，其耦合在所述第一与第二中间级放大器之间；以及

耦合至所述后置放大器级的输出的第二增益控制网络，所述第二增益控制网络用于提供指示与所述后置放大器输出信号相关联的电平的RF控制信号。

8.如权利要求7所述的FTTH系统，其特征在于，所述第二衰减器基于所述RF控制信号衰减所述RF信号以将所述后置放大器输出信号维持在合需电平上。

9.如权利要求7所述的FTTH系统，其特征在于，当所述第一衰减器切换时，所述第二衰减器自动补偿以维持所述后置放大器输出信号的合需电平。

10.一种用于提供经放大的RF输出信号的方法，所述方法执行以下步骤：

在光接收机处接收输入光信号；

将所述输入光信号转换成RF信号；以及

用位于遍布所述光接收机的多个增益级放大所述RF信号以提供具有合需电平的RF输出信号，

其中所述多个增益级包括前置放大器级、第一中间级放大器、第二中间级放大器、以及后置放大器级。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还执行以下步骤：

在放大所述RF信号之前，确定所述RF信号的输入电平；以及

当所述输入电平超出预定范围时在所述前置放大器级的输出处用第一衰减器衰减所述RF信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还执行感测所述输入光信号的所述输入电平并将所述输入电平提供给第一增益控制网络的步骤。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还执行用位于所述第一和第二中间级放大器之间的第二衰减器衰减所述RF信号的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还执行向所述第二衰减器提供指示与所述RF输出信号相关联的电平的RF控制信号的步骤，其中所述第二衰减器基于所述RF控制信号衰减所述RF信号以将所述输出RF信号维持在合需电平上。

15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还在所述第一衰减器开始切换时执行自动补偿所述衰减的步骤以便维持所述RF输出信号的合需电平。

16.一种包括光接收机的通信系统，所述光接收机用于接收光输入信号并提供RF输出信号，所述光接收机包括：

光电二极管，用于将具有光电平的光信号转换成具有RF电平的RF信号，其中所述RF电平等价于所述光电平；

耦合至所述光电二极管的前置放大器级，用于接收所述RF信号并提供经放大的信号；

耦合至所述前置放大器级的第一衰减器，用于根据预定电平衰减所述RF电平；

耦合至所述第一衰减器的第一和第二中间级放大器，用于放大所述RF信号；

耦合至所述第二中间级放大器的第二衰减器，用于根据所述预定电平进一步衰减所述RF电平；以及

耦合至所述第二衰减器的后置放大器级，用于对所述RF信号进行最终放大，

其中所述后置放大器级提供的所述RF信号的所述RF电平在所述预定电平上。

17.如权利要求16所述的通信系统，其特征在于，还包括用于从所述光电二极管接收所述RF信号并提供指示所述RF电平的光控制信号的第一增益控制网络。

18.如权利要求17所述的通信系统，其特征在于，还包括用于从所述后置放大器级接收所述RF信号并向所述第二衰减器提供指示所述RF电平的RF控制信号的第二增益控制网络。

19.如权利要求16所述的通信系统，其特征在于，当所述第一衰减器切换时，所述第二衰减器自动补偿以维持所述后置放大器级RF信号的所述合需电平。

20.如权利要求16所述的通信系统，其特征在于，还包括用于从所述通信系统接收控制功能信号的使能电路，其中所述控制功能信号指示对所述前置放大器级、所述第一和第二中间级放大器、及所述后置放大器级的功率限制功能，其中当所述功率限制功能被使能时，所述后置放大器级RF信号被阻止传送。

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