CN101951311A - 无源光网络中在接收端动态优化调节的突发时钟恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源光网络中使用多级幅度调制时的在接收端动态优化调节的突发时钟恢复方法。该方法是在位于光纤线路终端中的光接收器中，收到的光信号首先被光探测器和转阻放大器转化成电信号；该电信号为后续3路电路链路的输入：其中2路电路链路通过注入式锁态振荡器产生时钟信号，其注入强度通过自动动态调整。本发明相对于其他采用多级幅度调制的非归零码的情况下的时钟恢复方案，本方案的结构简单，带来诸多优点：功耗小，占用芯片面积小。其特色的动态调整功能，能同时获得较小的锁定时间和较小的锁定后时钟抖动。

Description

无源光网络中在接收端动态优化调节的突发时钟恢复方法

技术领域：

本发明涉及无源光网络中的时钟恢复技术，特别涉及一种无源光网络中使用多级幅度调制时的在接收端动态优化调节的突发时钟恢复方法。

背景技术：

我国是网络通信大国，在1998年就已建成包含22条光缆干线、总长为33000公里的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。然而，从主干网到个人用户之间的接入网成为数据传输瓶颈。目前，无源光网络成为接入网的首选，其应用包括光纤到大楼和光纤到户等等。

无源光网络的网络架构见图1。光纤线路终端放置在运营商端。光纤网络单元放置在用户端。下行数据由光纤线路终端以广播方式发送到光纤网络单元，所用的激光器波长为1490纳米。上行数据由光纤网络单元以突发方式发送到光纤线路终端，所用的激光器波长为1310纳米。光纤线路终端和光纤网络单元中的波分复用器将两根光纤(分别连接到发送器和接收器)中的信道合并到一条光纤中的两个波长信道。网络中的光纤分光器将众多的光纤网络单元和光纤线路终端以树型拓扑结构连接起来。

无源光网络的其中一个技术难点在于光纤线路终端中的光接收器。由于众多的光纤网络单元分享一段在光纤分光器和光纤线路终端之间的光纤，光纤网络单元到光纤线路终端的上行传输必须以突发方式进行。一段时间内，只有一个光纤网络单元占用上行信道。为了提高实时性，每个突发包的长度很短。又为了增加效率，包头的长度尤其是包头中用于同步的信号也很短，一般仅几十个纳秒。光纤线路终端的光接收器中的时钟恢复电路就必须在包头同步信号的时间长度内恢复出时钟。恢复出的时钟的频率必须和收到的数据包所用的时钟频率一致，其时钟上升沿(或下降沿)必须能正确的判定数据(即恢复出的时钟相位要和收到的数据相位一致)。这样的电路称为突发时钟恢复电路。每一个数据包的相位是随机的，其所用的时钟频率也是有些微差别的。时钟恢复电路从没有锁定到锁定，所需要的时间称为锁定时间。传统的锁相环电路难以满足如此短的锁定时间的要求。

相比于目前的无源光网络，下一代无源光网络将会要求更高的上下行带宽。要求更高的上行带宽的应用包括：远程医疗(大量的实时医疗图象需要从病房或病人住所上传)，虚拟实境(操作者的精确位置和动作等需要实时上传)，高清视频会议，海量快速网络备份，对等网络通信，等等。现有的无源光网络采用非归零码两级(即0和1)幅度调制。为提高光纤网络的容量，已提出的方法包括提高时钟频率或是使用多级幅度调制，等等。如果采用提高时钟频率，网络中的光电器件的带宽需要相应提高。而更高带宽的光电器件导致更高的成本。而采用多级幅度调制，原先带宽的光电器件可以继续使用，而低成本的信号发生电路需要替换。并且，新的多级幅度调制电路的成本与原先的二级幅度调制电路相近(电路的成本和光电器件的成本相比，要小很多)。这样，可以用同样带宽的光电器件，多倍增加网络信号比特率。

采用多级幅度调制的非归零码信号的频谱有这样的特色：没有时钟频谱线。这样，就不能直接用注入式锁态振荡器取出时钟信号。现有的针对多级幅度调制的时钟恢复方式都有其缺点：结构复杂，功耗大。举例如下：

1)采用复杂数字或模拟方法将用多级幅度调制的非归零码信号转化成另一种在频谱上具有时钟频谱线的调制信号模式；

2)将各种过零点方式考虑在内，通过复杂逻辑电路选择正确的过零点；

3)采用过取样和模数转换的方法和通过复杂数字信号处理来恢复正确的时钟。

由于其物理特性中的张持振荡现象，直接调制激光器产生的二级幅度调制的非归零码光信号经接收探测后会有时钟频谱线。然而，未有公开的专利或发表刊登的论文提及利用其频谱特性进行时钟恢复。

发明内容：

本发明的目的是提供一种无源光网络中使用多级幅度调制时的在接收端动态优化调节的突发时钟恢复方法。该方案根据注入式锁态振荡器的原理，针对无源光网络中上行光信号采用多级幅度调制的非归零码的情况，构建了光纤线路终端中的光接收器的结构。

在无源光网络中，光纤网络单元一般采用直接调制激光器。由于其物理特性中的张持振荡现象，它产生的多级幅度调制的非归零码光信号经接收探测后会有时钟频谱线。这样，在光纤线路终端的接收器中可以放置注入式锁态振荡器作为时钟恢复电路的一部分，用其恢复出时钟。注入式锁态振荡器的锁定时间很短，可以在几十个纳秒以内，可以满足无源光网络的上行信道的接收器对锁定时间的要求。

本发明的具体技术方案如下：

该方法是在位于光纤线路终端中的光接收器中，收到的光信号首先被光探测器和转阻放大器转化成电信号；该电信号为后续3路电路链路的输入；其特征在于，

所述第一路电路链路中，所述电信号被数据包络探测器探测；所述数据包络探测器能探测出是否接收到数据包；所述数据包络探测器的输出控制后续的自动增益控制器；

所述第二路电路链路中，所述电信号被带通滤波器过滤，其中央频率约为接收到的数据信号的时钟频率；随后，所述电信号输入到时钟通道放大器，再输出后导入注入式锁态振荡器；所述注入式锁态振荡器的输出为恢复的时钟；

所述第三路电路链路中，所述电信号输入到数据通道放大器，其输出导入重定时器；所述重定时器的另一个输入为恢复的时钟，该时钟能正确的判定数据信号；所述重定时器的输出为恢复的数据。

上述方案中，所述时钟通道放大器的增益受自动增益控制器控制，其控制方式是：

1)在数据包络探测器探测到有数据包刚到达时，自动增益控制器设定时钟通道放大器为高增益。这样可以获得短的锁定时间；

2)在几十个纳秒后(根据设计和测试时所获得的在此高增益下的实际锁定时间)，自动增益控制器花几纳秒的时间，平滑的从高到低的改变时钟通道放大器的增益；最后所设定的时钟通道放大器的增益能使锁定后的时钟抖动在规定的指标内；这样，既能获得较小的锁定时间，也能同时获得较小的锁定后时钟抖动。

本发明针对无源光网络中上行光信号采用多级幅度调制的非归零码的情况，构建了光纤线路终端中的光接收器的结构，突出点是其突发时钟恢复方案。相对于其他采用多级幅度调制的非归零码的情况下的时钟恢复方案，本方案的结构简单，带来诸多优点：功耗小(电路越复杂，功耗越大)，占用芯片面积小(电路越复杂，占用芯片面积越大)。其特色的动态调整功能，能同时获得较小的锁定时间和较小的锁定后时钟抖动。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为无源光网络架构图。

图2a为锁定时间与增益的关系图。

图2b为锁定后时钟抖动与增益的关系图。

图3为上行光信号采用多级幅度调制的无源光网络结构图。

图4为一个信号包络探测器的结构图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明方案在具体实现时，我们仿真计算了以下情况：多级幅度调制的非归零码的数据信号由直接调制激光器发出，再由光探测器接收到，然后通过一个带通滤波器衰减掉一些干扰和噪声。此后，信号经过放大器放大后输入到注入式锁态振荡器。我们通过控制放大器的增益来控制输入到注入式锁态振荡器的信号强度。经过仿真计算，我们得知注入式锁态振荡器的锁定时间及锁定后的时钟抖动和注入的信号强度有关。规律是：注入信号越强，锁定时间越短，然而锁定后的时钟抖动越大(见图2a和图2b)。我们期望短的锁定时间和锁定后小的时钟抖动。所以，固定的注入信号强度不能达到这样的期望。本发明采用动态调节注入信号强度的方法，同时达到短的锁定时间和锁定后小的时钟抖动。

参见图3，其上行光信号以20吉比特4级幅度调制为例子(其中的光电器件可以沿用二级幅度调制的10吉比特网络的光电器件)。图中省略了诸多器件(相比于图1)，是为了着重说明上行通信的情况。在位于光纤线路终端中的光接收器中，收到的光信号首先被光探测器和转阻放大器转化成电信号。该电信号为后续3路电路链路的输入。

第一路电路链路中，信号被数据包络探测器探测(参见图4)。它能探测出是否接收到数据包。它的输出控制后续的自动增益控制器。

第二路电路链路中，信号被带通滤波器过滤，其中央频率约为时钟频率(在此例中约为10吉比特；由于不可避免的误差，不会精确的和时钟频率一致)。此带通滤波器是为了将时钟频率周边的干扰和噪声频谱过滤掉一些(即降低它们的幅度)。随后，信号输入到时钟通道放大器。其输出导入注入式锁态振荡器。注入式锁态振荡器的输出为恢复的时钟。时钟通道放大器的增益受自动增益控制器控制。其控制方式是：1)在数据包络探测器探测到有数据包刚到达时，自动增益控制器设定时钟通道放大器为高增益。这样可以获得短的锁定时间。2)在几十个纳秒后(根据设计和测试时所获得的在此高增益下的实际锁定时间)，自动增益控制器花几纳秒的时间，平滑的从高到低的改变时钟通道放大器的增益。最后所设定的时钟通道放大器的增益能使锁定后的时钟抖动在规定的指标内。这样，既能获得较小的锁定时间，也能同时获得较小的锁定后时钟抖动。

第三路电路链路中，信号输入到数据通道放大器，其输出导入重定时器。重定时器的另一个输入为恢复的时钟。该时钟能正确的判定数据信号。重定时器的输出为恢复的数据。

通过上述技术方案，本发明的实际效果如下：

1)针对于在下一代高速无源光网络中采用多级幅度调制的非归零码的情况，相对于已有的时钟恢复方法，本发明结构简单，生产(芯片面积)和使用(芯片能耗)成本低；

2)本发明采用动态调节的方法，能同时满足短的锁定时间和锁定后小的时钟抖动这两个设计指标；

3)本发明不需要改变现有网络结构、可以沿用现有一代的光电器件，仅采用替换光发送器和光接收器中的电路的方法就可以升级现有无源光网络的通信带宽。光电器件的成本占据光发送器和光接收器的主要部分，电路的成本一般较小。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.无源光网络中在接收端动态优化调节的突发时钟恢复方法，该方法是在位于光纤线路终端中的光接收器中，收到的光信号首先被光探测器和转阻放大器转化成电信号；该电信号为后续3路电路链路的输入；其特征在于，

所述第一路电路链路中，所述电信号被数据包络探测器探测；所述数据包络探测器能探测出是否接收到数据包；所述数据包络探测器的输出控制后续的自动增益控制器；

所述第二路电路链路中，所述电信号被带通滤波器过滤，其中央频率约为接收到的数据信号的时钟频率；随后，所述电信号输入到时钟通道放大器，再输出后导入注入式锁态振荡器；所述注入式锁态振荡器的输出为恢复的时钟；

所述第三路电路链路中，所述电信号输入到数据通道放大器，其输出导入重定时器；所述重定时器的另一个输入为恢复的时钟，该时钟能正确的判定数据信号；所述重定时器的输出为恢复的数据。

2.根据权利要求1的突发时钟恢复方法，其特征在于，所述时钟通道放大器的增益受自动增益控制器控制，其控制方式是：

1)在数据包络探测器探测到有数据包刚到达时，自动增益控制器设定时钟通道放大器为高增益。这样可以获得短的锁定时间；

2)在几十个纳秒后，自动增益控制器花几纳秒的时间，平滑的从高到低的改变时钟通道放大器的增益；最后所设定的时钟通道放大器的增益能使锁定后的时钟抖动在规定的指标内；这样，既能获得较小的锁定时间，也能同时获得较小的锁定后时钟抖动。

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