CN102185649A - 一种高精度突发接收光功率监测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度突发接收光功率的监测系统及方法，属于光通信技术领域。所述系统包括光探测器、模拟数字转换电路，还包括光探测器分别连接到强光监测电路和弱光监测电路的输入端，强光监测电路的输出端连接第一采样保持电路的输入端，弱光监测电路的输出端连接第二采样保持电路的输入端，第一采样保持电路和第二采样保持电路的输出端分别连接模拟数字转换电路的两个输入端。所述方法包括采样弱光和强光监测模拟电压信号并转换为数字采样值D1和D2；微处理器根据D1和D2获取对应的光功率数值M1和M2，计算并输出监测光功率值并将输出监测光功率值存储到存储单元。本发明可以达到增大突发接收光功率的监测范围及精度的有益效果。

Description

一种高精度突发接收光功率监测的系统及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种突发接收光功率监测的系统及方法。

背景技术

无源光网络（PON-Passive Optical Network）由于消除了电信局端与用户端之间的有源设备，不需要中途的光电中继或者信号处理，因此具有建网成本低，维护简单的优点。

在网络技术方面，无源光网络系统是一种一点到多点的系统，即一个光线路终端（OLT，Optical Line Terminal）与多个光网络终端（ONT，Optical Net Terminal）通过树形光纤链路连接。无源光网络中的上行方向，从各ONT到OLT的数据传输采用时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）的方式,也就是突发数据包的传输；在下行方向， OLT发出的信号是广播式发给所有的多个ONT(单点发送，多点接收)，各用户需要从中取出发给自己的数据。

GEPON（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）和GPON（Gigabit-Capable Passive Optical Network）业务是异步的，在上行业务中，给每个用户一个传输数据的时隙，即从ONT到OLT的业务不是连续的，由一个个突发数据组成。无源光网络系统由于各个ONT的位置不同、距离不同、光线路状态不同，其光纤中传输损耗就不同，造成OLT 接收到的各个数据包光功率大小各异，所以要求OLT的接收部分为突发式、高动态范围，这也是突发模式光接收机的主要特点之一。

OLT设备可以分为光电模块和系统主机两个部分，光电模块完成光电信号的转换，同时提供光电性能的监控与告警（包括接收到的突发光功率大小监控）。在无源光网络（PON）系统中，OLT的上行数据接收工作在突发模式下，由于ONT的位置不同，所以常常需要OLT的光电模块实时监控上行ONT突发的发光功率，并根据监控的异常情况上报系统主机。由于ONT的发光时隙由OLT系统分配，最短的发光时间在数百纳秒，这种特殊的工作方式决定了OLT光模块必须使用突发的光功率测量电路，在数百纳秒的时间以内获取突发的光功率值。

图6是现有技术中OLT光模块测试突发接收光功率的装置的结构示意图。如图6所示，测试突发接收光功率装置的原理是，当ONT上行突发光信号输入后，光探测器61接收光信号并转换为电流信号输出给监测电路62，监测电路62再将该信号转换为与输入光功率大小成比例的模拟电压，然后采样保持电路63会将该模拟电压保持，直到模拟数字转换电路64完成模拟数字转换处理并输出到微处理器65得到相应的监测光功率值，最后再将该值存储在对应存储单元里供系统读取。

但是在现有的接收光功率监测技术中，都存在着测量动态范围有限的问题。比如采用电流-电压型的对数放大器来进行光功率监测的技术方案，但是该方案的缺点是在强光输入时，电压信号饱和，导致强光测试精度难以满足实际的测试需求；有的采用电流型的镜像电流源来进行光功率监测的技术方案，该方案的缺点是在弱光输入时，电流信号微弱，导致弱光测试精度难以满足实际的测试需求。

发明内容

本发明针对现有技术中OLT对突发接收光功率信号监测范围不足的问题，提供了一种新的监测系统和方法，采用分段监测的方式，针对接收到的强光和弱光分别采用各自最佳的监测电路，且分别采样保持和模数转换处理，大大提高了OLT模块在监测应用时的动态工作范围和精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种高精度突发接收光功率的监测系统，包括光探测器、模拟数字转换电路、微处理器，模拟数字转换电路的输出端直接连接到微处理器，还包括强光监测电路、第一采样保持电路、弱光监测电路和第二采样保持电路，光探测器分别连接到强光监测电路和弱光监测电路的输入端，强光监测电路的输出端连接到第一采样保持电路的输入端，弱光监测电路的输出端连接到第二采样保持电路的输入端，第一采样保持电路和第二采样保持电路的输出端分别连接到模拟数字转换电路的两个输入端。

上述的强光检测电路包括镜像电流源和电流-电压转换电路，所述镜像电流源的输入端与光探测器连接，输出端与电流-电压转换电路的输入端连接，电流-电压转换电路的输出端与第一采样保持电路的输入端连接；电流-电压转换电路，将镜像电流源的电流信号转换为电压信号。电流-电压转换电路包括但不限于负载电阻和跨阻放大电路中的任一种。

上述的弱光监测电路包括前置放大电路和对数检测器，所述前置放大电路的输入端与光探测器连接，输出端与对数检测器的输入端连接，对数检测器的输出端与第二采样保持电路连接；所述前置放大电路为跨阻放大器电路；所述对数监测电路，将前置放大电路输出的电压信号转换成对数比例的模拟电压。所述的弱光监测电路还可以采用的技术方案是：弱光监测电路包括镜像电流源和电流-电压转换电路，所述镜像电流源的输入端与光探测器连接，输出端与电流-电压转换电路的输入端连接，电流-电压转换电路的输出端与第二采样保持电路的输入端连接，电流-电压转换电路包括但不限于负载电阻和跨阻放大电路中的任一种；电流-电压转换电路，将镜像电流源的电流信号转换为电压信号。

在前述的强光检测电路和弱光监测电路中，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器、电阻和电容，电阻和电容跨接在跨阻放大器的反向输入端和输出端之间；跨阻放大器的反向输入端与镜像电流源的输出端连接，正向输入端与2.5V电源连接。

前述的光探测器为雪崩电压二极管。

一种高精度突发接收光功率的监测方法，所述方法包括步骤：模拟数字转换电路采样弱光监测模拟电压信号并转换为数字采样值D1的步骤；模拟数字转换电路采样强光监测模拟电压信号并转换为数字采样值D2的步骤；微处理器接收数字值D1和D2，根据微处理器内部写入的映射关系获取对应的光功率数值M1和M2的步骤；微处理器计算并输出监测光功率值的步骤；微处理器将输出监测光功率值存储到存储单元的步骤。

前述的微处理器计算并输出监控光功率值的步骤包括：比较M1是否大于微处理器中预设的光功率值M0，如果是，输出的监测光功率值为M1，否则：比较M2是否小于（M0+1），如果是，输出的光监测光功率值为M2，否则输出的监测光功率值为（M1+M2）/2。

采用了本发明的技术方案，成功避开各种接收光功率监测电路的测试盲区或低精度区，最终实现增大接收光功率的监测范围，提高监测精度，可以满足用户对ONT上行光功率监测误差小于正负1dB的要求。

附图说明

图1是本发明突发接收光功率的监测系统的原理框图；

图2是强光监测电路的一种应用方式原理图；

图3是弱光监测电路的一种应用方式原理图；

图4是弱光监测电路的另一种应用方式原理图；

图5是本发明突发接收光功率的监测系统一个具体实施例的电路原理图；

图6是现有技术的突发接收光功率的监测系统的原理框图；

图7是本发明突发接收光功率的监测方法的流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明突发接收光功率的监测系统的原理框图。一种高精度突发接收光功率的监测系统，包括光探测器11、模拟数字转换电路12、微处理器13，模拟数字转换电路12的输出端直接连接到微处理器13，还包括强光监测电路14、第一采样保持电路15、弱光监测电路16和第二采样保持电路17，光探测器11分别连接到强光监测电路14和弱光监测电路16的输入端，强光监测电路14的输出端连接到第一采样保持电路15的输入端，弱光监测电路16的输出端连接到第二采样保持电路17的输入端，第一采样保持电路15和第二采样保持电路17的输出端分别连接到模拟数字转换电路12的两个输入端。

测试突发接收光功率装置的原理是：当ONT上行突发光信号输入后，光探测器接收光信号并转换为电流信号分别输入给强光监测电路和弱光监测电路，强光监测电路和弱光监测电路再分别将该信号转换为与输入光功率大小成比例的模拟电压，然后各自相连的采样保持电路会将该模拟电压采样后保持，直到模拟数字转换电路完成模数转换处理且输入到微处理器计算得到相应监测光功率值后，再将该值存储到对应的存储单元供系统读取。

本发明具体实施方式中所用的光探测器，采用光纤通信系统中普遍采用的雪崩电压二极管光探测器，比如美国的Emcore公司的8413-2614-B。

图2是本发明具体实施方式中强光监测电路的一种应用方式。强光检测电路14包括镜像电流源141和电流-电压转换电路142，所述镜像电流源141的输入端与光探测器11连接，输出端与电流-电压转换电路142的输入端连接，电流-电压转换电路142的输出端与第一采样保持电路15的输入端连接。电流-电压转换电路，将镜像电流源的电流信号转换为电压信号。

光探测器接11收光信号，并产生光电流发送给镜像电流源，镜像电流源产生与平均光电流对应成比例的镜像电流，镜像电流送到电流-电压转换电路，电流电压转换电路将镜像电流信号转变成电压信号。电流-电压转换电路，用于将镜像电流转换为电压信号，在实际方式上可以使用阻值较小的负载电阻将镜像电流转变为模拟电压，或者使用跨阻值较小的跨阻放大电路的方式将电流信号转变为模拟电压，强光监测电路的输出即为该模拟电压，它随接收光功率大小的变化而单调变化的。

图3是本发明具体实施方式中弱光监测电路的一种应用方式。弱光监测电路16包括前置放大电路161和对数检测器162，所述前置放大电路161的输入端与光探测器11连接，输出端与对数检测器162的输入端连接，对数检测器162的输出端与第二采样保持电路17连接。所述前置放大电路为跨阻放大器电路；所述对数监测电路，将前置放大电路输出的电压信号转换成对数比例的模拟电压。

光探测器接收光信号，并产生光电流信号发送给跨阻放大电路（前端放大电路），跨阻放大电路将光电流信号转换为电压信号，电压信号送到对数检测器，对数检测器的监测范围很大，能够将电压信号转变成对数比例的模拟电压。弱光监测电路的输出即为该模拟电压，它随接收光功率大小的变化而线性变化的。

图4同样也可以作为本发明具体实施方式中弱光监测电路的应用方式之一。弱光监测电路16包括镜像电流源163和电流-电压转换电路164，所述镜像电流源163的输入端与光探测器11连接，输出端与电流-电压转换电路164的输入端连接，电流-电压转换电路164的输出端与第二采样保持电路17的输入端连接；电流-电压转换电路，将镜像电流源的电流信号转换为电压信号。但是其中的放大电路必须使用阻值较大的负载电阻将镜像电流转变为模拟电压，或者使用跨阻值较大的跨阻放大器的方式将电流信号转变为模拟电压。

图5是本发明所述一种高精度突发接收光功率监测系统的一个实施例的电路原理图。如图5所示，本电路设计中的强光监测电路和弱光监测电路部分分别采用了图2和图3介绍的方案，其中：U1作为APD（雪崩电压二极管）芯片的偏置电源输入到镜像电流源U2的输入端，镜像电流源U2的参考输出端直接连接到APD芯片的负极， 镜像电流源U2的镜像监控输出端连接到跨阻放大器U4的反向输入端， U4的正向输入端为一个2.5V的稳定参考电压， U4的反向输入端和U4输出端之间并联跨接了第一电阻R1和第一电容C1，用于把U2出来的电流监控信号转换为电压型号。U2、U4、R1、C1组成强光监测电路连接到第一采样保持电路，第一采样保持电路由第一开关S1、第二电阻R2、第三电容C3、第六电压跟随器U6和第四电阻C4组成，U4的输出端连接到第一开关S1的信号输入端，S1的信号输出端连接到第二电阻R2的一端，R2的另外一端连接到第三电容C3上一端和U6的正向输入端，C3的另外一端连接到地，U6的反向输入端与U6输出端及第四电容C4的其中一端相连，并输送到微处理器（单片机）U8的其中一个模拟数字转换输入管脚，C4的另外一端直接连接到地。

弱光监测电路由前置放大电路U3、第二电容C2、对数检测器U5组成，并输入到第二采样保持电路。APD芯片的正极连接到U3的输入端，U3的输出端连接到C2的一端，C2的另外一端连接到U5的输入端，U3将信号通过C2交流耦合到U5。第二采样保持电路由第二开关S2、第三电阻R3、第五电容C5、第七电压跟随器U7和第六电容C6组成，U5的输出端连接到S2的信号输入端，S2的信号输出端连接到R3的一端，R3的另外一端连接到C5上一端和U7的正向输入端，C5的另外一端连接到地，U7的反向输入端与U7输出端及C6的一端相连，并连接到微处理器（单片机）U8的另外一个模拟数字转换输入管脚，C6的另外一端直接连接到地。

目前大多数的微处理器（MCU）都在内部集成了模拟数字转换电路，并且价格也较低（比如Atmel公司的型号为ATMega88的AVR单片机及ADI公司的型号为ADuC7020的单片机）。

如图7是本发明具体实施方式中微处理器在突发接收光功率监测操作时的软件流程图。如图7所示，微处理器操作流程包括以下几个关键步骤：

步骤101、光探测器接收ONT发射的光信号，开始接收光功率监测；

步骤102、模拟数字转换器采样弱光监测信号，转换后得到的数字采样值为D1；

步骤103、模拟数字转换器采样强光监测信号，转换后得到的数字采样值为D2；

步骤104、微处理器收到数字量D1和D2后，根据内部固定写入的映射关系，获取对应的光功率数值M1和M2；

步骤105、微处理器中存储有一个预设的光功率值M0，如果M1大于M0,则输出监测光功率值M1，然后执行步骤108，否则则执行：

步骤106、如果M2小于(M0+1),则输出监测光功率值M2，然后执行步骤108，否则执行步骤107：

步骤107、输出监测光功率值为（M1/2+M2/2）；

步骤108、微处理器将输出监测光功率值存储到对应的存储单元。系统主机通过两线式串行总线读取光功率数值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种高精度突发接收光功率的监测系统，包括光探测器、模拟数字转换电路、微处理器，模拟数字转换电路的输出端直接连接到微处理器，其特征在于，还包括强光监测电路、第一采样保持电路、弱光监测电路和第二采样保持电路，光探测器分别连接到强光监测电路和弱光监测电路的输入端，强光监测电路的输出端连接到第一采样保持电路的输入端，弱光监测电路的输出端连接到第二采样保持电路的输入端，第一采样保持电路和第二采样保持电路的输出端分别连接到模拟数字转换电路的两个输入端。

2.根据权利要求1所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述强光检测电路包括镜像电流源和电流-电压转换电路，所述镜像电流源的输入端与光探测器连接，输出端与电流-电压转换电路的输入端连接，电流-电压转换电路的输出端与第一采样保持电路的输入端连接；

    电流-电压转换电路，将镜像电流源的电流信号转换为电压信号。

3.根据权利要求1所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述弱光监测电路包括前置放大电路和对数检测器，所述前置放大电路的输入端与光探测器连接，输出端与对数检测器的输入端连接，对数检测器的输出端与第二采样保持电路连接。

4.根据权利要求3所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述前置放大电路为跨阻放大器电路；所述对数监测电路，将前置放大电路输出的电压信号转换成对数比例的模拟电压。

5.根据权利要求1所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述弱光监测电路包括镜像电流源和电流-电压转换电路，所述镜像电流源的输入端与光探测器连接，输出端与电流-电压转换电路的输入端连接，电流-电压转换电路的输出端与第二采样保持电路的输入端连接；

    电流-电压转换电路，将镜像电流源的电流信号转换为电压信号。

6.根据权利要求2或5所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述电流-电压转换电路包括但不限于负载电阻和跨阻放大电路中的任一种。

7.根据权利要求6所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器、电阻和电容，电阻和电容跨接在跨阻放大器的反向输入端和输出端之间；跨阻放大器的反向输入端与镜像电流源的输出端连接，正向输入端与2.5V电源连接。

8.根据1至5中的任一权利要求所述的一种高精度突发接收光功率的监测系统，其特征在于，所述光探测器为雪崩电压二极管。

9.一种高精度突发接收光功率的监测方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

    模拟数字转换电路采样弱光监测模拟电压信号并转换为数字采样值D1的步骤；

    模拟数字转换电路采样强光监测模拟电压信号并转换为数字采样值D2的步骤；

    微处理器接收数字值D1和D2，根据微处理器内部写入的映射关系获取对应的光功率数值M1和M2的步骤；

    微处理器计算并输出监测光功率值的步骤；

    微处理器将输出监测光功率值存储到存储单元的步骤。

10.根据权利要求9所述的一种高精度突发接收光功率的监测方法，其特征在于，所述微处理器计算并输出监控光功率值的步骤包括：

    比较M1是否大于微处理器中预设的光功率值M0，如果是，输出的监测光功率值为M1，否则：

    比较M2是否小于（M0+1），如果是，输出的光监测光功率值为M2，否则输出的监测光功率值为（M1+M2）/2。

Images