CN102332951A - 面向4g光载无线通信的cmos光电接收机前端电路 - Google Patents

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陈燕
肖新东
杨纯璞
田野
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Abstract

本发明属于4G移动通信中ROF(Radio on fiber)光载射频通信领域，涉及一种面向4G光载无线通信的CMOS光电接收机前端电路，包括前置放大器电路；多级可变增益放大器，通过多级放大将电压信号放大到需要的幅值，每个可变增益放大器带有一个控制端，对应不同的输入电压产生不同的增益；峰值检波器；比较器，将峰值检波器的输出信号和某直流电源信号进行比较判决；电压-电流转换模块，将比较器的判决结果经指数变换输入到各个可变增益放大器的控制端，以此来控制可变增益放大器的增益大；缓冲器。本发明的CMOS光电接收机前端电路具有非线性失真校正功能。

Description

面向4G光载无线通信的CMOS光电接收机前端电路
技术领域
本发明属于4G移动通信中ROF(Radio on fiber)光载射频通信领域，涉及一种面向RoF用于4G移动通信标准的光通信中的接收机。
背景技术
随着第三代移动通信系统(3G)在世界各国的商用化，IMT-Advanced(4G)系统已经成为研究重点。根据ITU提出的目标，IMT-Advanced需要实现100Mbps到1Gbps的数据速率，为此将应用一系列新技术。我国拥有自主知识产权的下一代移动通信技术TD-LTE已于2010年10月被国际电信联盟最终确定为第四代移动通信(4G)的国际标准。其中，基于RoF(Radio over Fiber)技术的新型组网方式，将光纤通信的低损耗和高带宽特点与移动通信方便灵活的特性相结合，可以有效解决高频段信号的传播损耗问题，在提高覆盖性的同时提高功率效率。RoF系统是在射频收发机中添加了光线链路组合而成，因此不但要面对一般RF系统要面对的非线性及效率问题，还要面对光电转换，光传输和电光转换过程中的非线性。
IMT-Advanced需要支持最高1Gbps的数据传输速率，选取了450-470MHz、698-806MHz、2.3-2.4GHz和3.4-3.6GHz四个频段作为IMT-Advanced系统采用的频段，频率差异大，射频特性不同，对射频和光电转换模块提出了挑战。并且由于ITU为IMT-Advanced系统分配的多段频谱横跨从低频段到高频段的多个离散频段，对射频器件和模块提出了更高的要求。研制IMT-Advanced系统所需的宽带宽、多频段、高线性、低噪声的射频器件和模块具有很高的技术难度；
针对以上四个频段，采用了中频拉远的方式，为了在光电转换模块中区分四路MIMO信号，将各路信号转换至不同的中频，初步选定的四个中频为1.1GHz，1.3GHz，1.5GHz和1.7GHz。其中的450-470MHz和698-806MHz需要上变频至中频，2.3-2.4GHz和3.4-3.6GHz下变频至中频；该拉远方式主要是考虑可以采用工作范围为1-2GHz的光电转换模块，同时采用了不同的中频载波来区分信号。这样处理后，ROF中光接收机可以采用普通的标准CMOS工艺实现，降低电路的复杂度，并大大降低成本。
IMT-A的RoF系统对光电光接口的要求是带宽更宽并具有非线性失真校正电路，目前商用的光电模块很难达到这些要求，因为现有光纤通信的商用模块是针对数字信号的两电平信号设计的，IMT-A的信号需要用低带宽传送高速率比如5MHz带宽传送100Mbt/s速率，要求传输系统支持QPSK，16QAM，64QAM等调制方式，这些信号为多电平，更类似模拟信号，处于高电平位置的信号极易受到非线性压缩，而在RoF系统中，由于光纤链路的存在，引入了非线性。
发明内容
本发明IMT-A的RoF系统对光电光接口的要求，提供一种具有非线性失真校正功能的CMOS光电接收机前端电路。本发明的技术方案如下：
一种面向IMT-Advanced RoF的CMOS光电接收机前端电路，包括，
前置放大器电路，其作用是将光电探测器输出的电流信号转换为数字电路需要的电压信号；多级可变增益放大器，通过多级放大将电压信号放大到需要的幅值，每个可变增益放大器带有一个控制端，对应不同的输入电压产生不同的增益；
峰值检波器，检测多级可变增益放大器输出电压的包络；
比较器，将峰值检波器的输出信号和某直流电源信号进行比较判决；
电压电流转换模块，将比较器的判决结果经指数变换输入到各个可变增益放大器的控制端，以此来控制可变增益放大器的增益大；
缓冲器，多级可变增益放大器输出的信号经过缓冲器输出。
作为优选实施方式，每级可变增益放大器为差分共源跨阻放大器，包括M1，M2，M3，M4，M5和M6共6个MOS管，M1、M3的漏端经过电阻R1接电源端，M2、M4的漏端经过电阻R2接电源端，M1、M4的栅极相连作为差分输入的一端Vin1，M2、M3的栅极相连作为差分输入的另一端Vin2；M5和M6的源极相连并接地，栅极分别作为控制端；M5的漏极与M1和M2的源极相连，M6的漏极与M3和M4的源极相连；电压电流转换模块包括M21，M22，M23，M24，M25，M26和M27共7个MOS管：M21的源极接电源端，栅极接1.1V的直流偏压，漏极分别接M22、M23的源极；M22的漏极和M25的源极相连，M23的漏极和M24的源极相连；M22的栅极Vc_in接收比较器的输出电压；M23的栅极接地，M25的漏极接M26的漏极同时和M6的栅极相连，并作为输出端之一与各级可变增益放大器的控制端相连；M25、M24的栅极相连同时连接M24的漏极、M27的栅极和M27的漏极，并作为输出端之一与可变增益放大器的另一个控制端相连；M26和M27的源极相连并接地。
与现有主流CMOS硅光电集成接收机前端电路相比，本发明具有如下突出的优点：可变增益放大器的结构为电阻负载的吉尔伯特单元，采用大的负载电阻，能够极大地拓展电路带宽。电压-电流转换模块具有指数电路功能，通过控制可变增益放大器的尾电流大小，实现增益变化的dB线性。
附图说明
图1是带AGC的CMOS光电接收机前端电路结构框图；
图2是可变增益放大器(VGA)电路原理图；
图3是电压-电流转换模块电路原理图。
具体实施方式
本发明是通过以下方法来实现的：图1是带AGC的CMOS光电接收机前端电路结构框图；图2是可变增益放大器VGA电路原理图；图3是电压-电流转换模块电路原理图。下面结合图1、图2和图3进行详细阐述：
图1所示的带AGC的CMOS光电接收机前端电路结构如下：为适应ROF系统的需要，本发明选用了响应度0.9A/W，带宽11GHz，数据率在10Gpbs以上，可工作在1550nm和1310nm两个长波长光纤通信的波段的光探测器。光信号进入光电探测器被转换成电流信号输出，电流信号由输入端输入前置放大器。前置放大器选用了光接收机通用的差分共源跨阻放大器，能够将电流信号放大并转换成电压信号输出。电压信号从前置放大器输出后即进入AGC自动增益控制电路。图1中用虚线框起来的部分即是AGC。具体包括可变增益放大器(VGA)、峰值检测器、比较器、电压-电流转换模块。单个可变增益放大器的具体电路见图2。在本发明中一共使用了三个可变增益放大器通过输入输出端相互串联在一起，这样能实现较大的增益倍数。可变增益放大器具有增益可调的功能。通过调节可变增益放大器的控制端的输入电压，来改变增益的大小。可变增益放大器的输出电压接峰值检波器的输入端，峰值检波器能够跟随该电压信号的变化并输出信号包络电压值。信号包络电压输入进比较器与输入比较器的直流电压进行比较，比较结果前者大于后者则输出低电平信号到电压-电流转换模块，电压电流转换模块可将该电压信号变为dB线性增加其稳定性，然后输入可变增益放大器的控制端，使增益降低；前者小于后者则输出高电平信号到电压-电流转换模块，电压-电流转换模块可将该电压信号变为dB线性增加其稳定性，然后输入可变增益放大器的控制端，使增益升高。Buffer缓冲器接在多级多级可变增益放大器的输出端，用于无失真的输出多级可变增益放大器产生的信号。
图2是可变增益放大器VGA电路原理图。图中R1、R2接Vdd，R1的另一端分别接M1、M3的漏端；R2的另一端分别接M2、M4的漏端。M1、M2的源端接M5漏端，M3、M4的源端接M6的漏端。M1、M4的栅极相连作为差分输入的一端Vin1，M2、M3的栅极相连作为差分输入的另一端Vin2。M5和M6的源极相连并接地。M5、M6的栅极分别作为控制端Vct1和Vct2。通过调节控制端的电压来调节VGA的增益。
图3是电压电流转换模块电路原理图。M21的源极接电源端，栅极接1.1V的直流偏压，漏极分别接M22、M23的源极；M22的漏极和M25的源极相连，M23的漏极和M24的源极相连；M22的栅极Vc_in接收比较器的输出电压；M23的栅极接地，M25的漏极接M26的漏极同时和M6的栅极相连，并作为输出端之一与各级可变增益放大器的控制端相连；M25、M24的栅极相连同时连接M24的漏极、M27的栅极和M27的漏极，并作为输出端之一与可变增益放大器的另一个控制端相连。M26和M27的源极相连并接地。

Claims (3)

1.一种面向4G光载无线通信的CMOS光电接收机前端电路，包括
前置放大器电路，其作用是将光电探测器输出的电流信号转换为数字电路需要的电压信号；多级可变增益放大器，通过多级放大将电压信号放大到需要的幅值，每个可变增益放大器带有一个控制端，对应不同的输入电压产生不同的增益；
峰值检波器，检测多级可变增益放大器输出电压的包络；
比较器，将峰值检波器的输出信号和某直流电源信号进行比较判决；
电压-电流转换模块，将比较器的判决结果经指数变换输入到各个可变增益放大器的控制端，以此来控制可变增益放大器的增益大；
缓冲器，多级可变增益放大器输出的信号经过缓冲器输出。
2.根据权利要求1所述的CMOS光电接收机前端电路，其特征在于，每级可变增益放大器为差分共源跨阻放大器，包括M1，M2，M3，M4，M5和M6共6个MOS管，M1、M3的漏端经过电阻R1接电源端，M2、M4的漏端经过电阻R2接电源端，M1、M4的栅极相连作为差分输入的一端Vin1，M2、M3的栅极相连作为差分输入的另一端Vin2；M5和M6的源极相连并接地，栅极分别作为控制端；M5的漏极与M1和M2的源极相连，M6的漏极与M3和M4的源极相连。
3.根据权利要求1所述的CMOS光电接收机前端电路，其特征在于，电压-电流转换模块包括M21，M22，M23，M24，M25，M26和M27共7个MOS管：M21的源极接电源端，栅极接1.1V的直流偏压，漏极分别接M22、M23的源极；M22的漏极和M25的源极相连，M23的漏极和M24的源极相连；M22的栅极Vc_in接收比较器的输出电压；M23的栅极接地，M25的漏极接M26的漏极同时和M6的栅极相连，并作为输出端之一与各级可变增益放大器的控制端相连；M25、M24的栅极相连同时连接M24的漏极、M27的栅极和M27的漏极，并作为输出端之一与可变增益放大器的另一个控制端相连；M26和M27的源极相连并接地。
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