CN104022832B - 一种差分a-c耦合方式光信号接收电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信领域，特别涉及一种光接收器，具体指一种差分A‑C耦合方式光信号接收电路，该电路可以准确并快速的恢复突发接收信号；所述电路包括前置放大器，第一耦合电容C1,第二耦合电容C2,第一可变组电阻,第二组可变电阻和限幅放大器，通过系统复位控制信号，控制可变电阻值大小，从而形成两种时间常数τ1、τ2，τ2>>τ1；τ1为快时间常数，可以在光信号包头快速捕捉该光信号的共模电平，建立判决门限电压；τ2为慢时间常数，可以正确的恢复PRBS或72CID等ITUT G984.2要求的码型；合理的选择耦合电容以及可变电阻值大小，可使时间常数实现在25bits内恢复前导码，能满足各种光突发接收的需要。

Description

一种差分 A-C 耦合方式光信号接收电路

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别涉及一种光接收器，具体指一种差分光接收电路。

背景技术

千兆比特无源光网络（GPON：Gigabit-Capable Passive Optical Network) 技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有大覆盖范围，用户接口丰富,高带宽，高效率等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。同所有无源光网络（PON：Passive Optical Network）系统一样, GPON由光网络单元（ONU ：Optical Network Unit) 、光线路终端(OLT: optical line terminal）和无源光分配网组成。OLT 为接入网提供网络侧与核心网之间的接口,通过光分配节点与各ONU 连接。OLT 具有集中带宽分配、控制各ONU、实时监控、运行和维护管理PON 系统的功能，OLT将网络信号发送给用户端ONU，也接收来自户端ONU的信号。是PON 系统的核心功能设备。

而OLT的光收发模块，一般包括光接收和光发射两个通道，发射使用连续信号，而接收的为突发信号；相应的，用户端ONU的光收发模块，发射使用突发信号，而接收的为连续信号。这两个信号使用不同的波长在同一根光纤中相向传播，相互之间不会发生串扰。实际工作中由于每个用户端ONU发光强度和距离OLT的远近不同，可能造成OLT在接收时产生由于信号衰减情况不同，造成的强度差异而引起的信号突发接收的误判，直接影响系统的可靠性，OLT光突发接收问题一直是GPON的发展的关键技术之一。

目前很多OLT中的光接收器件在互阻放大器（TIA）和限幅放大器（LA）中使用单端直流耦合，这种耦合方法能耗高、电路复杂、成本也很高，单端也造成了系统灵敏度低，不仅如此，这种单端直流耦合方法也受到互阻放大器（TIA）输出共模电压的限制。由于上述缺点限制了相应产品的产量和效率，限制了GPON的应用和进一步推广。

而采用交流耦合方式的各种光突发接收模块中，在互阻放大器（TIA）和限幅放大器（LA）中使用电容耦合，可以避免TIA输出共模电压的影响，同时为了解决电容充放电的时间过长而引起的误码情况，一般在两电容之间引入开关，加快电路响应速度，以保证对突发包中直流电平的探测灵敏度。但是传统的交流耦合设计一般是简单的将两电容间短路来实现电容快速放电，这样的设计虽然在一定程度上达到了电容快速放电的效果，但是在快速建立判决电平和恢复系统协议正确码型之间到达更好的兼顾效果，却并不容易，此外传统的交流耦合方法中简单的将两电容间短路的方式，不能根据系统需要灵活的调整时间常数，动态范围较窄。这些都影响了光突发接收甚至高速无源光网络的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，能够通过简单的电路结构实现快、慢两种时间常数。在“快时间常数”内，可以在突发光信号的包头快速的捕捉到该信号的共模电压，建立判决门限电压；而“慢时间常数”内，可以正确的恢复PRBS或72最大连续码（72CID）等ITUT G984.2要求的码型。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，包括前置放大器，第一耦合电容C1，第二耦合电容C2，第一可变电阻、第二可变电阻，参考电压电路和限幅放大器；信号经过所述前置放大器后被分成正、负两路，其中正路信号经过第一耦合电容C1与限幅放大器的正输入端IN+相连接，负路信号经过第二耦合电容C2与限幅放大器的负输入端IN-相连接。

所述第一可变电阻与第二可变电阻串联，串联后的第一可变电阻端接入所述限幅放大器的正输入端IN+，串联后的第二可变电阻端接入所述限幅放大器的负输入端IN-，串联后的第一可变电阻和第二可变电阻之间为参考电压点；所述参考电压电路为第一可变电阻和第二可变电阻之间的参考电压点提供参考电压V_ref。

所述参考电压电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1与第二电阻R2串联，串联后的两端头分别接入所述前置放大器的正、负输出端；所述R1与R2中间通过导线连接到第一、第二可变电阻之间的参考电压点。R1=R2，电路接收的信号经过所述前置放大器后被分成两路，前置放大器两输出端的共模电压分别为V1、V2，则参考电压值V_ref =（V1+V2）/2，这样的参考电压电路设计以及A-C电容耦合方式避免了因为两个共模电压V1、V2电压值差异过大而引起的误码情况。

所述第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、第一可变电阻和第二可变电阻组成阈值检测电路，当每一个光信号包头到达时，系统通过复位控制信号将所述第一可变电阻值设置为R_{τ 11}，将第二可变电阻值设置为R_{τ 12}，R_{τ 11}*C1=R_{τ 12}*C2=τ1，τ1为“快时间常数”；在所述快时间常数结束之后系统控制信号将所述第一可变电阻值设置为R_{τ 21}，将第二可变电阻值设置为R_{τ 22}，R_{τ 21}*C1=R_{τ 22}*C2=τ2，τ2为“慢时间常数”，其中τ2≧5*τ1。时间常数大小由耦合电容值与电阻值乘积决定，通过耦合电容和可变电阻值大小的灵活调节使得本发明具有很宽带宽和更大动态范围。

每一个光信号包头到达电路接收端时，系统复位信号将所述可变电阻调节到在较小值，形成“快时间常数”，在“快时间常数”内，电容C1、C2快速放电，并根据所述参考电压V_ref的大小建立新的判决门限电压；所述判决门限电压建立以后，系统控制信号将上述可变电阻调节到较大值，形成“慢时间常数”，在“慢时间常数”内可以使信号恢复PRBS或72最大连续码（72CID）等ITUT G984.2要求的码型，合理的选择耦合电容以及时间常数可以实现25bits内恢复前导码。上述码型可以满足包括GPON在内的无源光网络所要求。

作为一种优选，所述第一可变电阻采用数字可调电阻或开关电阻电路；所述第二可变电阻采用数字可调电阻或开关电阻电路。这样的实现方式电路结构简单灵活，可实现性高，控制方便。

作为可变电阻的一种优选，所述第一可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R3，电阻R5和高速开关SW1，其中R3≧5*R5（R3>>R5，具体倍数关系由系统要求决定）,其连接关系为所述R5与高速开关SW1串联后再与R3并联。

作为可变电阻的一种优选，所述第一可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R3，电阻R5和高速开关SW1，其中R3≧5*R5（R3>>R5，具体倍数关系由系统要求决定）,其连接关系为所述R3与高速开关SW1并联后再与R5并联。

作为可变电阻的一种优选，所述第二可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R4，电阻R6和高速开关SW2，其中R4≧5*R6（R4>>R6,具体倍数关系由系统要求决定）,其连接关系为所述R6与高速开关SW2串联后再与R4串联。

作为可变电阻的一种优选，所述第二可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R4，电阻R6和高速开关SW2，其中R4≧5*R6（R4>>R6，具体倍数关系由系统要求决定）,其连接关系为所述R4与高速开关SW2并联后再与R6串联。

作为一种优选，所述高速开关通过系统复位信号控制闭合和打开，电路结构简单，可控制性好。

作为一种优选，所述差分A-C耦合方式光信号接收电路包括电容C3，所述电容C3一端接入所述参考电压点，另外一端接地，这样的设计主要是用于滤除参考电压电路和阈值检测电路间的毛刺和噪声信号，使系统更加稳定。

作为一种优选，所述C1=C2，第一可变电阻值=第二可变电阻值；这样的电路对称性好，性能更加稳定可控。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，能够实现“快、慢”两种时间常数。在“快时间常数”内，可以在突发光信号的包头快速捕捉到该信号的共模电压，建立判决门限电压；而“慢时间常数”内，可以正确恢复PRBS或72CID等ITUT G984.2要求的码型，达到GPON等光突发接收的需要。

电路结构简单，系统稳定可靠，两种时间常数的大小可以通过选择合适的电容值和电阻值进行灵活的调节，这样可以使系统具有更宽带宽和更大动态范围，合理的选择耦合电容以及时间常数可以实现25bits内恢复前导码。同时“快、慢”时间常数的设计在快速建立判决电平和恢复系统协议正确码型之间到达更好的兼顾效果；其参考电压电路的设计以及A-C耦合方式避免了共模电压差异对系统接收准确度的影响，而接地电容的设计可以滤除系统噪声信号，提高系统运行稳定性。总之本差分A-C耦合方式光信号接收电路保证了光突发接收的接收高灵敏度、大动态范围和较低误码率，能够满足各种光信号突发接收的要求，适用范围广泛。

附图说明：

图1是实施例1电路结构示意图

图2是不同突发接收信号共模电压示意图

图3是实施例2电路结构示意图

图4是实施例3电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，其中第一可变电阻、第二可变电阻采用并联开关电阻组，具体电路结构如图1所示：包括前置放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、高速双开关SW1、高速双开关SW2、第三电容C3和限幅放大器LA。

工作时，用户发出的光信号包被上位电路的雪崩二极管APD（或PIN）接收到，雪崩二极管APD接较大的反向偏执电压，使得光信号被接收后转化为被放大的电信号，输入到互阻放大器TIA中，该互阻放大器TIA将上述电信号转换为电压信号，输入前置放大器中，并通过前置放大器将该电压信号分为正、负两路，形成差分的信号输出，该正路信号经过第一耦合电容C1与限幅放大器LA正输入端IN+相连，该负路信号经过第二耦合电容C2与限幅放大器LA负输入端IN-相连；所述限幅放大器LA与下位接收单元RX相连。

上述R5和SW1串联后再与R3并联（组成第一可变电阻），R6和SW2串联后再与R4并联（组成第二可变电阻），串联后R3和R4的两端头分别接入限幅放大器LA的正IN+、负IN-输入端。所述高速开关SW1和SW2通过系统复位信号控制打开和闭合，从而快速切换电阻值大小。上述第一电阻R1与第二电阻R2串联后两端头分别接入前置放大器的正、负输出端口；第一电阻R1与第二电阻R2之间通过导线将参考电压V_ref连接到电阻R3与电阻R4之间，且该导线还连接第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端接地。

当光信号包到达接收电路以后，由接收电路的上位处理单元中的雪崩二极管APD（或PIN）以及互阻放大器TIA后将光信号转化成电压信号，该电压信号经过前置放大器后被分成正、负两路信号输出，前置放大器的正、负输出端的共模电压分别为V1、V2，则经过第一电阻R1、第二电阻R2之间的参考电压值V_ref=（V1+V2）/2，该电压通过导线连接到参考电压输入点；经过前置放大器后的正路信号经过第一耦合电容C1进入所述限幅放大器LA的正输入端IN+，经过前置放大器后的负路信号经过第二耦合电容C2进入所述限幅放大器LA的负输入端IN-，该正、负信号分别经过限幅放大器LA输出到下位接收单元RX+和RX-端口。

如图2所示：在突发接收中由于用户设备与接收机间的距离不同等原因造成各个用户间的光功率不同且不断变化，引起不同光信号包上行数据的共模电压差异很大(图2中T1为第一个光突发包的传送时间、T2为间隔时间，T3为第一个光突发包的传送时间；其中第一、二光突发包共模电压分别为Vcm1、Vcm2；t1为第一突发包结束时间、t2为第一突发包的开始时间)，这就需要在每个突发包达到时，快速重新建立判决电压。

在光信号包到达时，系统通过复位信号同时将所述高速开关SW1、高速开关SW2关闭，形成“快时间常数”τ1，τ1=R5*C1=R6*C2，在“快时间常数”τ1内由于R5、R6电阻值较小，可以使耦合电容C1、C2快速放电，从而可以在突发光信号的包头快速的捕捉到该信号的共模电压，并根据参考电压值V_ref迅速建立新的判决门限电压，满足了突发接收快速响应的要求。

判决电压建立以后，系统控制信号同时将所述高速开关SW1、高速开关SW2开启，此时形成“慢时间常数”τ2，τ2=R₃*C1=R₄*C2。τ2>>τ1（比方说，τ2=5τ1或τ2=10τ1或τ2=20τ1），在“慢时间常数”内，可以免低频分量被滤除而造成长的连续“0”或“1”信号,正确恢复PRBS或72CID等ITUT G984.2要求的码型，达到GPON等光突发接收的需要。两种时间常数的大小可以通过选择合适的电容值和电阻值进行灵活的调节，这样可以使系统具有更宽带宽和更大动态范围。上述电信号经过阈值检测电路完成“快、慢”两种时间常数状态下的切换，达到了很好的兼顾效果。

作为一种优选，上述R1=R2，R3=R4，R5=R6，R3>>R5（R5、R6电阻值在10Ω到500Ω，R3、R4电阻值通常为2000Ω到10000Ω），C1=C2。这样的电路对称性好，性能更加稳定可控。

实施例2

一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，其中第一可变电阻、第二可变电阻采用串联开关电阻组，具体电路结构如图3所示：包括前置放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、高速开关SW1、高速开关SW2、第三电容C3和限幅放大器LA。

电阻R3、电阻R5、电阻R4、电阻R6依次串联，串联后两端头分别接入限幅放大器LA的正信号输入口IN+、负信号输入口IN-，电阻R3与高速开关SW1并联，电阻R4与高速开关SW2并联（电阻R3、电阻R5、高速开关SW1组成第一可变电阻，电阻R4、电阻R6、高速开关SW2组成第二可变电阻)。第一电阻R1与第二电阻R2之间通过导线将参考电压V_ref连接到电阻R5与电阻R4之间(其余器件连接关系和工作原理与实施例1相同，不再赘述)。

在每个光信号包的包头到达时，系统通过复位信号同时将所述高速开关SW1、高速开关SW2关闭，形成“快时间常数”τ1，τ1=R5*C1=R6*C2，在“快时间常数”τ1内系统根据参考电压值V_ref建立该光信号的判决门限电压。判决电压建立以后，系统控制信号同时将所述高速开关SW1、高速开关SW2开启，此时形成“慢时间常数”τ2，τ2=R₃*C1=R₄*C2。τ2>>τ1（比方说在τ2=5τ1或τ2=10τ1或τ2=20τ1），在“慢时间常数”内，可以免低频分量被滤除而造成长的连续“0”或“1”信号,正确恢复PRBS或72CID等ITUT G984.2要求的码型，达到GPON等光突发接收的需要。

作为一种优选，上述R1=R2，R3=R4，R5=R6，R3>>R5（R5、R6电阻值在10Ω到500Ω，R3、R4电阻值通常为2000Ω到10000Ω），C1=C2。这样的电路对称性好，性能更加稳定可控。

实施例3

一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，其中第一可变电阻、第二可变电阻采用数字可调电阻，具体电路结构如图4所示：包括前置放大器、第一电阻R1、第二电阻R2、第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、数字可调电阻1、数字可调电阻2、第电容C3和限幅放大器LA。

数字可调电阻1与数字可调电阻2串联后两端头分别接入限幅放大器LA的正、负信号输入口。第一电阻R1与第二电阻R2之间通过导线将参考电压V_ref连接到数字可调电阻1与数字可调电阻2之间(其余器件连接关系和工作原理与实施例1相同，不再赘述)。

在每个光信号包的包头到达时，系统通过复位信号同时将所述数字可调电阻1、数字可调电阻2分别调整到较小值R_{τ 11}、R_{τ 12}（通常为10Ω到500Ω），此时形成“快时间常数”τ1，τ1=R_{τ 11}*C1=R_{τ 12}*C2，在“快时间常数”τ1内，系统根据参考电压值V_ref建立该光信号的判决门限电压。当判决门限电压建立以后，系统通过控制信号同时将所述数字可调电阻1、数字可调电阻2分别调整到较大值R_{τ 21}、R_{τ 22}（通常为2000Ω到10000Ω），此时形成“慢时间常数”τ2，τ2=R_{τ 21}*C1=R_{τ 22}*C2，τ2>>τ1（比方说，τ2=5τ1或τ2=10τ1或τ2=20τ1），在“慢时间常数”内，可以免低频分量被滤除而造成长的连续“0”或“1”信号,正确恢复PRBS或72CID等ITUT G984.2要求的码型，达到GPON等光突发接收的需要。

作为一种优选，所述C1=C2，第一可变电阻值=第二可变电阻值。这样的电路对称性好，性能更加稳定可控。

以上仅为本发明的较佳实施例，不应理解为对本发明的限制，凡通过控制信号调节可变电阻大小，进而实现上述技术效果的均属于本发明的范围，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (12)

1.一种差分A-C耦合方式光信号接收电路，包括前置放大器，第一耦合电容C1，第二耦合电容C2，第一可变电阻、第二可变电阻，参考电压电路和限幅放大器LA，其特征是：信号经过所述前置放大器后被分成正、负两路，其中正路信号经过第一耦合电容C1与限幅放大器的正输入端IN+相连接，负路信号经过第二耦合电容C2与限幅放大器的负输入端IN-相连接；

所述第一可变电阻与第二可变电阻串联，串联后的第一可变电阻端接入所述限幅放大器的正输入端IN+，串联后的第二可变电阻端接入所述限幅放大器的负输入端IN-，串联后的第一可变电阻和第二可变电阻之间为参考电压输入点；

所述参考电压电路为第一可变电阻和第二可变电阻之间的参考电压输入点提供参考电压V_ref；

当光信号包头到达时，系统通过复位控制信号将所述第一可变电阻值设置为R_τ11，将第二可变电阻值设置为R_τ12，R_τ11*C1=R_τ12*C2=τ1，τ1为“快时间常数”，在所述快时间常数结束之后系统控制信号将所述第一可变电阻值设置为R_τ21，将第二可变电阻值设置为R_τ22，R_τ21*C1=R_τ22*C2=τ2，τ2为“慢时间常数”，其中τ2≧5*τ1。

2.如权利要求1所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：所述参考电压电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1与第二电阻R2串联，串联后的两端头分别接入所述前置放大器的正、负输出端；所述电阻R1、R2中间通过导线连接到第一可变电阻与第二可变电阻之间的参考电压输入点。

3. 如权利要求2所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：R1=R2，电路接收到的信号经过所述前置放大器后被分成两路，前置放大器两输出端的共模电压分别为V1、V2，参考电压值V_ref=（V1+V2）/2。

4. 如权利要求1所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：所述第一可变电阻采用数字可调电阻或开关电阻电路；所述第二可变电阻采用数字可调电阻或开关电阻电路。

5. 如权利要求4所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：所述第一可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R3，电阻R5和高速开关SW1，其中R3≧5*R5,其连接关系为所述R5与高速开关SW1串联后再与R3并联。

6. 如权利要求4所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：所述第二可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R4，电阻R6和高速开关SW2，其中R4≧5*R6,其连接关系为所述R6与高速开关SW2串联后再与R4并联。

7. 如权利要求4所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：所述第一可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R3，电阻R5和高速开关SW1，其中R3≧5*R5,其连接关系为所述R3与高速开关SW1并联后再与R5串联。

8. 如权利要求4所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：所述第二可变电阻采用的开关电阻电路，包括电阻R4，电阻R6和高速开关SW2，其中R4≧5*R6,其连接关系为所述R4与高速开关SW2并联后再与R6串联。

9. 如权利要求5或7所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：高速开关SW1通过系统复位信号控制闭合和打开。

10. 如权利要求6或8所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：高速开关SW2通过系统复位信号控制闭合和打开。

11. 如权利要求1所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：包括电容C3，所述电容C3一端接入所述参考电压点，另一端接地。

12. 如权利要求1所述的差分A-C耦合方式光信号接收电路，其特征是：其中C1=C2，第一可变电阻值=第二可变电阻值。