CN107479138A - 一种提高twdm接收端灵敏度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可调光接收机技术领域，提供一种提高TWDM接收端灵敏度的装置和方法。其中，方法包括根据热敏电阻获取到的第一电压值，匹配温度补偿数据库，得到补偿温度值；根据所述补偿温度值生成第一驱动信号，所述第一驱动信号发送给加热电阻驱动电路；监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻驱动电路发送第二驱动信号，通过调整所述第二驱动信号，直到APD端光电流输出值最大。本发明转变了现有技术中对于APD仅用于光接收机接收光信号用途的固有观念，提出先通过热敏电阻进行温度补偿的粗调，然后通过APD的检测结果进行温度补偿细调，克服现有单纯使用热敏电阻情况下，灵敏度在高温下劣化近6dB的问题。提高温度补偿的准确度和光接收模块的工作性能。

Description

一种提高TWDM接收端灵敏度的装置和方法

【技术领域】

本发明涉及可调光接收机技术领域，特别是涉及一种提高TWDM接收端灵敏度的装置和方法。

【背景技术】

可调接收机，是光纤通信领域的核心器件最重要的组成部分之一，是提高光网络的适应性和灵活性的关键所在。目前可调接收机主要技术是采用硅基薄膜滤波器，通过其投射波长可随温度变化而改变的特性达到可调功能。例如常见的基于Si基的薄膜滤波器，其透射波长可随着温度的升高而单调增加，图1所示即为目前常见的基于Si材料的光滤波器透射波长随自身温度变化而变化的曲线图。

根据波长温度特性图，目前时分/波分复用(Time Wavelength-DivisionMultiplexing，简写为：TWDM)无源光网络(Passive Optical Network，简写为：PON)光模块的灵敏度测试方式通常采用的是根据滤波器上的温度去做补偿，这种方法因受外界因素的影响使得补偿不能达到最佳的状态，从而影响接收端灵敏度的性能，其中，外接因素包括因热敏电阻测量滤波器出现误差较大导致补偿不能达到最佳状态。

传统的TWDM PON接收端是通过读取热敏电阻的阻值推算温度，然后根据温度差异去做补偿，这种方法因硅基薄膜滤波器量测的温度不准确而导致补偿偏差，从而使接收端灵敏度较差，灵敏度在高温下劣化近6dB，如图2所示。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是传统的TWDM PON接收端是通过读取热敏电阻的阻值推算温度，然后根据温度差异去做补偿，这种方法因硅基薄膜滤波器量测的温度不准确而导致补偿偏差，从而使接收端灵敏度较差，灵敏度在高温下劣化近6dB。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种提高TWDM接收端灵敏度的方法，包括：

根据热敏电阻获取到的第一电压值，匹配温度补偿数据库，得到补偿温度值；

根据所述补偿温度值生成第一驱动信号，所述第一驱动信号发送给加热电阻驱动电路，以便所述加热电阻产生相应的补偿温度；

监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻驱动电路发送第二驱动信号，并通过调整所述第二驱动信号，直到APD端光电流输出值最大；

维持由第一驱动信号和调整得到的第二驱动信号驱动加热电阻实现的目标补偿温度。

优选的，存储器中存储有所述补偿数据库，用于在MCU获取到所述第一电压值时，供所述MCU匹配温度补偿数据库，得到与当前第一电压值对应的补偿温度值。

优选的，所述监控APD端光电流输出状态，具体包括：

通过将APD连接到芯片MP3430的APD端口，并在芯片MP3430的MON1端口设置2kΩ的采样电阻，并将所述采样电阻的另一端串联到MCU的ADC模块的输入端口；

其中，由APD输出的电流信号，经过芯片MP3430转化，形成MON1端口以1/10的APD镜像电流形式释放出来，并通过所述采样电阻转换为适用于MCU的ADC模块输入的采样电压。

优选的，所述加热电阻驱动电路，具体为：

通过集成运算放大器和增强型MOS管搭建负反馈电路；其中，所述运算放大器的反向输入端连接电阻R8后接地；所述运算放大器的正向输入端连接MCU中的DAC模块的输出端口；所述运算放大器的输出端口连接增强型MOS管的栅极，所述MOS管的源极连接电阻R8后接地，所述增强型MOS管的漏极串联加热电阻后连接静态工作电压。

优选的，所述根据热敏电阻获取到的第一电压值，具体实现为：

热敏电阻和固定电阻R1串联，利用运算放大器搭建放大电路，得到运算放大器输出的电压采样值；所述电压采样值便是所述第一电压值。

优选的，监控APD端光电流输出状态，具体包括：

MCU向信号发送端发送测试信号请求，从而使得在监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻发送第二驱动信号过程中，APD所检测的光信号均为所述测试信号；

其中，所述测试信号为预设的均匀的光信号，使得影响APD端光电流输出状态的因素限定在加热电阻上。

第二方面，本发明还提供了一种提高TWDM接收端灵敏度的装置，包括MCU、电压转换电路、采样电阻、APD检测电路、加热驱动电路、APD单元、加热电阻和热敏电阻，具体的：

所述热敏电阻连接电压转换电路，将采样信号传输到MCU中的ADC模块处理；所述APD连接APD检测电路，所述APD检测电路通过采样电阻将APD电流镜像转换为MCU中的ADC模块所能识别的信号；

所述热敏电阻连接加热驱动电路，所述加热驱动电路连接MCU中的DAC模块，用于将MCU生成的用于补偿温度的驱动信号转换成加热电阻的驱动电流。

优选的，所述APD连接APD检测电路，所述APD检测电路通过采样电阻将APD电流镜像转换为MCU中的ADC模块所能识别的信号，具体包括：

通过将APD连接到芯片MP3430的APD端口，并在芯片MP3430的MON1端口设置2kΩ的采样电阻，并将所述采样电阻串联到MCU的ADC模块的输入端口；

其中，由APD输出的电流信号，经过芯片MP3430转化，形成MON1端口以1/10的APD镜像电流形式释放出来，并通过所述采样电阻转换为适用于MCU的ADC模块输入的采样电压。

优选的，ADC采用16bit的ADC，参考电压选用2.048V；其中，1个最低有效位LSB对应的采样精度是2.048V/65536＝0.03125mV；

选取采样电阻为2KΩ，使得1个最低有效位LSB对应的APD的电流采样精度为0.03125mV/2k*10＝0.15625uA；

其中，测试信号为-30dBm时，APD的响应电流为6～7uA，所述ADC的采样精度保证能够准确采样到APD的采样电压。

优选的，所述热敏电阻连接加热驱动电路，具体包括：

通过集成运算放大器和增强型MOS管搭建负反馈电路；其中，所述运算放大器的反向输入端连接电阻R8后接地；所述运算放大器的正向输入端连接MCU中的DAC模块的输出端口；所述运算放大器的输出端口连接增强型MOS管的栅极，所述增强型MOS管的源极连接电阻R8后接地，所述增强型MOS管的漏极串联加热电阻后连接静态工作电压。

本发明转变了现有技术中对于APD仅用于光接收机接收光信号用途的固有观念，提出了先通过热敏电阻进行温度补偿的粗调，然后通过APD的检测结果进行温度补偿细调，克服了现有单纯使用热敏电阻情况下，灵敏度在高温下劣化近6dB的问题。提高了温度补偿的准确度和光接收模块的工作性能。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的现有技术中可调滤波器工作波长Vs与温度对应关系图；

图2是本发明实施例提供的现有技术中不同环境温度根据热敏电阻阻值补偿和光电流值补偿的灵敏度差异；

图3是本发明实施例提供的热敏电阻探测到的温度与实际环境温度的差异对照表；

图4是本发明实施例提供的一种提高TWDM接收端灵敏度的方法流程图；

图5是本发明实施例提供的一种热敏电阻采样电路的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种热敏电阻温度/采样电压曲线图；

图7是本发明实施例提供的一种APD部分的驱动及采样电路的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种加热电阻驱动电路结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种提高TWDM接收端灵敏度的结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

发明人发现实际光模块所处环境温度的差异，如图3所示，可以发现通过点温计量测的环境温度和热敏电阻阻值推算的温度之间，随着温度的提高，两者的偏差值越来越大，这对于要求APD处于最优调节状态下工作来说，无意是个巨大的挑战。本发明各实施例便是基于这样的客观环境下，提出了一种提高TWDM接收端灵敏度的方法和装置，具体阐述如下：

实施例1:

本发明实施例1提供了一种提高TWDM接收端灵敏度的方法，如图4所示，包括以下执行步骤：

在步骤201中，根据热敏电阻获取到的第一电压值，匹配温度补偿数据库，得到补偿温度值。

其中，温度补偿数据库可以是按照图2所示的形式存储，还可以是以由图2所述温度和补偿关系衍生出的其它简易版本的数据形式，关键是要具有不同温度下的补偿温度对应关系。

在步骤202中，根据所述补偿温度值生成第一驱动信号，所述第一驱动信号发送给加热电阻驱动电路，以便所述加热电阻产生相应的补偿温度。

在具体实现中，所述第一驱动信号可以是电压参数值，例如图8中输入到集成放大器中正向输入端口的DAC信号。除此以外，若加热电阻是通过一智能芯片作为驱动控制的话，则所述第一驱动信号还可以是一串控制指令。因此，所述第一驱动信号的表现形式可以拥有多种情况，均属于本发明实施例的保护范围内。

在步骤203中，监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻驱动电路发送第二驱动信号，并通过调整所述第二驱动信号，直到APD端光电流输出值最大。

其中，步骤203实现过程是属于一个循环执行的过程，从APD端光电流输出状态->生成第二驱动信号->判断APD端光电流输出是否最大值，若是则结束循环进入步骤204；若不是则回到其中生成第二驱动信号环节，此时称呼为更新第二驱动信号更为合适。

其中，判断APD端光电流输出是否最大值，是通过欠加热和过加热均会降低APD端光电流输出的原理实现的。即通过粗调节第二驱动信号使APD端光电流检测值变大，直到出现一个相对大的值，继续微调第二驱动信号，如果光电流变小，说明之前出现的值就是最大值；如果光电流继续变大，重复之前的调节方法直到找到最大值。

在具体实现过程中，通常APD端光电流输出状态都会经由采样电阻，转换为MCU能够识别的信号，例如：图7中的采样电阻R7，即起到将APD电流输出转换为电压参数值的功能。

在步骤204中，维持由第一驱动信号和调整得到的第二驱动信号驱动加热电阻实现的目标补偿温度。

本发明实施例转变了现有技术中对于APD仅用于光接收机接收光信号用途的固有观念，提出了先通过热敏电阻进行温度补偿的粗调，然后通过APD的检测结果进行温度补偿细调，克服了现有单纯使用热敏电阻情况下，灵敏度在高温下劣化近6dB的问题。提高了温度补偿的准确度和光接收模块的工作性能。

如图5所示，为本发明实施例所提供的一种热敏电阻驱动电路，其中，热敏电阻和固定电阻R1串联，利用运算放大器搭建放大电路，得到运算放大器输出的电压采样值；所述电压采样值便是所述第一电压值。搭建放大电路的用途是，使温度/采样电压在坐标轴上呈现一个近似线性的曲线，方便计算。通过调整网络参数，可使采样的温度达到160℃左右。如图6所示，为热敏电阻温度/采样电压曲线，纵坐标是温度，横坐标是采样电压ADC的值。得到采样电压，即可算出热敏电阻实时温度。

对于图5给出的驱动电路，其中热敏电阻R6阻值变化，具体表现在ADC端可以通过以下公式得到，其中图5中的REF_2.5端我们以Vi作为表述，图5中的ADC端我们以V。作为表述，则两者之间的关系为：

在本发明实施例中，上述方法过程的执行主体通常为MCU，因此，存在一种优选的实现方案，其中还包括存储器。具体的，存储器中存储有所述补偿数据库，用于在MCU获取到所述第一电压值时，供所述MCU匹配温度补偿数据库，得到与当前第一电压值对应的补偿温度值。

在本发明实施例中，还提供了一种适用于实施例1中所阐述的APD检测后用于温度补偿的电路设计，如图7所示，所述监控APD端光电流输出状态，具体包括：

通过将APD连接到芯片MP3430的APD端口，并在芯片MP3430的MON1端口设置2kΩ的采样电阻R7，并将所述采样电阻的另一端串联到MCU的ADC模块的输入端口；

其中，由APD输出的电流信号，经过芯片MP3430转化，形成MON1端口以1/10的APD镜像电流形式释放出来，并通过所述采样电阻R7转换为适用于MCU的ADC模块输入的采样电压。

本发明实施例中，利用电压转换芯片，使输入VIN转换成APD的电压，可达30～40V。同时MON1端有APD镜像电流的10％流出。通过在MON1端接一个电阻R7到地，把电流转换成电压。通过ADC采样电路，采样得到R7的电压，即可算出APD的电流。公式：I＝VADC/R7*10。

在介绍了上述APD检测电路的构成之后，本发明实施例还提供了一套加热电阻驱动电路的实现方案，如图8所示，具体为：

通过集成运算放大器和增强型MOS管搭建负反馈电路；其中，所述运算放大器的反向输入端连接电阻R8后接地；所述运算放大器的正向输入端连接MCU中的DAC模块的输出端口；所述运算放大器的输出端口连接增强型MOS管的栅极，所述增强型MOS管的源极连接电阻R8后接地，所述增强型MOS管的漏极串联加热电阻后连接静态工作电压。其中，负反馈电路使R8的电压与DAC相同。因此加热电阻的电流也就是R8的电流，为I＝VDAC/3.3。电流驱动能力由增强型MOS管决定，最大可达到1A。

在本发明实施例1实现过程中，在进入步骤203的监控APD端光电流输出状态之前，所述方法还包括：

MCU向信号发送端发送测试信号请求，从而使得在监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻发送第二驱动信号过程中，APD所检测的光信号均为所述测试信号；

其中，所述测试信号为预设的均匀的光信号，使得影响APD端光电流输出状态的因素限定在加热电阻上。

因此，相应的在完成本发明实施例1所述的目标补偿温度操作后，MCU向发送端发送测试完成消息，并切换APD的功能，从本发明实施例所提出的用于检测和补偿温度的功能，切换为用于接收正常光信号的功能。即在MCU获取到所述APD的采集信号后，不再按照实施例1所述步骤203和步骤204中的温度补偿流程操作，而是进入正常的光信号解调、内容解析操作中去。

实施例2：

本发明实施例进一步提供了一种提高TWDM接收端灵敏度的装置，用于实现如实施例1所述的方法，如图9所示，包括MCU、电压转换电路、采样电阻、APD检测电路、加热驱动电路、APD单元、加热电阻和热敏电阻，具体的：

所述热敏电阻连接电压转换电路，将采样信号传输到MCU中的ADC模块处理；所述APD连接APD检测电路，所述APD检测电路通过采样电阻将APD电流镜像转换为MCU中的ADC模块所能识别的信号；

所述热敏电阻连接加热驱动电路，所述加热驱动电路连接MCU中的DAC模块，用于将MCU生成的用于补偿温度的驱动信号转换成加热电阻的驱动电流。

本发明实施例所提出的装置结构，在与实施例所述方法配合实现的情况下，转变了现有技术中对于APD仅用于光接收机接收光信号用途的固有观念，提出了先通过热敏电阻进行温度补偿的粗调，然后通过APD的检测结果进行温度补偿细调，克服了现有单纯使用热敏电阻情况下，灵敏度在高温下劣化近6dB的问题。提高了温度补偿的准确度和光接收模块的工作性能。

在本发明实施例中所述APD连接APD检测电路，所述APD检测电路通过采样电阻将APD电流镜像转换为MCU中的ADC模块所能识别的信号，如图7所示，具体实现为：

通过将APD连接到芯片MP3430的APD端口，并在芯片MP3430的MON1端口设置2kΩ的采样电阻，并将所述采样电阻串联到MCU的ADC模块的输入端口；

其中，由APD输出的电流信号，经过芯片MP3430转化，形成MON1端口以1/10的APD镜像电流形式释放出来，并通过所述采样电阻转换为适用于MCU的ADC模块输入的采样电压。

为了保证本发明实施例1所述方法的正常APD信号检测和温度补偿实现，本发明实施例还提供了一套各单元结构的配置参数，具体的，ADC采样精度为16bit，参考电压选用2.048V；其中，1个最低有效位(Least Significant Bit，简写为：LSB)对应的采样精度是2.048V/65536＝0.03125mV；

选取采样电阻为2KΩ，使得1个最低有效位LSB对应的APD的电流采样精度为0.03125mV/2k*10＝0.15625uA；

其中，测试信号为-30dBm时，APD的响应电流为6～7uA，所述ADC的采样精度保证能够准确采样到APD的采样电压。

在本发明实施例中，所述热敏电阻连接加热驱动电路，具体包括：

通过集成运算放大器和增强型MOS管搭建负反馈电路；其中，所述运算放大器的反向输入端连接电阻R8后接地；所述运算放大器的正向输入端连接MCU中的DAC模块的输出端口；所述运算放大器的输出端口连接增强型MOS管的栅极，所述增强型MOS管的源极连接电阻R8后接地，所述增强型MOS管的漏极串联加热电阻后连接静态工作电压。其中，负反馈电路使R8的电压与DAC相同。因此加热电阻的电流也就是R8的电流，为I＝VDAC/3.3。电流驱动能力由MOS管决定，最大可达到1A。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高TWDM接收端灵敏度的方法，其特征在于，包括：

根据热敏电阻获取到的第一电压值，匹配温度补偿数据库，得到补偿温度值；

根据所述补偿温度值生成第一驱动信号，所述第一驱动信号发送给加热电阻驱动电路，以便所述加热电阻产生相应的补偿温度；

监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻驱动电路发送第二驱动信号，并通过调整所述第二驱动信号，直到APD端光电流输出值最大；

维持由第一驱动信号和调整得到的第二驱动信号驱动加热电阻实现的目标补偿温度。

2.根据权利要求1所述的提高TWDM接收端灵敏度的方法，其特征在于，存储器中存储有所述补偿数据库，用于在MCU获取到所述第一电压值时，供所述MCU匹配温度补偿数据库，得到与当前第一电压值对应的补偿温度值。

3.根据权利要求1所述的提高TWDM接收端灵敏度的方法，其特征在于，所述监控APD端光电流输出状态，具体包括：

通过将APD连接到芯片MP3430的APD端口，并在芯片MP3430的MON1端口设置2kΩ的采样电阻，并将所述采样电阻的另一端串联到MCU的ADC模块的输入端口；

其中，由APD输出的电流信号，经过芯片MP3430转化，形成MON1端口以1/10的APD镜像电流形式释放出来，并通过所述采样电阻转换为适用于MCU的ADC模块输入的采样电压。

4.根据权利要求1所述的提高TWDM接收端灵敏度的方法，其特征在于，所述加热电阻驱动电路，具体为：

通过集成运算放大器和增强型MOS管搭建负反馈电路；其中，所述运算放大器的反向输入端连接电阻R8后接地；所述运算放大器的正向输入端连接MCU中的DAC模块的输出端口；所述运算放大器的输出端口连接增强型MOS管的栅极，所述增强型MOS管的源极连接电阻R8后接地，所述增强型MOS管的漏极串联加热电阻后连接静态工作电压。

5.根据权利要求1所述的提高TWDM接收端灵敏度的方法，其特征在于，所述根据热敏电阻获取到的第一电压值，具体实现为：

热敏电阻和固定电阻R1串联，利用运算放大器搭建放大电路，得到运算放大器输出的电压采样值；所述电压采样值便是所述第一电压值。

6.根据权利要求1所述的提高TWDM接收端灵敏度的方法，其特征在于，监控APD端光电流输出状态，具体包括：

MCU向信号发送端发送测试信号请求，从而使得在监控APD端光电流输出状态，动态的向加热电阻发送第二驱动信号过程中，APD所检测的光信号均为所述测试信号；

其中，所述测试信号为预设的均匀的光信号，使得影响APD端光电流输出状态的因素限定在加热电阻上。

7.一种提高TWDM接收端灵敏度的装置，其特征在于，包括MCU、电压转换电路、采样电阻、APD检测电路、加热驱动电路、APD单元、加热电阻和热敏电阻，具体的：

所述热敏电阻连接电压转换电路，将采样信号传输到MCU中的ADC模块处理；所述APD连接APD检测电路，所述APD检测电路通过采样电阻将APD电流镜像转换为MCU中的ADC模块所能识别的信号；

所述热敏电阻连接加热驱动电路，所述加热驱动电路连接MCU中的DAC模块，用于将MCU生成的用于补偿温度的驱动信号转换成加热电阻的驱动电流。

8.根据权利要求7所述的提高TWDM接收端灵敏度的装置，其特征在于，所述APD连接APD检测电路，所述APD检测电路通过采样电阻将APD电流镜像转换为MCU中的ADC模块所能识别的信号，具体包括：

通过将APD连接到芯片MP3430的APD端口，并在芯片MP3430的MON1端口设置2kΩ的采样电阻，并将所述采样电阻串联到MCU的ADC模块的输入端口；

其中，由APD输出的电流信号，经过芯片MP3430转化，形成MON1端口以1/10的APD镜像电流形式释放出来，并通过所述采样电阻转换为适用于MCU的ADC模块输入的采样电压。

9.根据权利要求8所述的提高TWDM接收端灵敏度的装置，其特征在于，ADC采用16bit的ADC，参考电压选用2.048V；其中，1个最低有效位LSB对应的采样精度是2.048V/65536＝0.03125mV；

选取采样电阻为2KΩ，使得1个最低有效位LSB对应的APD的电流采样精度为0.03125mV/2k*10＝0.15625uA；

其中，测试信号为-30dBm时，APD的响应电流为6～7uA，所述ADC的采样精度保证能够准确采样到APD的采样电压。

10.根据权利要求7所述的提高TWDM接收端灵敏度的装置，其特征在于，所述热敏电阻连接加热驱动电路，具体包括：

通过集成运算放大器和增强型MOS管搭建负反馈电路；其中，所述运算放大器的反向输入端连接电阻R8后接地；所述运算放大器的正向输入端连接MCU中的DAC模块的输出端口；所述运算放大器的输出端口连接增强型MOS管的栅极，所述增强型MOS管的源极连接电阻R8后接地，所述增强型MOS管的漏极串联加热电阻后连接静态工作电压。