CN110492945B - 输出幅度稳定的rof光接收模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输出幅度稳定的ROF光接收模块，包括镜像电流源、光探测器、电阻、衰减器、滤波器、信号调理电路以及至少一个放大器，光探测器采用光电二极管，电阻的一端与光电二极管的正极连接，另一端接地，各放大器以及衰减器相串联且串联整体的输入端通过一电容连接至光电二极管的正极，输出端连接至射频信号输出端；镜像电流源的输入端与光电二极管的负极连接，输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端与衰减器连接。本发明可以补偿因传输系统各端口不一致造成的接收光功率差异和各探测器响应度差异，使输出信号满足幅度一致性要求。

Description

输出幅度稳定的ROF光接收模块

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种输出幅度稳定的ROF光接收模块。

背景技术

诸如光纤传感、光纤无线接入、光纤雷达等等，光载射频（或微波）通信ROF（radio-over-fiber）得到了广泛应用，同时也对光纤通信系统的性能指标提出了针对性的要求。

现有的一种分布式光纤传输系统，其主要形式是，射频信号调制激光器后转换为光信号输出，（光放大后）由光分路器分为数路至数千路光信号，经光纤传输后分别进入光接收模块，转换回射频信号输出。这个系统要求每个通道输出的射频信号具有一致的相位和幅度，如图1所示。

为保持相位一致性，经光分路器后的光纤传输长度、光接收模块的光电转换及放大电路的延迟等都要保证一致。传输的频率越高，要求越高的一致性，例如一个10米左右传输长度的系统，在传输数GHz信号时，可能要求光链路长度一致性达到1毫米或更高。

在相位一致性要求的同时，系统还要求输出信号具有相同的输出幅度，幅度一致性要求达到0.5dB或更高。影响幅度一致性的首要因素是光分路器的分光一致性，其次，接收端光探测器的响应度一致性、放大电路增益一致性也会对最终输出幅度一致性产生影响。

目前商用多通道光分路器的分光一致性一般标称1.5dB，这个一致性指光功率一致性，由于光电转换存在平方损的问题，对应的电幅度一致性是3dB。因为单模光纤物理尺寸非常细小，多通道光纤分路器光功率分光一致性要达到0.5dB以上难度急剧升高，成品率大幅下降，而要达到系统对输出射频幅度一致性要求的0.5dB要求，光纤分路器光功率分光一致性要达到0.2dB或更高，这种要求难以实现产业化生产。

在实际系统实现中，由于光分路器难以达到足够的分光一致性，通常需要采取其他手段稳定输出幅度，常用的有两种方式：

一种是采用放大器限幅：选择具有合适饱和输出功率特性的放大器作为接收端输出放大器，使输出信号幅度处于输出放大器的饱和区域，利用放大器饱和区域的增益压缩特性达到输入信号变化条件下稳定输出幅度的目的。如图2所示，输入功率在达到饱和区域（-2dBm以上）后，输出幅度变化被压缩。

第二种手段是采用AGC电路稳定输出，如图3所示：在接收电路中采用衰减器和检波器，在输出端采用射频检波器，检测输出幅度，跟设定的输出幅度比较，根据比较结果，调节衰减器的衰减量，以达到稳定输出的目的。

采用放大器饱和限幅的方法优点是结构简单，可以大幅衰减输入变化对输出的影响。其主要缺点是放大器工作在饱和区，会产生很大的失真和谐波，影响应用。如后续采用滤波等手段，又易带来幅度或相位方面的影响。

因为是闭环控制，采用AGC方式的优点是可以精确设定输出幅度，其输出幅度稳定性取决于功率检波器的精度和稳定性，目前的器件水平完全可以满足系统要求。采用AGC方案需要注意的是，调节衰减器衰减量会对信号相位产生影响，衰减量越大、频率越高越严重，需要在使用控制。

但是采用AGC方案还存在一些问题，主要问题是这种方案只能使用在连续波工作模式下，如果传输的信号是突发式脉冲，则完全失效。当系统既有连续模式传输，又有突发脉冲式传输时，这种方案不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输出幅度稳定的ROF光接收模块，旨在用于解决现有的AGC方案只能使用在连续波工作模式下，当系统即有连续模式传输，又有突发脉冲式传输时，该方案不适用的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种输出幅度稳定的ROF光接收模块，包括镜像电流源、光探测器、电阻、衰减器、滤波器、信号调理电路以及至少一个放大器，所述光探测器采用光电二极管，所述电阻的一端与所述光电二极管的正极连接，另一端接地，各所述放大器以及所述衰减器相串联且串联整体的输入端通过一电容连接至所述光电二极管的正极，输出端连接至射频信号输出端；所述镜像电流源的输入端与所述光电二极管的负极连接，输出端与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与所述衰减器连接，所述信号调理电路用于根据接收的所述滤波器产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号计算出使射频信号输出幅度稳定的衰减器的衰减量并输出相应的控制信号给所述衰减器。

进一步地，所述放大器具有两个且分别连接于所述衰减器的两侧。

进一步地，所述衰减器采用数控衰减器。

进一步地，所述衰减器采用压控衰减器。

进一步地，还包括存储模块，所述存储模块中存储有数字查找表，所述数字查找表中存储有针对不同的接收光功率以及衰减器特性设置的控制电压，所述信号调理电路用于根据接收的所述滤波器产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号在数字查找表中查找相应的控制电压并输出给所述衰减器。

进一步地，所述信号调理电路包括对数放大器以及运算放大器，所述对数放大器的其中一个输入端与所述滤波器的输出端连接，用于接收滤波器产生的直流电流IPD，另一个输入端用于接收与设定的参考信号对应的电流IREF，所述对数放大器的输出端与所述运算放大器连接，所述运算放大器的输出端与所述衰减器连接，所述运算放大器的放大倍数n满足以下条件： K1* n = - K2，其中K1为所述对数放大器的转换系数，K2为所述衰减器控制电压和衰减量对应关系的直线部分的斜率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种输出幅度稳定的ROF光接收模块，利用镜像电流源复制光探测器的输出电流信号并传给滤波器，滤波器滤掉交流成分后输出直流信号，输出的直流信号对应接收光功率和光探测器响应度，信号调理电路根据接收的滤波器产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号计算出使射频信号输出幅度稳定的衰减器的衰减量并输出相应的控制信号给衰减器，即采用光接收模块输入端接收到的光功率作为参数，跟设定值进行比较，根据比较结果调节衰减器的衰减量，达到稳定输出幅度的目的。本发明可以补偿因传输系统各端口不一致造成的接收光功率差异和各探测器响应度差异，使输出信号满足幅度一致性要求。当系统即有连续模式传输，又有突发脉冲式传输时，该方案都可以适用，适用性广。

附图说明

图1为现有的一种分布式光纤传输系统结构框图；

图2为放大器在饱和区域的增益压缩特性；

图3为带AGC功能的光接收模块功能框图；

图4为本发明实施例提供的一种输出幅度稳定的ROF光接收模块功能框图；

图5为本发明实施例提供的压控衰减器控制电压和衰减量的对应关系图；

图6为本发明实施例提供的对数放大器的输出电压和输入电流及参考信号（IREF）的对应关系图；

图7为本发明实施例提供的信号调理电路的结构框图。

附图标记说明：1-镜像电流源、2-光探测器、3-电阻、4-第一放大器、5-衰减器、6-第二放大器、7-滤波器、8-信号调理电路、81-对数放大器、82-运算放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明实施例提供一种输出幅度稳定的ROF光接收模块，包括光探测器2、电阻3、衰减器5以及至少一个放大器，所述光探测器2采用光电二极管，所述电阻3的一端与所述光电二极管的正极连接，另一端接地，各所述放大器以及所述衰减器5相串联且串联整体的输入端通过一电容连接至所述光电二极管的正极，输出端连接至射频信号输出端（RF端），其中放大器的数量以及放大器与衰减器5的位置关系可以根据需要进行调整，衰减器5可以放在最前或最后。该光接收模块由光探测器2把接收到的光信号转换为电流信号，电流信号的大小取决于接收到的光功率大小及光探测器2的转换效率（响应度），转换的电流信号经电阻3转换为电压信号，再经历放大器放大以及衰减器5衰减，然后由射频信号输出端转换回射频信号输出。该光接收模块还包括镜像电流源1、滤波器7以及信号调理电路8，所述镜像电流源1的输入端与所述光电二极管的负极连接，输出端与所述滤波器7的输入端连接，镜像电流源1的功能是复制光探测器2的输出电流信号并传给滤波器7，由于光探测器2转换出的电流信号包含直流成分和交流成分，其中的交流成分是系统要传输的信号，直流成分对应接收到的光功率和光探测器2的响应度（转换效率），滤波器7滤掉交流成分后输出直流信号，输出的直流信号对应接收光功率和光探测器2响应度乘积。所述滤波器7的输出端与所述信号调理电路8的输入端连接，所述信号调理电路8的输出端与所述衰减器5连接，所述信号调理电路8用于根据接收的所述滤波器7产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号计算出使射频信号输出幅度稳定的衰减器5的衰减量并输出相应的控制信号给所述衰减器5。所述参考信号可以在信号调理电路8内部设定，也可以在信号调理电路8外部设定后传给该信号调理电路8，参考信号的类型可以根据衰减器5以及信号调理电路8的实际情况进行调整，可以是电流信号、控制电压信号或者衰减量大小信号等。

本发明实施例提供的这种输出幅度稳定的ROF光接收模块，利用镜像电流源复制光探测器的输出电流信号并传给滤波器，滤波器滤掉交流成分后输出直流信号，输出的直流信号对应接收光功率和光探测器响应度，信号调理电路根据接收的滤波器产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号计算出使射频信号输出幅度稳定的衰减器的衰减量并输出相应的控制信号给衰减器，即采用光接收模块输入端接收到的光功率作为参数，跟设定值进行比较，根据比较结果调节衰减器的衰减量，达到稳定输出幅度的目的。本发明可以补偿因传输系统各端口不一致造成的接收光功率差异和各探测器响应度差异，使输出信号满足幅度一致性要求。当系统即有连续模式传输，又有突发脉冲式传输时，该方案都可以适用，适用性广。

本优选实施例中，所述放大器具有两个，分别为第一放大器4和第二放大器6，第一放大器4和第二放大器6分别连接于所述衰减器5的前后两侧，光探测器2转换的电流信号经电阻3转换为电压信号后依次经第一放大器4放大、衰减器5衰减、第二放大器6放大后由RF端输出。

作为一种实施方式，所述衰减器5采用数控衰减器，由信号调理电路8产生数字信号来控制衰减器的衰减量大小。数控衰减器的控制简单，但数控衰减器要引入数字电路，在精度要求比较高的场合，数字电路的干扰不可忽略，因此数控衰减器适用于对杂散干扰要求较低的场合。

作为另一种实施方式，所述衰减器5采用压控衰减器，由信号调理电路8产生控制电压来控制衰减器5的衰减量大小。为方便控制，需要选择控制电压同衰减量关系简明的衰减器5，如图5所示，为一种压控衰减器控制电压和衰减量的对应关系，可以看出，控制电压在0.7V到1.7V范围内，衰减量的对数同控制电压基本成线性关系。下面将详细描述其具体实现方式。

最佳信号调理方式是采用数字查找表的方式，具体地，该光接收模块还包括存储模块，所述存储模块中存储有数字查找表，所述数字查找表中存储有针对不同的接收光功率以及衰减器5特性设置的控制电压，所述信号调理电路8用于根据接收的所述滤波器7产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号在数字查找表中查找相应的控制电压并输出给所述衰减器5。该种方式控制简单，但同样会引入数字电路，产生干扰问题，因此也仅适用于对杂散干扰要求较低的场合。

另外一种实现方式是采用模拟控制的方式，如上所述，衰减器5的衰减特性是控制电压和衰减量的对数成线性关系，所以，信号调理电路8的主要构成是一个电流对数放大器81。具体地，如图7所示，所述信号调理电路8包括对数放大器81以及运算放大器82，所述对数放大器81的其中一个输入端与所述滤波器7的输出端连接，用于接收滤波器7产生的直流电流IPD（对应接收光功率和光探测器2响应度），另一个输入端用于接收与设定的参考信号对应的电流IREF，所述对数放大器81的输出端与所述运算放大器82连接，所述运算放大器82的输出端与所述衰减器5连接，所述运算放大器82的放大倍数n满足以下条件： K1* n =- K2，其中K1为所述对数放大器81的转换系数，K2为所述衰减器5控制电压和衰减量对应关系的直线部分的斜率。其具体控制原理如下：

第一步，对数放大器81把滤波器7产生的直流电流（对应接收光功率和光探测器2响应度）以参考信号对应的电流IREF为基准转换成对数关系的电压信号，即：Vlog = K1*log₁₀(IPD/IREF) ，其中Vlog是对数放大器81的输出电压， K1是对数放大器81的转换系数，如图6 所示为对数放大器81的输出电压和输入电流及参考信号（IREF）的对应关系，K1对应图6中直线的斜率，大约是0.25V/10dB。也就是接收光功率（电流）的对数和对数放大器81的输出电压成线性关系。

第二步，通过运算放大器82比例放大（或缩小）改变这个线性关系的斜率，使这个斜率同衰减器5控制电压和衰减量对应关系的斜率K2正好相反，即K1’ = K1* n= 0.3V/10dB = - K2，其中n为运算放大器82的放大倍数，n=(R1+R2)/R1 。即K1和K2大小不同，通过运算放大器82把K1放大到和K2一样大。压控衰减器的衰减特性是控制电压和衰减量的对数成线性关系，如图5中的衰减器5控制电压和衰减量关系中，直线部分的斜率K2大约是-0.3V/10dB。

第三步，运算放大器82输出控制信号，控制衰减器5。

这样形成的控制电压VCtrl满足这样的要求：由VCtrl控制的衰减器5的衰减量可以抵消接收的滤波器7产生的直流电流的变化量，以达到稳定输出的目的。

光功率信号包含了系统中光分路器部分的一致性信息和光接收模块中光探测器2部分的一致性信息，参考信号设定可以根据每个模块放大电路的实际情况调整。所以，系统中产生幅度误差的三个因素都可以在信号调理电路8中处理。

同AGC方案一样，衰减器5的衰减变化会除改变输出幅度外，对信号的相位也会产生影响，越大的衰减量、越高的频率影响越大，所以，尽量使工作区设定在低衰减区域。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种输出幅度稳定的ROF光接收模块，其特征在于：包括镜像电流源、光探测器、电阻、衰减器、滤波器、信号调理电路、第一放大器以及第二放大器，所述光探测器采用光电二极管，所述电阻的一端与所述光电二极管的正极连接，另一端接地，所述第一放大器、第二放大器以及所述衰减器相串联且串联整体的输入端通过一电容连接至所述光电二极管的正极，输出端连接至射频信号输出端；所述镜像电流源的输入端与所述光电二极管的负极连接，输出端与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端与所述信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与所述衰减器连接，所述信号调理电路用于根据接收的所述滤波器产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号计算出使射频信号输出幅度稳定的衰减器的衰减量并输出相应的控制信号给所述衰减器；还包括存储模块，所述存储模块中存储有数字查找表，所述数字查找表中存储有针对不同的接收光功率以及衰减器特性设置的控制电压，所述信号调理电路用于根据接收的所述滤波器产生的直流信号以及设定的与标准接收光功率对应的参考信号在数字查找表中查找相应的控制电压并输出给所述衰减器；所述信号调理电路包括对数放大器以及运算放大器，所述对数放大器的其中一个输入端与所述滤波器的输出端连接，用于接收滤波器产生的直流电流IPD，另一个输入端用于接收与设定的参考信号对应的电流IREF，所述对数放大器的输出端与所述运算放大器连接，所述运算放大器的输出端与所述衰减器连接，所述运算放大器的放大倍数n满足以下条件： K1* n = - K2，其中K1为所述对数放大器的转换系数，K2为所述衰减器控制电压和衰减量对应关系的直线部分的斜率；所述第一放大器与所述第二放大器分别连接于所述衰减器的两侧，所述衰减器采用数控衰减器或压控衰减器。

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