CN110730040A - 一种支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法及光模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法及光模块，包括信号接收机、镜像电流源模块、跨阻放大器、对数运放模块、隔直电容C1、带通滤波放大器，所述信号接收机连接镜像电流源模块，所述镜像电流源模块与所述跨阻放大器、所述对数运放模块连接，所述对数运放模块后连接所述隔直电容C1，所述隔直电容C1连接所述带通滤波放大器，所述信号接收机用于接收电流信号，所述对数运放模块用于将电流信号以对数形式转化成电压信号，所述隔直电容C1与所述带通滤波放大器配合滤除高频噪声放大低速通信信。在极宽的动态光功率接接收范围内提取、放大低速通信信号，配合成熟的串口通信协议完成光模块中低速通信信号的加载、检测。

Description

一种支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法及光模块

技术领域

本发明涉及一种光通信模块中的低速通信方法及其实现，具体是一种支持在较宽动态接收光功率范围内实现低速通信的光模块，主要应用于高速光通信领域，以消除低速通信信号质量对收端光功率强度大小的依赖。

背景技术

随着光通信网络组网形式的多样化发展，对光收发模块的要求不仅仅局限于高速数据业务的收发，同时还要能传输各种管理与监测信号，简化光通信网络的维护和运营，促进光网络朝向智能化发展。

传统的光收发模块载入管理或监测信号，一般需要单独通信链路来承载这部分管理或监测信号，造成运营管理成本的增加。

现阶段比较流行的方式是，在高速通信信号之外增加低速监测/管理信号，再在收端经跨阻放大器（TIA）转换成电压信号并提取。如专利CN204993356Μ公开的一种基于幅度调制的带内透传监控信号的光模块，其具体实现过程如图1，通过在光模块的发端注入低速通信信号s(t)，‘1’、‘0’信号经过调幅方式加载到激光器（EAM）上，实现低速信号从电信号到光信号的转换，同时，发端的高速业务信号Tx1经过调制器实现电/光转换；发端光信号经过光纤网络发送到接收端后，接收端的光电二极管（APD）实现光信号到电信号的转换，生成相应的电流信号；其中高速业务信号经过跨阻放大器（TIA）转换成相应的高速电压信号后送入后端放大器单元（LA），同时由镜像电流源（Cμrrent Mirror）比例镜像的电流信号经过低通滤波器（LPF）、跨阻放大器（TIA/Amplifier）转化成电路系统容易检测处理的电压信号V(t)，最终送入比较器进行‘1’、‘0’信号的判别，提取出发端所加载的低速通信信号，如图2所示。

在收端信号提取电路中，输入信号经过低通滤波电路（LPF）后，仅滤除了低速信号频带以上成分，经过跨阻放大器后，输出电压v(t)正比于输入信号I(t)，即V(t)=I(t)*R, R为有效跨阻，而光电流I(t)正比于光功率的大小，可记作I(t)=P(t)*A，P(t)为接收到的光功率信号，A是光电转化效率。对于特定器件以及收端检测电路，A和R是确定的，输出电压V(t)正比于接收光功率。但由于通信网络中链路损耗的差异，P的变化范围甚至会超过1000倍（约30dB动态范围），当P偏大(如图3中case1)时，收端提取出来的低速通信信号V(t)接近电源电压Vsμpply，结果会压缩电平差（Va-Vb），当P偏小(如图3中case3)时， V(t)接近0V，同样会压缩电平差（Va-Vb），另外，过小的V(t)也容易导致（Va-Vb）信号被噪声淹没。低速通信信号有效幅值（Va-Vb）的减弱，导致后端比较器comparator无法设定一个合适判决阈值Vth来分辨Va、Vb是‘1’还是‘0’信号，收端无法区分真实的发端信息，通信失败概率大增。

发明内容

本发明提供一种支持宽动态接收光功率范围光模块，利用对数运放模块提取光电流中的低速通信信号，消除收端信号幅度对收端光功率的依赖，极大地提高收端工作光功率范围。

本发明提供的一种支持宽动态接收光功率范围的光模块，包括信号接收机、镜像电流源模块、跨阻放大器、对数运放模块、隔直电容C1、带通滤波放大器，所述信号接收机连接镜像电流源模块，所述镜像电流源模块与所述跨阻放大器、所述对数运放模块连接，所述对数运放模块后连接所述隔直电容C1，所述隔直电容C1连接所述带通滤波放大器，所述信号接收机用于接收电流信号，所述镜像电流源模块用于将信号接收机传输的电流信号镜像，所述对数运放模块用于将电流信号以对数形式转化成电压信号，所述隔直电容C1与所述带通滤波放大器配合滤除高频噪声并放大低速通信信号。

对于通信系统来说，链路上的信号幅度大小按指数形式衰减，发送端的一个电压信号V(t),经过一段衰减大小为α的链路后，输出电压信号可表示为V(t)*exp(-α),即信号衰减为原来的1/exp(α)。同样，发送端的高电平Va、低电平Vb信号经过链路衰减后，接收端信号的差值可以表示成Va*exp(-α)-Vb *exp(-α)=(Va-Vb)*exp(-α)，即是说，经过链路衰减后，接收端高低电平的差值同样衰减一个指数倍。如果收端对该信号进行线性放大/转换后，线性放大器的输出电压差可以表示为ΔV=k*(Va-Vb)*exp(-α)，ΔV正比于线路衰减量exp(-α)，对于确定的线性放大比例k，不同的链路插损α下，输出电压ΔV变化极大。比如，α=0dB和α=30dB时，线性运放输出信号ΔV相差1000倍，一般的接收系统很难处理如此大动态范围变化的信号。

然而，如果接收端采用对数运放，对数运放的输出信号ΔV可以表示成k*log(Va*exp(-α))-k*log(Vb *exp(-α))=k*(log(Va)-log(Vb)), ΔV是一个和链路衰减α无关的差值信号，其中，k是对数运放的输入输出增益。因此，无论对于α=0dB还是α=30dB来说，接收端的输出量是一个固定值，这对于后端电路的放大以及数字电路的判决都极有帮助，提高了所能接收的功率变化范围。

采用对数运放模块提取低速信号，无论RX端接收光功率是0dbm，还是-30dBm，I(t)信号中的高、低电平的输出差值(Va-Vb)并不随光功率的变化而变化，可以在很大的光功率变化范围内保持恒定。适合用于要求收端接收光功率覆盖极大范围变化的场景，更适合远距离场景下的低速通信需求。

进一步，所述带通滤波放大器一端连接隔直电容C2，所述带通滤波放大器经隔直电容C2连接微处理单元。

进一步，所述微处理单元包括串口接收器，所述串口接收器与所述隔直电容C2一端连接，用于接收所述隔直电容C2传输的信号。收端利用微处理单元中的串口接收器，利用成熟的串口通信协议，串口接收器被动地检测输入信号，当有低速通信信号时，输入信号电平由高到低发生翻转，自动触发串口接收器工作，检测出有效的通信数据流。相比于利用MCΜ主动轮询检测GPIO状态、或是ADC持续采样输入信号来说，可以极大的简化软件设计和资源需求。

进一步，所述对数运放模块一端连接接收光功率监控模块，用于检测接收光功率。可以随时监控光模块工作情况。

进一步，本发明提供的一种宽动态接收光功率范围的光模块，其包括调制激光器模块、发端CDR、收端CDR，所述微处理单元还包括串口发射器、模式转换器，所述调制激光器模块输入端连接所述模式转换器输出端，用于发射调制信号，所述模式转换器输入端连接所述串口发射器，所述串口发射器发送信号，所述模式转换器转换信号模式，信号加载于所述调制激光器，所述发端CDR连接在所述调制激光器模块上，所述收端CDR连接在所述跨阻放大器上。

进一步，所述微处理单元还包括译码模块、编码模块，所述译码模块用于解码所述串口接收器收到的信号，所述编码模块对信号编码。可有效消除低速通信信号中的长连“0”、长连“1”，减少多字节通信时电平的不稳定。

进一步，所述调制激光器模块包括直调激光器、电吸收调制器、MZM调制器中的任一种。

进一步，所述模式转换器包括电流模式转换器或电压模式转换器。

将高速光信号和低速通信信号的收、发端集成于一体，利用加载在光模块上的低速通信信号实现光网络的管理，如网络状态监测、远程在线升级等，降低光通信网络的运维成本，促进网络更加智能化。

本发明还提供一种支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法，包括如下步骤：

第一步，所述接收机接收电流信号，经所述镜像电流源模块镜像后送入所述对数运放模块转化为电压信号。

第二步，所述对数运放模块输出的电压信号，经所述隔直电容C1滤除直流分量，所述带通滤波放大器放大其中的交流信号，同时滤除其中低速通信信号外的高频噪声，并抑制电路本身的低频噪声。

第三步，所述隔直电容C2加载直流偏置，保证在无低速通信信号时，输入到串口接收器的信号偏置在一个较高的直流电平，当接收端出现低速通信信号时，信号帧中高电平到低电平的反转，使得输入给串口接收器的信号发生翻转，触发串口接收器工作。

第四步，串口接收器接收低速信号，译码模块对信号解码。

第五步，发送端有效信息经过编码模块编码，串口发射器存储待发送数据流。

第六步，模式转换器将串口发射器存储的数据转换成可以加载在调制激光器模块的电流或电压信号，调制激光器模块实现信号从电信号到光信号的转换，并发送出去。

本发明的有益效果：提供一种支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法及光模块，采用对数运放模块并配合隔直电容、带通滤波放大器，在极宽的动态光功率接接收范围内提取、放大低速通信信号，配合成熟的串口通信协议完成光模块中低速通信信号的加载、检测。

附图说明

图1为背景技术中通信网络示意图

图2为背景技术中信号传输示意图

图3为背景技术中不同光功率下电压信号波形图

图4为实施例1中光模块示意图

图5为实施例2中光模块示意图

图6为实施例1中电流转电压型对数运算放大器电流-电压波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

如图4，本实施例为一种支持宽动态接收光功率范围光模块，包括信号接收机、镜像电流源模块、对数运放模块、隔直电容C1、带通滤波放大器、隔直电容C2、跨阻放大器、微处理单元、以及接收光功率监控模块。

信号接收机输出端连接镜像电流模块输入端，镜像电流模块输出端分别连接对数运放模块、跨阻放大器输入端，对数运放模块输出端同时连接接收光功率监测模块、隔直电容C1一端，隔直电容C1另一端连接带通滤波放大器输入端，带通滤波放大器输出端连接隔直电容C2，隔直电容C2连接微处理单元。

微处理单元包括串口接收器、译码模块，串口接收器输入端连接隔直电容C2一端。

接收机接收电流信号，经镜像电流源模块镜像后送入对数运放模块转化为电压信号。对数运放模块输出的差值信号，经隔直电容C1滤除直流分量，带通滤波放大器放大其中的交流信号，同时滤除其中低速通信信号外的带外噪声。

如图6，电流转电压型对数运算放大器的输入输出关系，当输入电流从1μA变化到10μA时，运放输出电压变化0.5V，而当输入电流从100μA变化到1mA时，输出电压同样变化0.5V，输出电压大小和输入电流I的对数形式log（I）成正比，并非像跨阻放大器那样，输出电压V正比于输入电流I，对输入信号进行线性放大。

所述隔直电容C2加载直流偏置，保证在无低速通信信号时，输入到串口接收器的信号偏置在一个较高的直流电平。当接收端出现低速通信信号时，信号帧中高电平到低电平的反转，使得输入给串口接收器的信号发生翻转，触发串口接收器工作。

串口接收器接收低速信号，译码模块对信号解码。

RX端接收电流信号，经镜像电流源模块镜像，镜像后的电流信号经过对数运放模块转换后输出电压信号，其中直流部分作为接收机的接收光电流检测，隔值电容C1允许其中的低速通信信号通过，带通滤波放大器对信号进行滤波放大，隔值电容C2和直流偏置电压组成Bias-Tee结构的电压偏置，串口接收器检测提取信号，译码模块对信号进行译码，提取其中有效信息。

实施例二：

如图5，本实施例为一种支持宽动态接收光功率范围光模块，可同时实现光收、发功能，包括信号接收机、跨阻放大器、收端CDR、镜像电流源、对数运放模块、隔直电容C1、带通滤波放大器、隔直电容C2、微处理单元、调制激光器模块、发端CDR、接收机电压、接收光功率检测。微处理单元包括串口接收器、译码模块、串口发射器、编码模块、模式转换器。

信号接收机输出端分别连接镜像电流源、跨阻放大器，跨阻放大器输出端连接收端CDR输入端。接收机光电流输出给镜像电流源，镜像电流源输出端连接对数运放模块输入端。

对数运放模块输出端连接隔直电容C1与接收光功率检测，隔直电容C1输出端连接带通滤波放大器输入端，带通滤波放大器输出端连接隔直电容C2。隔直电容C2连接微处理单元中的串口接收器输入端，串口接收器输出端连接译码模块。

接收机接收电流信号，经镜像电流源模块镜像后送入对数运放模块转化为电压信号。对数运放模块输出的差值信号，经隔直电容C1滤除直流分量，带通滤波放大器放大其中的交流信号，同时滤除其中低速通信信号外的高频噪声，并抑制电路本身的低频噪声。

所述隔直电容C2加载直流偏置，保证在无低速通信信号时，输入到串口接收器的信号偏置在一个较高的直流电平。当接收端出现低速通信信号时，信号帧中高电平到低电平的反转，使得输入给串口接收器的信号发生翻转，触发串口接收器工作。

串口接收器接收低速信号，译码模块对信号解码。

串口发射器输入端连接编码模块，其输出端连接模式转换器，模式转换器连接调制激光器模块，调制激光器模块连接发端CDR。

模式转换器可以选用电流转换器或者电压转换器中的任一种。

编码模块对发端信号编码，经串口发射器转换成相应的模拟信号量，并控制发送端低速通信信号的加载。

模拟信号经模式转换器直接加载在调制激光器模块上，调制激光器模块将电信号转换为光信号。

发送端有效信息经过编码模块编码，串口发射器存储待发送数据流，模式转换器将串口发射器存储的数据转换成可以加载在调制激光器模块的电流或电压信号，调制激光器模块实现信号从电信号到光信号的转换，并发送出去。

上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。

Claims (10)

1.一种支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：包括信号接收机、镜像电流源模块、跨阻放大器、对数运放模块、隔直电容C1、带通滤波放大器，所述信号接收机连接镜像电流源模块，所述镜像电流源模块与所述跨阻放大器、所述对数运放模块连接，所述对数运放模块后连接所述隔直电容C1，所述隔直电容C1连接所述带通滤波放大器，

所述信号接收机用于接收电流信号，

所述镜像电流源模块用于将信号接收机传输的电流信号镜像，

所述对数运放模块用于将电流信号以对数形式转化成电压信号，

所述隔直电容C1与所述带通滤波放大器配合滤除高频噪声放大低速通信信号。

2.根据权利要求1所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：所述带通滤波放大器一端连接隔直电容C2，所述带通滤波放大器经隔直电容C2连接微处理单元。

3.根据权利要求2所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：所述微处理单元包括串口接收器，所述串口接收器与所述隔直电容C2一端连接，用于接收所述隔直电容C2传输的信号。

4.根据权利要求1所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：所述对数运放模块一端连接接收光功率监控模块，用于检测接收光功率。

5.根据权利要求3所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：还包括调制激光器模块、发端CDR、收端CDR，所述微处理单元还包括串口发射器、模式转换器，

所述调制激光器模块输入端连接所述模式转换器输出端，用于发射调制信号，

所述模式转换器输入端连接所述串口发射器，所述串口发射器发送信号，所述模式转换器转换信号模式，信号加载于所述调制激光器，

所述发端CDR连接在所述调制激光器模块上，所述收端CDR连接在所述跨阻放大器上。

6.根据权利要求5所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：所述微处理单元还包括译码模块、编码模块，所述译码模块用于解码所述串口接收器收到的信号，所述编码模块对信号编码。

7.根据权利要求5所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：所述调制激光器模块包括直调激光器、电吸收调制器、MZM调制器中的任一种。

8.根据权利要求5所述的支持宽动态接收光功率范围光模块，其特征在于：所述模式转换器包括电流模式转换器或电压模式转换器。

9.一种支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步，所述接收机接收电流信号，经所述镜像电流源模块镜像后送入所述对数运放模块转化为电压信号，

第二步，所述对数运放模块输出的电压信号，经所述隔直电容C1滤除直流分量，所述带通滤波放大器放大其中的交流信号，同时滤除其中低速通信信号外的高频噪声，并抑制电路本身的低频噪声，

第三步，所述隔直电容C2加载直流偏置，保证在无低速通信信号时，输入到串口接收器的信号偏置在一个较高的直流电平，

当接收端出现低速通信信号时，信号帧中高电平到低电平的反转，使得输入给串口接收器的信号发生翻转，触发串口接收器工作，

第四步，串口接收器接收低速信号，译码模块对信号解码。

10.根据权利要求9所述的支持宽动态接收光功率范围的低速通信方法，其特征在于：还包括以下步骤，

第五步，发送端有效信息经过编码模块编码，串口发射器存储待发送数据流，

第六步，模式转换器将串口发射器存储的数据转换成可以加载在调制激光器模块的电流或电压信号，调制激光器模块实现信号从电信号到光信号的转换，并发送出去。

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