CN112702124B - 一种自整定的pam4光电调制驱动信号生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，包括延时自整定模块、眼高自整定模块、幅度调节模块、阻抗匹配网络模块以及宽带功率放大器，延时自整定模块可以自动调节上下路信号延时，使得功率合成时两路信号时序对齐，眼高自整定模块可以自动调节两路信号的相对幅度，使得PAM4三个眼高相等，幅度调节模块可实现PAM4信号的幅度调节，以匹配调制器所需的电压，本发明还提供了一种驱动信号生成方法。与现有技术相比，本发明增加的眼高自整定模块和延时自整定模块能够快速的自整定PAM4调制信号的眼高和延时，确保环境温度变化时也能实现自动补偿，从而实现稳定的PAM4调制信号驱动输出。

Description

一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置及方法

技术领域

本发明涉及光电调制器驱动装置的技术领域，特别涉及一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置及驱动信号生成方法。

背景技术

随着光通信领域的快速发展，很多光通信产品中在高频率使用铌酸锂相位调制器和强度调制器，而调制器驱动的稳定性作为影响产品性能指标的关键因素；因此，制作一个性能稳定的铌酸锂相位调制器和强度调制器驱动电路变得至关重要。

铌酸锂相位调制器和强度调制器在工作时由于器件自身工艺问题，当环境温度发生变化时它们的半波电压会发生相应的变化，这就需要系统对半波电压重新校准，校准过程中需要调节PAM4驱动信号的幅度，在调节过程中其眼高就很容易出现不等高的现象；电子学器件同样也会受温度影响产生一定的延时温飘，这就需要对温漂后的延时重新校准，否则，会出现延时偏差导致PAM4驱动信号畸形的现象。眼高不等高和延时偏差进而影响系统的性能甚至导致系统不能正常工作。此时，需要一种能够自整定的光电调制器驱动方法和装置将当前环境温度下对应的眼高和延时调节准确，来保证系统不受光电调制器件和电子学器件校准过程中带来的影响。

传统的调制电路缺少眼高和延时自整定功能，当环境温度变化后，在重新校准延时和幅度时，眼高和延时调节不当导致其性能不稳定；此外，现有调制电路输出幅度偏低，只能满足少数电光调制器驱动的应用。

发明内容

本发明提供一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，能够自动整定环境温度变化引起的光电调制器件半波电压校准过程中的眼高和电子学器件的延时漂移，从而消除温飘对系统的影响；此外，改变传统调制电路输出幅度偏低的技术性缺陷，具体如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，包括延时自整定模块、眼高自整定模块、幅度调节模块、阻抗匹配网络模块以及宽带功率放大器，所述延时自整定模块包括上信号输入端、下信号输入端、上信号输出端以及下信号输出端，所述上信号输入端与上信号输出端对应连接，所述下信号输入端与下信号输出端对应连接，所述上信号输出端分两路，一路依次连接异或电路、第一脉冲计数器以及延时自整定模块本身，另一路连接幅度调节模块的输入端，所述幅度调节模块OUT+端连接阻抗匹配网络模块的一路输入端；所述下信号输出端分两路，一路连接异或电路的另一输入端，另一路连接第二幅度可调驱动器，所述第二幅度可调驱动器OUT+端连接阻抗匹配网络模块的另一路输入端，所述第二幅度可调驱动器OUT-端依次连接比较器、第二脉冲计数器、眼高自整定模块以及第二幅度可调驱动器本身，所述幅度调节模块OUT-端通过分压器连接比较器的另一输入端，所述阻抗匹配网络模块的输出端连接宽带功率放大器。

优选地，所述幅度调节模块包括幅度调节控制模块以及第一幅度可调驱动器，所述幅度调节控制模块连接第一幅度可调驱动器。

优选地，分压器为1/2电阻分压器。

一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成方法，包括以下步骤：

1）自整定激励信号输入，上、下路同时发送相同的NRZ(非归零码)信号，经延时自整定模块后分别对应接入上信号输出端以及下信号输出端；

2）两路信号的延时自整定子方法，延时自整定模块首先设定延时扫描初值、扫描步长，然后进行延时扫描，在每个延时扫描点，记录一段时间t内的第一脉冲计数器的计数值，当该计数值在某一延时D下低于设定阈值m，该延时D即为所求，完成延时自整定；

3）两路信号的眼高自整定子方法，眼高自整定模块首先设定第二幅度可调驱动器的幅度扫描初值、幅度扫描步长，然后进行幅度扫描，在每个幅度扫描点，记录一段时间t内的第二脉冲计数器的计数值，当该计数值发生跳变，且跳变量大于Fmax-n时，则跳变处对应的幅度即为所求，完成眼高自整定，其中Fmax为计数最大值，n为设定值；

4）自整定完成，上、下路发送PAM4用户编码数据；

5）阻抗匹配网络模块用于将上路的幅度调节模块OUT+端、下路的第二幅度可调驱动器OUT+端的信号功率合成，实现从两路幅度可调驱动器的输出到宽带功率放大器输入的信号完整性；

6）宽带功率放大器将功率合成后的信号进一步放大，得到PAM4驱动信号。

优选地，所述步骤3）后还包括上路信号的幅度调节，幅度调节控制模块通过数模转换器来控制第一幅度可调驱动器，使装置能够输出设定的幅度。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置及方法，增加的眼高自整定模块和延时自整定模块能够快速的自整定PAM4调制信号的眼高和延时，确保环境温度变化时也能实现精确的电光调制；同时，该装置采用两路幅度可调驱动器功率合成加宽带功率放大器的组合，能够轻松实现调制信号输出最大幅度11Vpp，从而能够适用目前市场上的大部分商用铌酸锂相位调制器（PMs）和强度调制器（IMs）；此外，在作为射频测试仪器时，也提供了极大的灵活性，也消除了传统调制电路输出幅度偏低的技术性缺陷。

附图说明

图1为本发明的自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置原理框图；

图2为本发明的延时自整定子方法流程图；

图3为本发明的延时自整定子方法中延时未对齐时波形原理示意图；

图4为本发明的延时自整定子方法中延时已对齐时波形原理示意图；

图5为本发明的延时自整定子方法中延时扫描的计数统计示意图；

图6为本发明的幅度自整定子方法流程图；

图7为本发明的幅度自整定子方法中上下路调制器扫描幅度变化示意图；

图8为本发明的幅度自整定子方法中比较器输出信号变化示意图；

图9为本发明的幅度自整定子方法中幅度扫描的计数统计示意图。

图中，延时自整定模块100，上信号输入端110，下信号输入端120，上信号输出端130，下信号输出端140，眼高自整定模块200，幅度调节模块300，幅度调节控制模块310，第一幅度可调驱动器320，阻抗匹配网络模块400，宽带功率放大器500，异或电路600，第一脉冲计数器700，第二幅度可调驱动器800，比较器900，第二脉冲计数器1000，分压器1100。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，包括延时自整定模块100、眼高自整定模块200、幅度调节模块300、阻抗匹配网络模块400以及宽带功率放大器500，所述延时自整定模块100包括上信号输入端110、下信号输入端120、上信号输出端130以及下信号输出端140，所述上信号输入端110与上信号输出端130对应连接，所述下信号输入端120与下信号输出端140对应连接，所述上信号输出端130分两路，一路依次连接异或电路600、第一脉冲计数器700以及延时自整定模块100本身，所述延时自整定模块100通过异或电路600、第一脉冲计数器700的闭环反馈找到上、下路延时精准对齐点，另一路连接幅度调节模块300的输入端，所述幅度调节模块OUT+端连接阻抗匹配网络模块400的一路输入端；所述下信号输出端140分两路，一路连接异或电路600的另一输入端，另一路连接第二幅度可调驱动器800，所述第二幅度可调驱动器OUT+端连接阻抗匹配网络模块400的另一路输入端，所述第二幅度可调驱动器OUT-端依次连接比较器900、第二脉冲计数器1000、眼高自整定模块200以及第二幅度可调驱动器800本身，所述眼高自整定模块200通过分压器1100、比较器900和第二脉冲计数器1000的闭环反馈调节PAM4调制信号的眼高，使得PAM4调制信号的三个眼高精确等于光电调制器件的半波电压，所述幅度调节模块OUT-端通过分压器1100连接比较器900的另一输入端，所述阻抗匹配网络模块400的输出端连接宽带功率放大器500。

所述幅度调节模块300包括幅度调节控制模块310以及第一幅度可调驱动器320，所述幅度调节控制模块310连接第一幅度可调驱动器320，幅度调节控制模块310通过自身的数模转换器来调节第一幅度可调驱动器320，从而使装置能够输出期望的幅度。

分压器1100为1/2电阻分压器，方便分压的实现。

本发明还提供了一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成方法，包括以下步骤：

1）自整定激励信号输入，上、下路同时发送相同的NRZ(非归零码)信号，经延时自整定模块后分别对应接入上信号输出端以及下信号输出端；

2）两路信号的延时自整定子方法，延时自整定模块首先设定延时扫描初值、扫描步长，然后进行延时扫描，在每个延时扫描点，记录一段时间t内的第一脉冲计数器的计数值，当该计数值在某一延时D下低于设定阈值m，该延时D即为所求，完成延时自整定；

3）两路信号的眼高自整定子方法，眼高自整定模块首先设定第二幅度可调驱动器的幅度扫描初值、幅度扫描步长，然后进行幅度扫描，在每个幅度扫描点，记录一段时间t内的第二脉冲计数器的计数值，当该计数值发生跳变，且跳变量大于Fmax-n时，则跳变处对应的幅度即为所求，完成眼高自整定，其中Fmax为计数最大值，n为设定值；

4）自整定完成，上、下路发送PAM4用户编码数据；

5）阻抗匹配网络模块用于将上路的幅度调节模块OUT+端、下路的第二幅度可调驱动器OUT+端的信号功率合成，实现从两路幅度可调驱动器的输出到宽带功率放大器输入的信号完整性；

6）宽带功率放大器将功率合成后的信号进一步放大，得到PAM4驱动信号。

所述步骤3）后还包括上路信号的幅度调节，幅度调节控制模块通过数模转换器来控制第一幅度可调驱动器，使装置能够输出设定的幅度。

本自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置及驱动信号生成方法有以下特点：自带眼高和延时自整定功能，能够消除系统在对光电调制器件和电子学器件校准过程中对PAM4调制信号眼高和延时的温飘影响；此外，高输出幅度能够适用于大部分电光调制器件；输出码型波特率高达1GBaud。

实施例

参见图1，延时自整定模块：延时自整定模块的上、下路都各自分为两路信号，一路进入第一幅度可调驱动器进行调制信号放大，另一路进入异或电路进行异或，异或后的结果进入第一脉冲计数器，第一脉冲计数器的计数值再反馈给延时自整定模块。参见图2、图3、图4、图5所示，首先，上、下路分别发送码率相同的NRZ(非归零码)时钟信号，下路信号设定一个固定延时值，上路从延时设为初始值0，上路开始以10ps步进扫描延时。第一脉冲计数器对每个延时步进点的脉冲个数进行100ms计数统计，当扫描过程中第一脉冲计数器的计数跳变量大于Fmax-n时，其中Fmax为计数最大值，（n可根据实际情况设定，当前预设为10）时，整定结束，记录当前扫描延时值即为当前延时整定值。

参见图6、图7、图8、图9所示，其中，图7中a为经电阻分压一半后输出比较器IN+端、b为步进扫描幅度输入比较器IN-端输入，眼高自整定需在延时自整定结束后进行。眼高自整定模块实施方法：第一幅度可调驱动器的反向输出端OUT-经两个R/2的电阻分压器接比较器的正输入端IN+，第二幅度可调驱动器的反向输出端OUT-经下拉电阻R接比较器的负输入端IN-；首先，将上路幅度可调驱动器的OUT-输出固定在某一幅度，将第二幅度可调驱动器的OUT-输出最小幅度，通过自身的数模转换器以一个LSB步进电压扫描其输出幅度，第一幅度可调驱动器、第二幅度可调驱动器的反向输出端OUT-经比较器后产生脉冲输入到第二脉冲计数器，在每个LSB扫描步进点下缓存100ms的计数统计，当扫描过程中第二脉冲计数器的计数由0变得大于脉冲计数临界点m（m可根据实际情况设定，当前预设为20）时，整定结束，记录当前扫描值即为当前眼高整定值。此时比较器的输入端IN+和IN-电压相等，即第二幅度可调驱动器输出幅度为第一可调驱动器输出幅度的一半，进而实现了眼高整定。因为幅度可调驱动器为差分输出，故OUT+和OUT-对应的幅度相等，所以，第一幅度可调驱动器、第二幅度可调驱动器的反向输出端OUT-幅度整定好后，正向输出端OUT+的幅度其实也就整定好了；第一幅度可调驱动器、第二幅度可调驱动器正向输出端OUT+经功率合成后功率放大器进一步放大后作为最终的调制信号输出。

幅度调节模块，通过数模转换器以适当的步进改变输出电压值来调节第一幅度可调驱动器的输出幅度，进而改变后端的调制信号输出幅度。为实现高分辨率的调制输出幅度，可选用12bit分辨率的数模转换器来对第一幅度可调驱动器进行精确幅度控制；此外，也可以通过在阻抗匹配网络模块和宽带功率放大器间增加电压控制衰减器的方法，实现最终调制信号幅度的调节。

阻抗匹配网络模块采用三个16.7Ω的电阻网络将上、下路驱动输出进行功率合成，同时满足信号链路的阻抗匹配要求。电路布线设计时应注意：这三个电阻尽量靠近线路交汇点，上、下路走线尽量等长，走线尽量短，有利于提高信号完整性。

宽带功率放大器采用带宽覆盖范围广、噪声小的固定增益功率放大器，该放大器接收阻抗匹配网络的功率合成信号进一步放大，输出直接接入光电调制器件，从而实现大幅度的电光调制应用。该宽带功率放大器可选择集成电路式宽带功率放大器或专用宽带放大器模块，本发明优选Analog Devices公司的集成电路式HMC659。

为了实现快速信号翻转，高带宽的可变增益放大器和调制驱动器作为幅度可调驱动器都是很好的选择，本发明优选Maxim公司的MAX3942，该驱动器高达10.7Gbps的带宽，输出边沿速度典型值23ps，可通过电压控制其输出幅度，非常适合做高速调制驱动。

综合本发明的原理可知，本发明自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置及驱动信号生成方法，增加的眼高自整定模块和延时自整定模块能够快速的自整定PAM4调制信号的眼高和延时，确保环境温度变化时也能实现精确的电光调制；同时，该装置采用两路幅度可调驱动器功率合成加宽带功率放大器的组合，能够轻松实现调制信号输出最大幅度11Vpp，从而能够适用目前市场上的大部分商用铌酸锂相位调制器（PMs）和强度调制器（IMs）；此外，在作为射频测试仪器时，也提供了极大的灵活性，也消除了传统调制电路输出幅度偏低的技术性缺陷。

Claims (5)

1.一种自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，其特征在于，包括延时自整定模块、眼高自整定模块、幅度调节模块、阻抗匹配网络模块以及宽带功率放大器，所述延时自整定模块包括上信号输入端、下信号输入端、上信号输出端以及下信号输出端，所述上信号输入端与上信号输出端对应连接，所述下信号输入端与下信号输出端对应连接，所述上信号输出端分两路，一路依次连接异或电路、第一脉冲计数器以及延时自整定模块本身，另一路连接幅度调节模块的输入端，所述幅度调节模块OUT+端连接阻抗匹配网络模块的一路输入端；所述下信号输出端分两路，一路连接异或电路的另一输入端，另一路连接第二幅度可调驱动器，所述第二幅度可调驱动器OUT+端连接阻抗匹配网络模块的另一路输入端，所述第二幅度可调驱动器OUT-端依次连接比较器、第二脉冲计数器、眼高自整定模块以及第二幅度可调驱动器本身，所述幅度调节模块OUT-端通过分压器连接比较器的另一输入端，所述阻抗匹配网络模块的输出端连接宽带功率放大器。

2.如权利要求1所述的自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，其特征在于，所述幅度调节模块包括幅度调节控制模块以及第一幅度可调驱动器，所述幅度调节控制模块连接第一幅度可调驱动器。

3.如权利要求1或2所述的自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置，其特征在于，分压器为1/2电阻分压器。

4.一种根据权利要求2所述自整定的PAM4光电调制驱动信号生成装置的自整定的PAM4光电调制驱动信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）自整定激励信号输入，上、下路同时发送相同的NRZ信号，经延时自整定模块后分别对应接入上信号输出端以及下信号输出端；

2）两路信号的延时自整定子方法，延时自整定模块首先设定延时扫描初值、扫描步长，然后进行延时扫描，在每个延时扫描点，记录一段时间t内的第一脉冲计数器的计数值，当该计数值在某一延时D下低于设定阈值m，该延时D即为所求，完成延时自整定；

3）两路信号的眼高自整定子方法，眼高自整定模块首先设定第二幅度可调驱动器的幅度扫描初值、幅度扫描步长，然后进行幅度扫描，在每个幅度扫描点，记录一段时间t内的第二脉冲计数器的计数值，当该计数值发生跳变，且跳变量大于Fmax-n时，则跳变处对应的幅度即为所求，完成眼高自整定，其中Fmax为计数最大值，n为设定值；

4）自整定完成，上、下路发送PAM4用户编码数据；

5）阻抗匹配网络模块用于将上路的幅度调节模块OUT+端、下路的第二幅度可调驱动器OUT+端的信号功率合成，实现从两路幅度可调驱动器的输出到宽带功率放大器输入的信号完整性；

6）宽带功率放大器将功率合成后的信号进一步放大，得到PAM4驱动信号。

5.如权利要求4所述的自整定的PAM4光电调制驱动信号生成方法，其特征在于，所述步骤3）后还包括上路信号的幅度调节，幅度调节控制模块通过数模转换器来控制第一幅度可调驱动器，使装置能够输出设定的幅度。

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