CN112865878B - 一种接收机、光线路终端和无源光网络系统 - Google Patents

一种接收机、光线路终端和无源光网络系统 Download PDF

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Abstract

一种接收机，包括光探测器、第一放大器、第二放大器和控制器，其中，光探测器与第一放大器耦合，第一放大器和第二放大器耦合，第一放大器和第二放大器分别与控制器耦合；控制器，用于根据光信号的预设到达时间和该光信号对应的增益强度控制第一放大器和第二放大器的增益；光探测器，用于接收光信号并将该光信号转化为电流信号；第一放大器用于将电流信号转换为第一电压信号；第二放大器用于将第一电压信号转换为第二电压信号。当不同的光信号到达该接收机时，控制器可以根据每一个光信号控制第一放大器和第二放大器的增益调整为对应的增益值，从而实现大动态范围下的光信号的接收且减少接收该光信号所需要的收敛时间，提高上行带宽效率。

Description

一种接收机、光线路终端和无源光网络系统
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种接收机、光线路终端和无源光网络系统。
背景技术
在无源光网络(passive optical network，PON)系统中，光线路终端(opticalline terminal，OLT)通过分光器(passive splitter)与该网络中所有的光网络单元(optical network unit，ONU)建立通讯联系。上行传输时ONU采用时分复用的方式与OLT通讯，每一个ONU的一次通讯信号称为一次突发光信号(以下简称“光信号”)。由于OLT和ONU之间各个链路的插入损耗各不相同，因此从不同ONU到达OLT侧的突发光信号之间的光功率也各不相同，因此OLT侧的接收机应当具有快速捕获一定动态范围内的突发光信号的能力，并使用光探测器将捕获的突发光信号转换为电压信号，并将电压信号放大到同一水平。
为了实现上述目的，目前常见的一种方案如图1所示，OLT侧的接收机包括半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)和光探测器(photodetector，PD)，SOA对上行接收的突发光信号进行预放大，然后再送入PD进行光电转换。SOA的增益可以通过调整泵浦电流等方式进行调节，PD具体可以是雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)，接收机的整体动态范围可以通过调整SOA的泵浦电流或者APD的电压来进行提升。在这种方案中，不同的突发光信号经过PD转换为电压信号，电压信号再被后续的放大电路放大到同一水平。在该过程中，电压信号需要经过自动收敛达到稳定。自动收敛所需的时间较长，因此该方案存在的缺点是无法实现快速收敛，上行带宽效率较低。
发明内容
本申请实施例提供了一种接收机、光线路终端和无源光网络系统，可以解决现有的接收机中上行突发光信号收敛时间较长的问题，可以实现大动态范围下的光信号的接收，且减少收敛时间，提高上行带宽效率。
本申请实施例第一方面提供一种接收机，该接收机包括：光探测器、第一放大器、第二放大器和控制器，其中，光探测器与第一放大器耦合，第一放大器和第二放大器耦合，第一放大器和第二放大器分别与控制器耦合；控制器，用于根据光信号的预设到达时间和所述光信号对应的增益强度控制所述第一放大器和所述第二放大器的增益；光探测器，用于接收所述光信号并将所述光信号转化为电流信号；第一放大器，用于根据第一放大器的增益将所述电流信号转换为第一电压信号；第二放大器，用于根据第二放大器的增益将所述第一电压信号转换为第二电压信号。当不同的光信号到达该接收机时，控制器可以根据每一个光信号控制第一放大器和第二放大器的增益调整为对应的增益值，从而实现大动态范围下的光信号的接收；第一放大器和第二放大器针对不同的光信号采用不同的增益值组合时，可以使得输出的第二电压信号均接近于需要达到的稳定值，从而减少电压信号稳定所需要的收敛时间，提高上行带宽效率。
在一种可能的设计中，控制器具体用于：根据预设的全局增益控制AGC控制表查找所述光信号对应的增益强度；根据所述光信号对应的增益强度生成目标复位信号组合，所述目标复位信号组合包括至少一个复位信号；根据所述目标复位信号组合生成所述第一控制信号和所述第二控制信号；通过所述第一控制信号控制所述第一放大器的增益，且通过所述第二控制信号控制所述第二放大器的增益。
在一种可能的设计中，第一放大器包括跨阻放大器。
在一种可能的设计中，第二放大器包括差分放大器。
在一种可能的设计中，光探测器为雪崩光电二极管APD，该APD与控制器耦合。控制器，具体还用于：根据所述目标复位信号组合生成第三控制信号，并通过该第三控制信号控制该APD的增益。
在一种可能的设计中，本申请实施例提供的接收机还包括：半导体光放大器SOA，光探测器为PIN光电探测器，该SOA与PIN光电探测器耦合，且与控制器耦合。该SOA用于在PIN光电探测器接收所述光信号之前，对所述PIN光电探测器接收的光信号进行放大。控制器，具体还用于：根据所述目标复位信号组合生成第四控制信号，并通过该第四控制信号控制该SOA的增益。
在一种可能的设计中，本申请实施例提供的接收机还包括：缓冲器，该缓冲器与所述第二放大器耦合，用于输出经第二放大器转换后的第二电压信号。
在一种可能的设计中，本申请实施例提供的接收机还包括：第一跨阻和第二跨阻，所述第一跨阻与所述第一放大器耦合，所述第二跨阻与所述第二放大器耦合，第一跨阻和第二跨阻的阻值是可控的；所述第一控制信号和所述第二控制信号分别作用于所述第一跨阻和所述第二跨阻，从而控制所述第一放大器的增益和所述第二放大器的增益。
本申请实施例第二方面提供一种OLT，该OLT包括上述第一方面任意一种可能的设计中的接收机。
本申请实施例第三方面提供一种PON系统，该PON系统包括OLT，其中，该OLT包括上述第一方面任意一种可能的设计中的接收机。该无源光网络系统还包括ONU和光分配网络(optical distribution network，ODN)。
在本申请实施例提供的接收机技术方案中，该接收机包括光探测器、第一放大器、第二放大器和控制器，其中，光探测器与第一放大器耦合，第一放大器和第二放大器耦合，第一放大器和第二放大器分别与控制器耦合；控制器，用于根据光信号的预设到达时间和该光信号对应的增益强度控制第一放大器和第二放大器的增益；光探测器，用于接收光信号并将该光信号转化为电流信号；第一放大器用于将电流信号转换为第一电压信号；第二放大器用于将第一电压信号转换为第二电压信号。当不同的光信号到达该接收机时，控制器可以根据每一个光信号控制第一放大器和第二放大器的增益调整为对应的增益值，从而实现大动态范围下的光信号的接收且减少接收该光信号所需要的收敛时间，提高上行带宽效率。
附图说明
图1为现有技术中一种接收机的结构示意图；
图2为本申请实施例应用场景示意图；
图3为本申请实施例提供的接收机一个实施例示意图；
图4为本申请实施例中接收机增益调整过程示意图；
图5为本申请实施例提供的接收机另一实施例示意图；
图6为本申请实施例提供的接收机另一实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例可应用于如图2所示的无源光网络(passive optical network，PON)系统，该PON系统包括：光线路终端(optical line terminal，OLT)、光分配网络(optical distribution network，ODN)和光网络单元(optical network unit，ONU)。在PON系统中，从OLT到ONU方向的传输称为下行传输，反之为上行传输，下行传输是由OLT将下行数据广播到各ONU，上行传输采用时分复用，各ONU按照OLT分配的发送时隙将上行数据发送到OLT，上行数据和下行数据都以光信号作为数据载体。ONU为PON系统提供用户侧接口，上行与ODN相连。其中，ODN为无源分光器件，一般包括无源光分路器(也称Splitter)、主干光纤和分支光纤。ODN可以将多个ONU的上行数据汇总传输到OLT，还可以将OLT的下行数据传输到各个ONU。
本申请实施例提供了一种接收机，该接收机可应用于PON系统中的OLT，该接收机具有动态范围大和收敛时间短的特性，可以实现大动态范围下的光信号的接收，并且可以减少对该光信号转换为电压信号过程中所需要的收敛时间。
图3为本申请实施例提供的接收机一个实施例示意图。
如图3所示，本申请实施例提供的接收机30可以包括：光探测器301、第一放大器302、第二放大器303和控制器304，其中，光探测器301与第一放大器302耦合，所述第一放大器302和第二放大器303耦合，第一放大器302和第二放大器303分别与控制器304耦合。
控制器304，用于根据光信号的预设到达时间以及该光信号对应的增益强度生成第一控制信号和第二控制信号，且通过该第一控制信号控制第一放大器302的增益和通过第二控制信号控制第二放大器303的增益。
光探测器301，用于接收光信号并将该光信号转化为电流信号。
第一放大器302，用于根据控制器304控制的第一放大器的增益将光探测器301输出的电流信号转换为第一电压信号，该第一电压信号为直流电压信号，该直流电压信号是不稳定的。
第二放大器303，用于根据控制器304控制的第二放大器的增益将第一放大器302输出的第一电压信号转换为第二电压信号，该第二电压信号是第一电压信号经过增益放大后输出的稳定的差分交流电压。
可选的，接收机30还可以包括：缓冲器305，该缓冲器305与第二放大器303耦合，可以用于输出经第二放大器303转换后的第二电压信号。
当不同的光信号到达该接收机时，控制器可以根据每一个光信号控制第一放大器和第二放大器的增益调整为对应的增益值，从而实现大动态范围下的光信号的接收；第一放大器和第二放大器针对不同的光信号采用不同的增益值组合时，可以使得输出的第二电压信号均接近于需要达到的稳定值，从而减少电压信号稳定所需要的收敛时间，提高上行带宽效率。
可选的，在一种具体的实施例中，第一放大器302具体为跨阻放大器，第二放大器303具体为差分放大器。
可选的，在一种具体的实施例中，第一放大器302和第二放大器303可以集成于同一个目标芯片上，该目标芯片包括复位reset管脚，控制器304具体用于：
根据预设的全局增益控制(automatic gain control，AGC)控制表查找上述光信号对应的增益强度；根据该光信号对应的增益强度生成目标复位信号组合，其中，该目标复位信号组合可以包括至少一个复位信号，当该目标复位信号组合包括一个以上的复位信号时，该目标复位信号组合可以是高低电平信号的任意组合形式，也可以是窄宽脉冲信号的任意组合形式，不同的组合方式可以指示不同的信息，当该目标复位信号组合仅包括一个复位信号时，该复位信号可以为脉冲信号，不同宽度的脉冲信号可以指示不同的信息。将该目标复位信号组合输入到reset管脚，以使得目标芯片生成第一控制信号和第二控制信号；然后通过第一控制信号可以控制第一放大器302的增益，且通过第二控制信号可以控制第二放大器303的增益。
上述AGC控制表是根据不同的ONU发送的光信号到达同一接收机时的平均上行接收功率而预先设置的。
具体的，可以根据不同的ONU对于光信号的平均下行接收功率和平均上行发送功率以及接收机自身对于光信号的平均下行发送功率，计算不同的ONU发送的光信号到达该接收机时的平均上行接收功率。具体的计算公式如下：
Purx＝Putx-(Pdtx-Pdrx),
Purx表示上行接收功率，Pdtx表示下行发送功率；Putx表示上行发送功率。Pdrx表示下行接收功率。通过对多次光信号的计算，可以得到平均上行接收功率。
根据每一个ONU对应的平均上行接收功率所处的接收功率范围，可以确定对每一个ONU发送的光信号所采用的增益设置方案。对于不同的接收功率范围，可以设置不同的增益设置方案，每种增益设置方案对应的增益强度不同，具体如表1所示：
表1
Figure BDA0002270086970000041
Figure BDA0002270086970000051
在表1中，光信号的接收功率可以由光探测器转换后的电流信号的电流值表示，针对处于较低的接收功率范围的ONU发送的光信号，接收机接收该光信号的总增益较大，反之则否。
控制器通过向目标芯片上的reset管脚输入目标复位信号组合可以实现将不同的控制信号传输到第一放大器和第二放大器。接收机在接收两个在时间轴上相邻的光信号时，中间会存在一段接收机不接收光信号的时间空隙，通过在该时间空隙的始末时刻，通过reset管脚输入不同的目标复位信号组合时，可以设置不同的增益强度。目标复位信号组合的具体方案可以如以下表格所示：
表2
尾复位信号 头复位信号 增益强度
低电平(如1.8V) 低电平 1
低电平(如1.8V) 高电平(如3.3V) 2
高电平(如3.3V) 低电平 3
高电平(如3.3V) 高电平 4
表3
尾复位信号 头复位信号 增益强度
窄脉冲(如12.8ns) 窄脉冲 1
窄脉冲(如12.8ns) 宽脉冲(如25.6ns) 2
宽脉冲(如25.6ns) 窄脉冲 3
宽脉冲(如25.6ns) 宽脉冲 4
表4
尾复位信号 头复位信号 增益强度
窄脉冲(如12.8ns) 低电平(如1.8V) 1
窄脉冲(如12.8ns) 高电平(如3.3V) 2
宽脉冲(如25.6ns) 低电平 3
宽脉冲(如25.6ns) 高电平 4
表5
头复位信号 增益强度
窄脉冲(如6.4ns) 1
窄脉冲(如12.8ns) 2
宽脉冲(如19.2ns) 3
宽脉冲(如25.6ns) 4
表2、表3、表4所表示的三种方案可以应用于单一接收速率的接收机中，通过尾复位信号和头复位信号形成的目标复位信号组合，可以使得集成有第一放大器302和第二放大器303的目标形成生成相应的第一控制信号和第二控制信号，分别指示第一放大器302和第二放大器303采用相应的增益强度。
表5所表示的方案也可以应用于单一接收速率的接收机中，目标复位信号组合仅包括头复位信号，该复位信号为脉冲信号，其中，不同宽度的脉冲信号可以使得集成有第一放大器302和第二放大器303的目标形成生成相应的第一控制信号和第二控制信号，分别指示第一放大器302和第二放大器303采用相应的增益强度。
对于具有多种接收速率的接收机，可以采用表6所示的方案：
表6
尾复位信号 头复位信号 接收速率和增益强度
窄脉冲(如6.4ns) 窄脉冲(如6.4ns) 速率1，强度1
窄脉冲(如12.8ns) 窄脉冲(如12.8ns) 速率2，强度2
宽脉冲(如19.2ns) 宽脉冲(如19.2ns) 速率3，强度3
宽脉冲(如25.6ns) 宽脉冲(如25.6ns) 速率4，强度4
在表6所示的方案中，尾复位信号用于指示接收速率，头复位信号用于指示增益强度。
需要说明的是，上述尾复位信号是指在接收机不接收光信号的时间空隙的初始时刻，也即上一个光信号接收完毕时的时刻，输入的的复位信号；上述头复位信号是指在接收机不接收光信号的时间空隙的末端时刻，也即下一个光信号开始接收的时刻，输入的的复位信号。
作为一个简单的示例，以目标复位信号组合由尾复位信号和头复位信号组成为例，如图4所示，在不同的光信号的接收间隙中，将目标复位信号组合输入到reset管脚中，可以控制第一放大器和第二放大器的增益进行调整，从而调整接收机的总增益，以使得接收机接收到不同的光信号时，可以转换为相同水平的电压信号。需要说明的是，相同水平的电压信号并不意味至每个电压信号的电压值一定相同，而是处于同一个偏差范围内。
可选的，接收机30还包括：第一跨阻306和第二跨阻307，所述第一跨阻306与所述第一放大器302耦合，所述第二跨阻307与所述第二放大器303耦合，该第一跨阻和第二跨阻的阻值可控。表1中的控制信号1和控制信号2可以分别用于控制本申请实施例所提供的接收机30中的第一跨阻306和第二跨阻307，从而控制第一放大器302和第二放大器303的增益。控制信号1和控制信号2可对应于上文中所述的第一控制信号和第二控制信号。
若该接收机30中还包括其它具有增益效果的增益部件，控制信号N还可以用于控制这些增益部件的增益。应理解，通过不同的控制信号组合，可以实现多种不同的总增益设置效果，表1中所示的只是通过控制第一放大器302和第二放大器303的增益实现的4种增益设置方案，当接收机30中还包括其它具有增益效果的增益部件时，增益设置方案的数量可以增加。
由于不同的ONU是根据OLT分配的时间间隙发送光信号的，所以不同的ONU发送的光信号到达OLT的时间是由OLT控制的。根据表1所示的增益设置方案，以及OLT所控制的不同的光信号的到达时间，可以提前生成一个AGC控制表，其中针对不同时刻到达的光信号预设了相应的增益强度。
因此，在该接收机30工作时，控制器304可以在每个光信号到达之前，根据预设的AGC控制表查找每个光信号对应的增益强度，并且根据该光信号对应的增益强度生成对应的控制信号，从而通过控制信号预设每个增益节点(例如第一放大器302、第二放大器303)的增益，保证该光信号到达的时候，经过光电转换等处理后，可以实现快速收敛。
在一种具体的实施例中，控制器304可以是OLT中的媒体访问控制(Media AccessControl，MAC)芯片，AGC控制表可以集成于该MAC芯片中。
在一个具体的实施例中，如图5所示，光探测器301可以为雪崩光电二极管(avalanche photodiodes，APD)，该APD可以与控制器304耦合；
控制器304，具体还可以用于：根据光信号对应的增益强度生成第三控制信号(也即图5中的控制信号3)，并通过该第三控制信号控制APD的增益。具体的，该第三控制信号可以通过控制该APD的电压进而控制其增益。该第四控制信号可以对应于上述表1中的控制信号N。
在一种具体的实施例中，如图6所示，接收机30还可以包括：半导体光放大器308(semiconductor optical amplifier，SOA)，光探测器301具体可以为PIN光电探测器，该SOA与PIN光电探测器耦合，且与控制器304耦合。该SOA可以用于在PIN光电探测器接收光信号之前，对PIN光电探测器接收的光信号进行放大。
控制器304，具体还可以用于：根据光信号对应的增益强度生成第四控制信号(也即图6中的控制信号4)，并通过该第四控制信号控制所述SOA的增益。具体的，该第四控制信号可以通过控制该SOA的泵浦电流进而控制其增益大小。该第四控制信号可以对应于上述表1中的控制信号N。
本申请实施例提供一种OLT，该OLT包括上述任意实施例中所描述的接收机。
本申请实施例提供一种PON系统，该PON系统包括OLT和ONU，其中，OLT包括上述任意实施例中所述的接收机。
以上所述应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种接收机，其特征在于，包括：光探测器、第一放大器、第二放大器和控制器，其中，所述光探测器与所述第一放大器耦合，所述第一放大器和所述第二放大器耦合，所述第一放大器和所述第二放大器分别与所述控制器耦合；
所述控制器，用于根据光信号的预设到达时间和所述光信号对应的增益强度控制所述第一放大器和所述第二放大器的增益；
所述光探测器，用于接收所述光信号并将所述光信号转化为电流信号；
所述第一放大器，用于根据所述第一放大器的增益将所述电流信号转换为第一电压信号；
所述第二放大器，用于根据所述第二放大器的增益将所述第一电压信号转换为第二电压信号，所述第二电压信号为稳定的差分交流电压信号。
2.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述第一放大器和所述第二放大器集成于目标芯片，所述目标芯片包括复位reset管脚；
所述控制器具体用于：
根据预设的全局增益控制AGC控制表查找所述光信号对应的增益强度；
根据所述光信号对应的增益强度生成目标复位信号组合，所述目标复位信号组合包括至少一个复位信号；
将所述目标复位信号组合输入到所述reset管脚，以使得所述目标芯片生成第一控制信号和第二控制信号；
通过所述第一控制信号控制所述第一放大器的增益，且通过所述第二控制信号控制所述第二放大器的增益。
3.根据权利要求1或2所述的接收机，其特征在于，所述第一放大器包括跨阻放大器。
4.根据权利要求1或2所述的接收机，其特征在于，所述第二放大器包括差分放大器。
5.根据权利要求2所述的接收机，其特征在于，所述光探测器为雪崩光电二极管APD，所述APD与所述控制器耦合；
所述控制器，具体还用于：
根据所述光信号对应的增益强度生成第三控制信号；
通过所述第三控制信号控制所述APD的增益。
6.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述接收机还包括：半导体光放大器SOA，所述光探测器为PIN光电探测器，所述SOA与所述PIN光电探测器耦合，且与所述控制器耦合；
所述SOA，用于在所述PIN光电探测器接收所述光信号之前，对所述PIN光电探测器接收的所述光信号进行放大；
所述控制器，具体还用于：
根据所述光信号对应的增益强度生成第四控制信号；
通过所述第四控制信号控制所述SOA的增益。
7.根据权利要求1、2、5和6中任一项所述的接收机，其特征在于，所述接收机还包括：缓冲器，所述缓冲器与所述第二放大器耦合；
所述缓冲器，用于输出经所述第二放大器转换后的所述第二电压信号。
8.根据权利要求2所述的接收机，其特征在于，所述接收机还包括：第一跨阻和第二跨阻，所述第一跨阻与所述第一放大器耦合，所述第二跨阻与所述第二放大器耦合，所述第一跨阻和所述第二跨阻的阻值是可控的；
所述第一控制信号和所述第二控制信号分别作用于所述第一跨阻和所述第二跨阻，以控制所述第一放大器的增益和所述第二放大器的增益。
9.一种光线路终端，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的接收机。
10.一种无源光网络系统，其特征在于，包括光线路终端，所述光线路终端包括权利要求1至8中任一项所述的接收机。
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