CN1581735A - 一种实现对不同输入光功率自适应的光接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字光纤传输技术领域，具体涉及一种用于数字光纤通信系统或数字光纤网络中，在不同输入光功率下，提高接收性能的自适应光接收装置，特别是可实现对经长距离传输的、不同输入光功率的光信号的最佳接收。本发明首先测量一组不同输入光功率情况下接收机最佳判决点的曲线，然后将接收机最佳判决点随着输入光功率的变化作为预设参数预先设定，接收机根据这些预设参数，再根据检测到的输入光功率，选择不同的判决点，就可以达到最佳接收的目的。在现有技术中，接收机的判决点基本保持不变，当接收的光信号光功率改变时，接收机的性能也会随之变化；采用本发明，提高了不同输入光功率下接收机的性能。

Description

一种实现对不同输入光功率自适应的光接收装置

技术领域

本发明属于数字光纤传输技术领域，具体涉及一种用于数字光纤通信系统或数字光纤网络中，在不同输入光功率下，提高接收性能的自适应光接收装置，特别是实现对经长距离传输的不同输入光功率的光信号的最佳接收。

背景技术

光传输系统使用光接收机来接收传输后的业务，比如STM-16信号及STM-64信号，它们的速率分别为2488.320Mb/s及9953.280Mb/s。通常在WDM光传输系统中，由于线路的衰减变化以及WDM信道数的增减，这些光信号到达接收机的时候，输出光功率会发生变化。对不同输入的光功率，如何解决自适应接收是本技术领域的关键问题之一。

在现有的光传输系统中，接收机一般是由光电转换、AGC控制放大、限幅放大、时钟/数据再定时等部分组成，电路结构如图1所示。其中为了满足大动态范围接收的要求，都采用了AGC放大电路，也就是自动增益调节的放大电路。在输入大信号时，启动AGC控制电路，接收机的增益、带宽如图2所示。对不同的输入信号幅度，AGC放大电路的带宽是不同的，这会影响接收机的性能，特别是对于经过长距离传输的光信号，由于信号畸变比较严重，接收机带宽的改变会带来接收性能的较大变化。这种由于接收机带宽的改变，可能会产生误码或是限制系统的组网能力。

在现有的技术及专利中，具有解决大动态范围接收的方法，如专利(US4565974)“超动态范围光接收机前置放大器”中介绍的方法，此专利中采用的方法是针对不同输入信号电平情况，改变AGC电路的带宽，保证接收机的频率响应，在不同的功率范围下基本保持一致，达到自适应接收的目的。但这种方法实现起来比较困难，特别是对于STM-64及STM-16信号等的接收，由于信号速率较高，电路的分布参数比较难以控制，对AGC电路的带宽改变实现起来比较困难。在查到的现有的专利中还没有其它有效的解决此问题的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服应用现有技术的接收机对不同输入光功率的光信号接收能力不足的缺点，提供一种可实现对不同输入光功率自适应的光接收装置。

信号经过传输后会有损伤，特别是经过长距离WDM或SDH系统的传输。由于到达接收机时的信号发生劣化，这种劣化的信号，在不同的输入光功率进入接收机情况下，由于AGC电路的带宽不同，使得最佳的判决点随着输入光功率的变化而变化。

本发明的构思在于：首先测量一组不同输入光功率情况下接收机的最佳判决点的曲线，然后将接收机最佳判决点随着输入光功率的变化作为预设参数预先设定，接收机根据这些预设参数，再根据检测到的输入光功率，选择不同的判决点，就可以达到最佳接收的目的。

本发明是这样实现的：

光电转换器，由PIN(PIN Photodiode，PIN光电二极管)或APD(Avalanche Photodiode，雪崩光电二极管)器件实现，用于完成光信号到电信号的转换；

TIA(跨阻放大器)及AGC(Automatic gain control，自动增益控制)放大器，用于对输入信号进行自动增益的调节；

输入光功率检测电路，用于完成输入光信号的光功率检测功能；

限幅放大器，用于完成对电信号的放大及限幅输出，在输入电信号较小时完成信号的线性放大，在输入电信号较大时进行限幅输出，同时外加不同的电压或电流信号情况下，以改变限幅放大器的判决点；

时钟数据恢复电路，用于从输入的数据中提取出时钟，同时还完成数据的恢复；

其特征在于还包括检测及控制电路：

通过比较预先设定的光信号参数以及检测到的光信号参数，针对TIA及AGC放大器以及PIN或APD器件，对于经过长距离传输的光信号在不同输入光功率下的带宽变化引起的信号损伤进行补偿；

通过控制限幅放大器的判决点，使接收性能在不同的输入光功率下，实现大动态范围内自适应的接收。

所述PIN管接收过载光功率大于0dbm，灵敏度小于-21dbm；

所述APD管接收过载光功率大于-9dbm，灵敏度小于-31dbm。

检测及控制电路中所述预先设定的光信号参数，是通过测量一组不同输入光功率所得到的最佳判决点的曲线；

所述输入光功率最佳判决点曲线，可通过对光电转换器输入传输后的光信号，测量光电转换器输出的电眼图交叉点随入光功率变化情况得到。

检测及控制电路中所述预先设定的光信号参数，包括不同的调制格式，不同带宽下接收的最佳判决点。

所述检测及控制电路，通过比较预先设定的光信号参数和检测到的光信号参数，对限幅放大器的判决电平进行最优化控制。

所述检测及控制电路，通过接收光功率检测电路所输入的光功率检测电平与预设的光信号参数相比较，根据比较的结果控制调整限幅放大器的判决电平；

利用单电源运算放大器作比较放大器，根据测得的光电转换器最佳判决点曲线选择开启改变限幅放大器判决电平的电路的阈值光功率，以阈值光功率对应的输入光功率检测电平为参考电平，作为运放的负输入端信号；运放正输入端信号连接输入光功率检测电平处，若输入光功率超过阈值则输入光功率检测电平高于参考电平，改变限幅放大器判决电平的电路启动，比较放大器对输入光功率检测电平与参考电平差进行放大，输出信号接入限幅放大器正数据端，限幅放大器判决电平被拉低，限幅放大器的负数据端通过运放直接给低电平0V；

若输入光功率低于阈值则输入光功率检测电平低于参考电平，改变限幅放大器判决电平的电路未启动，比较放大器输出为低电平0V时，此时限幅放大器正负数据端都外加低电平0V，使得输出至限幅放大器的电平因电路的对称不影响接收机的灵敏度指标。

通过电阻分压得到预设的光信号参数，在一路运放LM324的两臂输入光功率与预设的光信号参数相比较，当输入光功率对应的检测电平超过预设电平时，改变限幅放大器判决电平的电路启动，随着光功率的强度的增加，限幅放大器的判决电平相应降低；

当所述运放输出为低电平0V时，另一路运放的输出也为低电平0V，使得输出至限幅放大器的电平因电路的对称不影响接收机的灵敏度指标。

在现有技术中，接收机的判决点基本保持不变，这样当接收的光信号光功率改变时，接收机的性能也会随之变化。采用本发明所述方法，与现有技术相比，提高了不同输入光功率下接收机的性能。

附图说明

图1是传统接收机的电路框图；

图2是传统接收机的带宽、AGC电压与输入信号幅度的关系图；

图3是本发明所述具有自适应功能接收机的电路框图；

图4是一种用于限幅放大器判决电平控制调整的具体实施电路图；

图5是一种经传输后进入接收机的光信号眼图；

图6是一种经传输后进入接收机由AGC电路输出的电信号眼图；

图7是另一种经传输后进入接收机AGC电路输出的电信号眼图；

图8是经传输后的信号最佳接收机判决点与输入光功率的关系图。

具体实施方式

本发明的关键是在传统接收机中增加用于对限幅放大器的判决点进行检测及控制的电路，通过比较预先设定的光信号的参数以及检测到的光信号参数，针对AGC电路以及接收机的其它器件，在不同输入光功率下的带宽变化进行补偿；通过控制限幅放大器的判决点，使整个接收机的接收性能在不同的输入光功率下，实现大动态范围内自适应的接收。

本发明所述的具有自适应功能的接收机由光电转换器(PIN或APD)、TIA及AGC放大器、输入光功率检测电路、限幅放大器、检测及控制电路、时钟数据恢复电路所组成。其中预先设定的光信号的参数，可以但不限于包括调制格式、经过传输后的光信号性能、接收机各个部分的频率响应、不同带宽下的接收机最佳判决点等；光电转换器由PIN或APD完成，完成光信号到电信号的转换；输入光功率检测电路完成输入光信号的光功率检测功能；限幅放大电器完成电信号的放大及限幅输出功能，在输入电信号较小时完成信号的线形放大功能，在输入电信号较大时进行限幅输出，同时外加不同的电压或电流信号情况下，可以改变限幅放大器的判决点；时钟数据恢复电路从输入的数据中提取出时钟，同时还完成数据恢复功能；检测及控制电路的功能包括以下几项，检测输入信号的光功率，TIA及AGC放大器输出电信号的幅度大小，APD或PIN器件上的反向偏压，利用这些信息及预先设定的光信号参数，对TIA及AGC放大器、光电转换器的偏置电压、限幅放大器的判决电压等进行最优化控制。

以下结合附图对本发明作进一步说明：

本发明特别用于长距离传输后，不同光功率输入下，光信号的最佳接收。

图1是传统的接收机框图。其中，AGC(Automatic Gain Control)为自动增益控制，由PIN或APD器件实现光电转换，CDR(Clock datarecovery)为时钟数据恢复电路。

电路工作时，光接收器件(PIN或APD)将光信号转换为电信号，信号幅值正比于光强度，由于光信号经过长距离传输衰减很大，转换过来的电信号就十分微弱，要经过放大再送入到CDR，在光接收器件内部一般都集成了TIA&AGC对信号进行前置放大，放大的结果输入到限幅放大器进行限幅后送入CDR恢复，从而完成对信号光的接收流程。

考虑到接收机已有的AGC功能，在不同的输入信号幅度时，AGC放大器放大倍数G_AGC是不同的，因此AGC放大器的带宽f_AGC是不同的，对于大信号输入时，AGC自动调小电路的增益，这时放大器的带宽会增大，AGC电路的带宽如下所示：

f_AGC×G_AGC＝增益带宽常数C

图2表示的就是这种带宽变化，具体是接收机的带宽、AGC电压与输入信号幅度的关系，其中：BW为接收机的带宽，V_AGC为AGC控制电压，Pin为输入AGC放大器的信号幅度。

图3是本发明所述具有自适应功能的接收机的框图。

与传统接收机相比引入了检测及控制电路，利用原有的输入光功率检测电路(由于输入光功率与光接收器件的光生电流成正比，将这个电流值转换为电压值，通过监测这个电压值的变化，就可检测到输入光功率的变化情况)，把输入光功率检测电平与预设参数相比较，根据比较的结果调整限幅放大器的判决电平。具体应用实例如图4所示。

图4为一种具体实施的用于对限幅放大器判决电平控制调整的电路。该电路参数适用于富士通的光接收器件，如：frm5w231bs，通过电阻R16和R18分压得到预设参数。在运放D1C的两臂上，输入光功率与预设参数相比较，当输入光功率对应的检测电平超过预设电平时，改变限幅放大器判决电平的电路启动，随着光功率的强度的增加，限幅放大器的判决电平会相应降低。

对于图4在设计时需要注意的是：

1、接收光器件的过载点处接收性能的改善，既通过降低限幅放大器交叉点后使SDH仪表测量测出的误码率降低；

2、同时还要保证接收机的接收灵敏度指标；

3、接收机的输入光功率在过载点与灵敏度点间变化时，要保证交叉点的平滑变化以防在突变时产生误码。

调节过载点：

因不同厂家，不同型号的光接收器件对于相同的输入光功率，其最佳接收判决交叉点是不同的。对此，首先要通过误码测量找出在哪个功率点开始改变接收机判决点，例如富士通的APD器件frm5w231bs，经实测在输入光功率为-15dbm时要改变交叉点。

结合图4详述对限幅放大器判决电平控制调整的过程如下：

根据实测结果，要在输入光功率为-15dbm时将交叉点下调，当接在限幅放大器DATA-上的参考电平为3V时误码最小，对于图4电路当D1C(LM324)的输出电平(8脚电平)为4V时即可实现这一点，对于LM324芯片其输出达到饱和这个条件就实现了，为实现这个条件将D1C正输入端，接在接收机内部固有输入光功率检测电路(当输入光功率为-20dbm时光功率检测电平为0.4V，当输入光功率为-15dbm时检测电平为0.6V)上，当接收机检测到输入光功率大于-15dbm后，运放D1C的正输入端电平为0.6V，减去由电阻R16和R18对2.5V基准电压分压得到的参考电平0.4V，(Vref＝R16/(R16+R18)*2.5V＝0.4V)，被100倍增益放大，运放D1C输出饱和，输出电平为4V，限幅放大器判决交叉点为最优，对于高于-15dbm的信号由于接近接收机过载光功率实际应用暂不再进一步补偿以简化电路。对于frm5231bs器件，在-20dbm开始补偿即可此时由电阻R16和R18分压得到的参考电平为0.4V，当光功率高于-20dbm时，运放正输入端电平高于0.4V，运放输出电平开始按比例升高，接收机判决电平开始下调，由于从-20dbm到-15dbm交叉点调整是平滑的避免了突变可能带来的误码。当输入光功率小于-20dbm时，运放的正输入端电平低于负输入端电平，运放输出低电平0V，此时运放D1D正输入端电平也低于负输入端电平输出同样为0V，加到限幅放大器DATA+和DATA-上的电平因电路对称匹配从而不影响接收机灵敏度指标。

对于不同的接收光器件，可通过调整电阻R16和R18的分压参数和电阻R10改变运放电路的增益来找到最佳工作状态。

图5是一种经传输后进入接收机的光信号眼图，这里接收机的光学带宽约为3倍信号速率，可以看出由于传输的影响，信号存在过冲，此时信号的上冲十分严重，眼图的无误码区、交叉点非常低。

图6是这种传输后的信号经过接收机接收后，从AGC电路输出的电信号眼图，这里输入光功率较小，AGC处于线形工作区，由于接收器件的带宽此时较窄，无误码区，和交叉点接近限幅放大器的判决点1/2。

图7是这种传输后的信号经过接收机接收后，从AGC电路输出的电信号眼图，这里输入光功率较大，AGC处于饱和区，由于接收器件的带宽此时较宽，无误码区，和交叉点较低。

可以看出，不同的输入光功率情况下，由于接收机的带宽不同，接收机的最佳判决点是不同的，图8表示的是这种经传输后信号的接收机最佳判决点随着输入光功率的变化关系。

采用本发明所述方法，与现有技术相比，提高了不同输入光功率情况下接收机的接收性能，可以实现接收机，对不同输入光功率的最佳化接收。

Claims (5)

1.一种实现对不同输入光功率自适应的光接收装置，包括：

光电转换器，由光电二极管或雪崩光电二极管器件实现，用于完成光信号到电信号的转换；

跨阻放大器及自动增益控制放大器，用于对输入信号进行自动增益的调节；

输入光功率检测电路，用于完成输入光信号的光功率检测功能；

限幅放大器，用于完成对电信号的放大及限幅输出，在输入电信号较小时完成信号的线性放大，在输入电信号较大时进行限幅输出，同时外加不同的电压或电流信号情况下，以改变限幅放大器的判决点；

时钟数据恢复电路，用于从输入的数据中提取出时钟，同时还完成数据的恢复；

其特征在于还包括检测及控制电路：

通过比较预先设定的光信号参数以及检测到的光信号参数，针对跨阻放大器及自动增益控制放大器以及光电二极管或雪崩光电二极管器件，对于经过长距离传输的光信号在不同输入光功率下的带宽变化引起的信号损伤进行补偿；

通过控制限幅放大器的判决点，使接收性能在不同的输入光功率下，实现大动态范围内自适应的接收；

所述光电二极管接收过载光功率大于0dbm，灵敏度小于-21dbm；

所述雪崩光电二极管接收过载光功率大于-9dbm，灵敏度小于-31dbm。

2.如权利要求1所述实现对不同输入光功率自适应的光接收装置，其特征在于：

检测及控制电路中所述预先设定的光信号参数，是通过测量一组不同输入光功率所得到的最佳判决点的曲线；

所述输入光功率最佳判决点曲线，可通过对光电转换器输入传输后的光信号，测量光电转换器输出的电眼图交叉点随入光功率变化情况得到。

3.如权利要求1所述实现对不同输入光功率自适应的光接收装置，其特征在于：

检测及控制电路中所述预先设定的光信号参数，包括不同的调制格式，不同带宽下接收的最佳判决点。

4.如权利要求1所述实现对不同输入光功率自适应的光接收装置，其特征在于：

所述检测及控制电路，通过比较预先设定的光信号参数和检测到的光信号参数，对限幅放大器的判决电平进行最优化控制。

5.如权利要求4所述实现对不同输入光功率自适应的光接收装置，其特征在于：

所述检测及控制电路，通过接收光功率检测电路所输入的光功率检测电平与预设的光信号参数相比较，根据比较的结果控制调整限幅放大器的判决电平；

利用单电源运算放大器作比较放大器，根据测得的光电转换器最佳判决点曲线选择开启改变限幅放大器判决电平的电路的阈值光功率，以阈值光功率对应的输入光功率检测电平为参考电平，作为运放的负输入端信号；运放正输入端信号连接输入光功率检测电平处，若输入光功率超过阈值则输入光功率检测电平高于参考电平，改变限幅放大器判决电平的电路启动，比较放大器对输入光功率检测电平与参考电平差进行放大，输出信号接入限幅放大器正数据端，限幅放大器判决电平被拉低，限幅放大器的负数据端通过运放直接给低电平0V；

若输入光功率低于阈值则输入光功率检测电平低于参考电平，改变限幅放大器判决电平的电路未启动，比较放大器输出为低电平0V时，此时限幅放大器正负数据端都外加低电平0V，使得输出至限幅放大器的电平因电路的对称不影响接收机的灵敏度指标。

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