CN203708257U - 具有错误诊断功能的低成本光模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有错误诊断功能的低成本光模块,包括用于接收光信号的光接收器、用于发射光信号的激光器以及一颗集成有激光驱动器和接收信号限幅放大器的收发一体芯片;所述收发一体芯片连接所述的激光器和光接收器;所述收发一体芯片自带错误监测功能,在监测到系统工作状态异常时,生成报错信号通过接口对外输出。本实用新型采用单芯片方案,在没有单片机的基础上实现了光模块的接收、发射和错误监测报警功能,不仅在电路设计上简化了PCB走线,节约了空间,降低了硬件成本;而且,一体化的电路设计避免了传统多芯片方案中芯片之间软硬件配合出现的问题,增强了光模块工作的稳定性,使得芯片资源的利用率最大最优化。
Description
技术领域
本实用新型属于光通信技术领域,具体地说,是涉及一种应用在光通信链路中的光收发模块的电路结构设计。
背景技术
当今世界范围内对EPON ONU(Optical Network Unit,光网络单元)光模块的海量需求,使得成本控制在EPON ONU 光模块研发生产过程中显得尤为重要。不同的客户对光模块的功能需求各不相同,有的需要光模块具有错误诊断功能,有的需要光模块具有光功率监测功能,还有的需要光模块具有接收信号强度的指示功能RSSI,等等。无论需要光模块具备哪种数字诊断功能,在光模块的硬件电路设计中,目前普遍采用的方法都是使用激光驱动器、接收信号限幅放大器、单片机等芯片配合简单的外围电路组建而成,利用单片机的数据处理功能完成各种数字诊断任务。
这种传统的硬件设计方案由于需要使用单片机进行电路设计,因此硬件成本明显升高。同时,多芯片的设计方案引入了更多的引脚走线,增加了PCB板的信号层数,为PCB板的布线设计带来了较大的困难。
发明内容
本实用新型针对现有基于单片机设计的光模块,电路结构复杂、成本高的问题,提出了一种低成本的光模块,在无需使用单片机的基础上,实现了光模块的错误诊断功能。
为解决上述技术问题,本实用新型采用以下技术方案予以实现:
一种具有错误诊断功能的低成本光模块,包括用于接收光信号的光接收器、用于发射光信号的激光器以及一颗集成有激光驱动器和接收信号限幅放大器的收发一体芯片;所述收发一体芯片连接所述的激光器和光接收器;所述收发一体芯片自带错误监测功能,在监测到系统工作状态异常时,生成报错信号通过接口对外输出。
本实用新型的光模块在无需使用单片机的基础上,实现了光信号的接收、发射和错误诊断三大功能,在有效降低硬件成本的基础上,简化了PCB板的布线设计。
进一步的,在所述接口中设置有报错信号输出引脚和控制信号输入引脚,通过收发一体芯片输出的报错信号经由所述的报错信号输出引脚对外输出;外部根据报错信号生成的用于控制激光器打开或者关闭的控制信号,经由所述控制信号输入引脚传输至所述的收发一体芯片。
为了对收发一体芯片的运行程序以及运行过程中产生的数据进行存储,在所述光模块中还设置有存储器,通过总线连接所述的收发一体芯片。
优选的,所述存储器优选采用EEPROM,通过I2C总线连接所述的收发一体芯片。
进一步的,所述收发一体芯片通过数据线连接所述接口,接收外部输入的发送数据,并生成偏置电流和调制电流输出至所述的激光器,驱动激光器发射光信号。
其中,所述激光器可以采用内部仅集成有发光二极管的激光器进行电路设计,无需封装背光检测二极管,由此可以进一步降低电路成本。
又进一步的,所述光接收器将接收到的光信号转换成差分形式的电信号,经由隔直电容传输至所述的收发一体芯片。
再进一步的,所述光接收器根据接收到的光信号产生与之对应的响应电流,并将所述响应电流通过采样保持电路传输至所述的收发一体芯片,以用于计算平均接收光功率。
更进一步的,在所述采样保持电路中包含有一电容,所述电容的正极分别与光接收器的响应电流输出端和收发一体芯片的ADC端口相连接,负极接地,对光接收器输出的响应电流进行采样保持。
优选的,所述光模块优选为基于Turbo EPON网络的ONU光模块。
与现有技术相比,本实用新型的优点和积极效果是:本实用新型的光模块采用自带错误监测功能的收发一体芯片代替激光驱动器、接收信号限幅放大器和单片机等独立芯片,完成传统设计中必须由多个芯片协同工作才能实现的光信号接收、光信号发射以及错误诊断三大功能,不仅在电路设计上简化了PCB走线,节约了空间,降低了硬件成本,增加了光模块工作的稳定性;而且,一体化的电路设计避免了传统多芯片方案中芯片之间软硬件配合出现的问题。同时,专业化更具目的性的专用型芯片的使用节约了无用芯片资源的浪费,使得芯片资源的利用率最大最优化。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后,本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的具有错误诊断功能的低成本光模块的内部电路的一种实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
随着光网络技术的快速发展,具有数字诊断功能的光模块是近年来市场上的主流产品。为了实现数字诊断功能,传统的光模块在电路设计上都是额外增设一颗单片机,配合电路中原有的激光驱动器、接收信号限幅放大器等芯片进行电路的整体设计,实现平均光功率、消光比、接收信号强度指示等数字诊断功能。这种电路设计方案由于需要采用多颗芯片配合完成,因此电路结构复杂,成本高,而且芯片之间在软硬件配合方面经常会出现问题,从而导致误动作的产生,影响光模块运行的稳定性。而且,对于某些客户来说,对光模块的功能要求并不完全相同,有些客户可能只需要光模块具备错误诊断功能,其他监控功能并不需要。但是,目前的光模块设计方案,对于这种有特殊需求的客户,仍然是沿用传统基于单片机的多芯片设计方案来实现单一的数字诊断任务,不仅造成了资源的严重浪费,而且也丧失了产品在价格竞争中的优势。
针对目前在数字诊断方面仅要求错误监控报错功能的特殊光模块使用群体,本实施例采用一颗集成有激光驱动器和接收信号限幅放大器、并自带错误监测功能的收发一体芯片U1代替传统光模块设计中的激光驱动器、接收信号限幅放大器和单片机,完成光模块的发射、接收和错误诊断功能,参见图1所示。由于在电路设计上省去了单片机的使用,因此电路结构更加简单,硬件成本大幅降低,在满足该类客户对光模块的功能需求的同时,显著降低了该类客户的购置成本,在市场竞争中更具有价格优势。
下面结合图1,对本实施例所提出的光模块的具体电路组建结构及其工作原理进行详细地阐述。
参见图1所示,本实施例的光模块在其内部电路设计上主要设置有收发一体芯片U1、激光器BOSA、光接收器PIN等主要组成部分。其中,所述收发一体芯片U1选用一颗自带错误监测功能的集成芯片进行电路设计,连接所述的激光器BOSA和光接收器PIN,实现对激光器BOSA的驱动控制以及对光接收器PIN转换输出的接收信号的采集和限幅放大处理等任务。由于本实施例所选用的收发一体芯片U1自身集成有错误监测功能,因此可以根据接收到的外部参数自动判断光模块的工作状态是否正常,并根据诊断结果生成相应的报错信号,通过收发一体芯片U1的相应管脚输出至光模块的外围接口,进而通过该接口对外输出,实现光模块的自动报错功能。
为了实现所述收发一体芯片U1对光模块工作状态的准确监测,在所述收发一体芯片U1与外围电路的具体线路连接设计上,本实施例将收发一体芯片U1的一对差分信号端连接光模块接口的数据传输引脚DATA,接收外部主机发出的发送数据或者控制指令,并将通过光接收器PIN转换输出的接收信号发送至外部主机,实现网络数据的双向传输。将收发一体芯片U1的偏置电流输出端和调制电流端子分别连接至激光器BOSA的负端,将所述激光器BOSA的正端连接直流电源VCCT,并通过滤波电容C10接地。当用户需要发送数据时,收发一体芯片U1中的激光驱动器首先产生偏置电流Ibias,作用于激光器BOSA中的发光二极管,驱动发光二极管发光。与此同时,主机传送过来的发送数据输入到激光驱动器,进而生成调制电流Imod调制到偏置电流Ibias上,通过控制激光器BOSA中发光二极管的导通程度来改变其发光强弱,进而将数据信号转变成光信号,通过光纤线缆传送至局端。
考虑到激光器的典型阈值电流在温度由低温升高到高温的过程中,激光器的阈值电流会升高大约20毫安。由于阈值电流的升高,为了保持同样的平均光功率输出,激光器的电流就需要增大;反之,如果对激光器的阈值升高不进行补偿的话,就会导致平均光功率产生很大的变化。对于光功率的补偿问题,传统的双芯片设计方案需要增加自动功率控制回路,形成闭环控制回路,利用激光器封装的背光检测二极管产生的背光电流,调节激光驱动器产生的偏置电流Ibias,以达到光输出功率的恒定。而采用本实施例所提出的单芯片设计方案,则可以采用开环模式实现,即利用光功率补偿查表的方法来补偿光功率随温度变化而产生的变化,从而使得光功率在高低温的环境下都能保持恒定,避免了自动功率控制回路的使用,简化了电路结构。
由于采用单芯片设计方案后,无需采集背光检测二极管产生的背光电流即可解决光功率的补充问题,因此,在选择激光器BOSA时,可以采用仅封装有发光二极管而无背光检测二极管的激光器元件进行电路设计,由此可以达到进一步降低光模块硬件成本的设计目的。
在光信号的接收方面,光接收器PIN通过其内部的光敏二极管接收通过光纤输入的光信号,并将光信号转换成电信号后,通过其差分数据输出端OUT 、-OUT输出。通过光接收器PIN输出的差分数据信号各自经由一路隔直电容C1、C2隔离掉其中的直流成分后,输入到收发一体芯片U1中的限幅放大电路,以对接收到的差分数据信号的幅值进行放大处理,然后输出至后续电路。
在接收光功率监控方面,光接收器PIN通过其内部的光敏二极管接收通过光纤输入的光信号,进而产生与之对应的响应电流Ipd。将所述响应电流Ipd通过采样保持电路传输至收发一体芯片U1,优选传输至收发一体芯片U1的ADC端口,进而通过收发一体芯片U1内置的模数转换器ADC转换成数字量,以用于连续模式下平均接收光功率的监测。
在本实施例中,所述采样保持电路可以采用一颗与收发一体芯片U1外接的电容C3配合收发一体芯片U1的内置电阻组成,将电容C3的正极分别与光接收器PIN的响应电流输出端和收发一体芯片U1的所述ADC端口相连接,负极接地。利用所述电容C3在对光接收器PIN输出的响应电流Ipd进行采样保持的同时,还可以对响应电流Ipd起到低通滤波的作用,以滤除干扰脉冲。利用收发一体芯片U1的内置电阻可以将电流信号转换成电压信号,并通过对其阻值进行合理的配置,以满足收发一体芯片U1的ADC端口所支持的输入电平的范围要求。
在所述收发一体芯片U1的内部还可以进一步集成有温度传感器和电压检测电路,利用温度传感器可以检测光模块的工作温度,利用电压检测电路可以检测光模块的供电电压。所述收发一体芯片U1根据检测到的模块温度、供电电压大小以及接收到的响应电流Ipd和偏置电流Ibias大小等参数,可以实现对光模块工作状态的实时监测,具体可以实现偏置电流Ibias过流报错,温度过高报错,电压基准出错,模块供电电压异常等错误诊断功能。其中,在判断光模块的工作温度是否过高时所需使用的最大温度极限值以及在判断偏置电流Ibias是否过流时所需依据的偏置电流最大值等设定阈值,可以通过收发一体芯片U1的内部寄存器进行设置。
所述收发一体芯片U1根据检测结果,生成相应的报错信号传输至光模块连接外部主机的接口,具体可以连接所述接口中定义的报错信号输出引脚fault out,通过所述的报错信号输出引脚将报错信号传输至外部主机,以及时向外部主机传达光模块的内部状态,使主机可以在第一时间确认光模块是否已经工作在不正常的状态,以避免数据在传输过程中发生损失。此外,当主机得知光模块出现错误后,会及时生成控制信号,通过所述接口中定义的控制信号输入引脚fault in发送至收发一体芯片U1,以通过收发一体芯片U1及时控制激光器BOSA关闭,进而避免该故障光模块影响到其他ONU链路的正常工作。当主机根据接收到的报错信号判断该光模块的工作状态恢复正常后,输出控制信号通知收发一体芯片U1打开激光器BOSA,以使该光模块重新投入运行。
另外,在本实施例的收发一体芯片U1的外围还可以配置一颗小容量的存储器,本实施例以EEPROM存储器为例进行说明,参见图1所示,其容量可以根据实际需要具体选择,并优选采用I2C总线的方式与收发一体芯片U1连接通信。在EEPROM的内部可以划分出程序存储区和数据存储区,收发一体芯片U1通过I2C总线可以从EEPROM中上载程序和传输数据,以满足运行需要。
此外,传统的双芯片设计方案采用通过MCU模拟I2C接口的方法与激光驱动器进行通信。这种通过软件模拟I2C接口的方法不够稳定,同时MCU对激光驱动器的智能控制由于I2C接口的速率瓶颈也会造成了时间上的延迟,这种延迟性的控制对于工作在发射1.25G、接收2.5G速率的激光驱动器来说,控制反应略显滞后。而采用本实施例所提出的自带错误诊断功能的收发一体芯片U1的设计方案,则可以通过芯片内部寄存器实现对激光器驱动部分的直接控制,从而达到快速控制响应的目的。这种快速控制的优势还体现在寄存器可以根据实时监控到的收发模块的温度、供电电压和激光偏置电流、调制电流的情况,来对激光器驱动部分进行及时的控制,保证光模块的无故障运行。
本实施例所提出的光模块单芯片设计方案集成度高,成本低,外围器件使用少,为日益小型化的光模块提供了更多的布线空间,从根本上解决了目前选用独立单片机来实现错误诊断功能的光模块的诸多劣势,例如价格高、可选型号少、稳定性差等,在满足客户对光模块的错误诊断功能需求的同时,大幅降低了电信运营商、通信设备商的购置成本。
本实施例所提出的光模块电路设计方案优选应用在Turbo EPON ONU光模块中,当然,对于应用在局端的EPON OLT(光线路终端)光模块也同样适用,本实施例对此不进行具体限制。
应当指出的是,上述说明并非是对本实用新型的限制,本实用新型也并不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有错误诊断功能的低成本光模块,包括用于接收光信号的光接收器和用于发射光信号的激光器,其特征在于:还包括一颗集成有激光驱动器和接收信号限幅放大器的收发一体芯片,连接所述的激光器和光接收器;所述收发一体芯片自带错误监测功能,在监测到系统工作状态异常时,生成报错信号通过接口对外输出。
2.根据权利要求1所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:在所述接口中设置有报错信号输出引脚和控制信号输入引脚,通过收发一体芯片输出的报错信号经由所述的报错信号输出引脚对外输出;外部根据报错信号生成的用于控制激光器打开或者关闭的控制信号,经由所述控制信号输入引脚传输至所述的收发一体芯片。
3.根据权利要求1所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:在所述光模块中还设置有存储器,通过总线连接所述的收发一体芯片。
4.根据权利要求3所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:所述存储器为EEPROM,通过I2C总线连接所述的收发一体芯片。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:所述收发一体芯片通过数据线连接所述接口,接收外部输入的发送数据,并生成偏置电流和调制电流输出至所述的激光器,驱动激光器发射光信号。
6.根据权利要求5所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:在所述激光器中仅设置有发光二极管。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:所述光接收器将接收到的光信号转换成差分形式的电信号,经由隔直电容传输至所述的收发一体芯片。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:所述光接收器根据接收到的光信号产生与之对应的响应电流,并将所述响应电流通过采样保持电路传输至所述的收发一体芯片。
9.根据权利要求8所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:在所述采样保持电路中包含有一电容,所述电容的正极分别与光接收器的响应电流输出端和收发一体芯片的ADC端口相连接,负极接地。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的具有错误诊断功能的低成本光模块,其特征在于:所述光模块为基于Turbo EPON网络的ONU光模块。
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