专利名称：突发模式光信号功率的测量电路的制作方法
技术领域：
本发明是关于光通信技术领域中用于测量光输入功率的电路，涉及点到多 点的光网络比如无源光网络的一种突发模式的光信号的功率测量电路。
背景技术：
基于无源光网络技术的接入网建设是近年来光通信行业的一大亮点，无源
光网络是一个点到多点系统， 一个光线路终端(0LT)与多个光网络终端(0NT) 通过树形光纤链路连接，不仅共享了部分的光纤链路资源同时也分摊了光线路 终端(OLT)成本，而且光线路终端(0LT)的成本中途不需要有源器件，大大
降低了建网和维护成本。
在无源光网络(PON)中，在上行方向从各网络用户单元(ONU)到光线路终端 (0LT)的数据传输采用时分多址(TDMA)的方式，也是突发数据包的传输。突发模
式光信号与常规的通信系统的光信号不同点主要是:信号幅度不均衡;数据流中 相位也不均衡;有长的连"0"和连"1"。无源光网络(PON)系统由于各个0NU 的位置不同、距离不同、光线路状态不同，到达0LT的各个0NU光信号幅度不 一，要求0LT的接收部分为突发式、高动态范围。无源光网络的网络结构非常 简单，其技术上的复杂性主要在于信号处理技术。在下行方向，光线路终端(0LT) 发出的信号是广播式发给所有的多个光网络终端(ONT)(单点发送，多点接收)， 各用户需要从中取出发给自己的数据。在上行方向，由于多个光网络终端(ONT) 共享一根干路光纤(多点发送，单点接收)，采用TDMA(Time Division Multiple Access时分多址访问)方式，来避免发生信号冲突，实现多用户对共享传输通道 的访问(如图6)，这样多个光网络终端(ONT)就必须工作在突发模式下。如图 6所示在类似于XP0N采用时分复用(TDM)的点到多点系统，光网路终端ONT的上行数据工作在突发模式下，由于光网路终端0NT的位置不同，所以常常需要 检测光网路终端ONT突发的发光功率，光网络终端(0NT)的发光时隙由光线路 终端(OLT)分配，最短的发光时间在数百纳秒(比如GEP0N810ns， GPON410ns)。 这种特殊的工作方式决定了普通的光功率计不能测量光网络终端ONT的发光功 率，必须寻找一种突发的光信号功率测量电路，在数百纳秒的时间以内获取突 发的光功率值，本发明提出了一种突发模式光信号功率的测量电路可以满足这 一要求。
在现有的技术中，有的将光电探测器的光电流转换为电压信号之后采用比 较器设定阈值产生有无突发光功率输入的触发条件的方式来进行突发采样，但 是为了保证至少30dB以上的输入光信号功率动态范围，当模数转换满量程为 2.5V时，当系统位于灵敏度附近时，光功率对应的电压值仅仅只有2.5mV,此 时比较器设置的阈值电平早已进入噪声门限，使得系统的工作难以稳定工作。 同时单级增益的放电电路也很难满足大范围的测量要求。也有采用电流-电压型 的对数放大器来进行突发采样的技术方案，但是由于电流-电压型对数放大器的 响应时间较长(几个微秒到几百微秒)，即使使用假负载的方式也很难込到数百 纳秒，难以满足实际的测试需求，所以目前的技术方案中还难以行之有效的解 决突发光信号功率测量。
发明内容
本发明提出的一种突发模式光信号功率的测量电路，该电路可以测量数百 纳秒长度的光信号功率，并且不使用昂贵的高速器件，在降低成本的同时实现 了低功耗，适合于手持式设备采用。
本发明的上述目的是这样实现的，本发明提供的一种突发模式光信号功率测 量电路，包括， 一个光电检测器电源，用于为光电检测器提供直流偏置， 一个 镜像电流源，用于产生与光电探测器的平均光电流成比例的镜像电流，后续电 路，其特征在于，该后续电路被镜像电流源分成信号通路部分和光功率突发检测部分，在信号通路部分，光电流通过光电探测器，经跨阻放大器和突发检测 电路，产生突发检测信号，该信号用于触发时序产生电路产生采样保持和数模
转换的控制时序；在光功率突发检测部分，放大电路将镜像电流转变成电压信 号，使连接时序产生电路的采样保持电路和模数转换电路在控制时序的控制下， 完成光功率的突发检测，并通过与模数转换电路和放大电路相连的微处理器， 将模数转换的电压信号映射成为对应的光功率值，并通过显示电路显示。
本发明的有益效果在于，本发明通过光功率突发检测部分和信号通路部分， 通过光功率突发检测部分可以获取光功率值。通过信号通路部分，可获取突发 检测信号(Burst—Detect)用于产生采样保持和模数转换的控制时序(Control Signal),在控制时序(Control Signal)的作用下，采样保持和模数转换电路协 作工作，实现对突发模式光功率的检测。由于光信号是突发模式的，所以信号 通路中跨阻放大器TIA需要是突发模式TIA可以在几十个ns的时间内将光信号 转变为电信号，实现了数百纳秒内测试突发光功率的电路。突发检测电路可以 采用差分信号产生突发检测信号(Burst—Detect),共模噪声抑制能力强，测试 的突发光功率可以延展到较小的光功率，系统稳定性大大加强。
本发明中包含的放大电路具备多级增益，可实现大范围高精度的测量。可 以使用负载电阻将镜像电流转变为电压再加上电压放大器或跟随器的方式增加 增益和驱动能力，也可以使用跨阻放大器的方式将电流信号转变为电压信号的 方式，可以将光电流在数百纳秒量级转换成对应成比例的电压信号。
本发明中包含的时序产生电路和采样保持电路和模数转换电路，在时序产 生电路的控制下，采用保持电路将突发的瞬态信号保持下来，大大降低了后续 的采样和微处理器电路的速度要求。
发明中的光电探测器可以选择的光电二极管(PIN)，或者雪崩光电二极管 (APD)，用直流到直流的升压电源(DC-DC booster)将电压升高，同时使用温 度补偿电路为APD提供温度补偿保证雪崩光电二极管(APD)具有固定的响应度。本发明中突发检测电路将电压信号转变为直流电压信号，再使用比较器产生 突发检测信号，对于突发检测电路而言差分的电压信号具有抗干扰能力强的特 点，大大地延展的测量的动态范围。但是本发明所展示的电路不仅仅限于使用 差分的连接方式产生突发检测信号，单端连接方式仍然可以实现电路功能，但 是容易受到噪声干扰。 ,鹏
为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描
述本发明，其中
图1描述了根据本发明电路组成突发检测电路原理的一个实施例。 图2描述了根据本发明电路第二个实施例的突发检测电路原理图。 图3描述了根据本发明电路第三个实施例的突发检测电路原理图。 图4是图3和图4中时序产生电路产生的时序波形图。 图5是根据本发明电路的微处理器多级增益选择的算法流程。 图6描述了现有技术FTTX系统框图。
具体实施例方式
图l描述了本发明信号功率突发检测电路的一个实施例，其中 光电探测器电源U1为光电探测器(U3)提供电压偏置；
放大电路U7，将镜像电流被转变成电压信号，该电压信号与光信号功率对 应成比例。放大电路具有多级增益，在微处理器的增益控制信号(Gain—Control Signal)的控制下选择不同增益大小。
跨阻放大器U3与光电探测器U3相连接，并将光电流转变为差分的电压信
号；
突发检测电路U5，用于接收上述跨阻放大器的电压信号，并产生突发检测 信号；时序产生电路U6，与突发检测电路(U5)连接，在突发检测信号的触发下 产生控制时序(Control Signal);
采样保持电路U8，在控制时序(Control Signal)的作用下，将瞬态的与光
信号成比例的电压信号保持下来，等待模数转换电路的转换。
模数转换电路U9，在控制时序(Control Signal)的作用下，完成电压信号
的采样和模数转换，并将数模转换的结果送到微处理器中。
微处理器UIO，根据数模转换的结果分析放大电路的增益是否选择适合，对 增益合适的，则进行对应电压与光功率的转换。并驱动显示电路显示出来。
其中，光电探测器电源通过镜像电流源将光电探测器的光电流和镜像电流 分开，分别向光功率突发电路和信号通道电路提供镜像电流和光电流。光电流 通过跨阻放大器和突发检测电路，产生突发检测(Burst—Detect)信号，该信 号用于触发时序产生电路产生采样保持和数模转换的控制时序(Control Signal),镜像电流 与光探测器平均光电流成比例。光电探测器可以选择光电二 极管(PIN)，或者雪崩光电二极管(APD)，对应光电二极管PIN的电源为VCC，而 雪崩光电二极管APD需要较高压(30 70V)，通常使用直流到直流的升压电源 (DC-DC booster)将电压升高，同时使用温度补偿电路为APD提供温度补偿保 证雪崩光电二极管(APD)具有固定的响应度。与镜像电流源一端相连的放大电 路将镜像电流转变为电压信号。放大电路，用于将镜像电流转化为电压信号， 在实现方式上可以使用负载电阻将镜像电流转变为电压再加上电压放大器或跟 随器的方式增加增益和驱动能力，或者使用跨阻放大器的方式将电流信号转变 为电压信号。连接在放大电路与微处理器之间的采样保持电路和模数转换电路 模数转换器，模数转换电路在控制时序(Control Signal) (Control Signal)的 控制下，在釆样保持电路进入采样保持阶段之后，进行模数转换。微处理器用 于将模数转换的电压数据映射成为光功率值，并控制显示电路显示，同时提供 增益控制信号(Gain—Control Signal),用于放大电路的多级增益选择。本发明上述实施例中所描述的突发检测电路可以使用光纤通信常见的限幅
放大器的信号丢失(LOS)或者信号探测(SD)产生Burst—Detected信号，也 可以常用基于对数放大器的射频检测器(RF Detecter)将电压信号转变为直流 电压信号，再使用比较器产生突发检测信号，对于突发检测电路而言差分的电 压信号具有抗干扰能力强的特点大大地延展的测量的动态范围。但是本发明所 展示的电路不仅仅限于使用差分的连接方式产生突发检测信号，单端连接方式 仍然可以实现电路功能，但是容易受到噪声干扰。
在上述图1中，光电探测器电源Ul通过镜像电流源U2，为光电探测器U3 提供电压偏置。光电探测器U3在电压偏置的作用下，将光信号转变为光电流信 号。镜像电流源U2将对应光电探测器U3平均光电流成比例地产生镜像电流。 跨阻放大器U4与光电探测器U3相连接，并将突发的光电流信号转化为差分或 单端的电压信号，当突发检测电路U5接收到单端或差分的电压信号，产生突发 检测信号Burst—Detect 。
时序产生电路U6与突发检测电路U5连接，可以使用计数器的方式产生， 或者使用单稳态电路搭建。该电路用于产生必要的时间延迟确保镜像电流源， 以及后端的放大电路采样保持电路的达到稳态，同时产生控制时序(Control Signal),用于采样保持电路和模数转换电路的状态控制。在突发检测信号 (Burst—Detect)的触发下产生图4所示的控制时序(Control Signal)。图4 所表示的控制时序(Control Signal)信号是数字逻辑信号，根据所选用的模数 转换电路和采样保持电路的差异图4所示的电压信号可能反相。镜像电流源U2 产生镜像电流经过放大电路U7的处理被转变成了电压信号，该电压信号与光信 号功率对应成比例。采样保持电路在控制时序(Control Signal)的控制下，在 突发光信号初期，对放大电路的电压进行采样，在放大电路的电压信号稳定后 在控制时序(Control Signal)的控制下进入采样保持状态，使得随后的模数转 换过程和电压功率转换过程与突发模式的光信号无关。采样保持电路U8在控制时序(Control Signal)的作用下，将瞬态的与光信号成比例的电压信号保持下 来，等待模数转换电路的转换，数模转换的结果送到微处理器中，微处理器根 据数模转换的结果分析放大电路U7的增益部分是否选择适合，如果放大电路U7 的增益部分偏大或者偏小，微处理器将控制增益控制信号(Gain—Control Signal),选择更小或者更大的放大增益，直至数模转换的转换结合满足要求。 如果分析的结果的放大电路U7的增益合适，则进行对应电压与光功率的转换， 并驱动显示电路显示出来(参照图5)。
在图2所示的优选实施例中，直流电源Vcc U31与镜像电流源U2连接，镜 像电流源U2的光电流输出端与光电二极管U33连接为其提供直流偏置，U33与 跨阻放大器U4 VSC7716连接，U4输出的差分信号送到突发检测电路U35 SY88903 中，SY88903的信号丢失(LOS)管脚送到U361单稳态触发器中/A管脚，时序 产生电路由两个单稳态触发器U361和U362构成，产生图4中控制时序(Control Signal)。镜像电流源的镜像电流通过开关K31-K33和电阻R33-R35阵列，转变 为电压信号，放大器U37 AD8029将增加电压信号的驱动能力并将采样保持电路 U38与开关K31-K33电阻R33-R35阵列隔离开。放大器U37 AD8029的输出信号 与U38采样保持电路输入端连接，U38的控制端与时序产生电路产生的控制时序 (Control Signal)连接。U38采样保持电路的输出端与模数转换电路U39连接， U39在控制时序(Control Signal)下完成模数转换功能，U39是微处理器U310 ADuc7020的一个子电路。ADuc7020产生增益控制信号(Gain—Control Signal) 与K31-K33的控制端连接，控制开关闭合。显示电路Ull与微处理器U310 ADuc7020连接用于显示突发光功率检测结果。
直流电源Vcc通过镜像电流源U32给光电二极管U33提供偏置。跨阻放大 器U34使用跨阻放大器VSC7716芯片。突发检测电路U35使用限幅放大器SY88903 芯片的信号丢失(LOS)产生。时序控制电路由两个单稳态触发器SN741vclg123产生。控制时序(Control Signal)的延迟部分中的采样阶段由图4所示的电阻 R31，电容C31数值决定。采样保持部分由电阻R32,电容C32的数值决定。放 大电路由三个开关、电阻和U371—个运算放大器AD8029构成。其中，三个开 关K31, K32， K33在增益控制信号(Gainj:ontro1 Signal)下选择是否闭合。电 阻R33〉R34〉R35分别表示了不同的增益大小。运算放大器AD8029连接成增益为 1的跟随器，起到增强驱动能力和隔离作用。采样保持电路由分离器件开关K34， 电容C33组成。当电容C33充电完成之后控制时序(Control Signal)从低电平 转换为高电平控制K34断开,与此控制时序(Control Signal)触发微处理器U310
(ADuc7020)。微处理器Aduc7020控制其模数转换部分U39开始工作，实现模 数转换。微处理器ADuc7020得到模数转换结果后会按照图5所表示的方式判断 是否需要调整放大电路增益，控制增益控制信号(Gain—Control Signal)控制开 关K31 K33，选择适合增益，直到完成测试。微处理器ADuc7020得到符合要求 的数据结果之后，按照当前选择的增益类型选择电压光信号功率映射关系，将 信号电压转变为光信号功率，并将其显示在显示电路上。
在图3所示的另一个优化实施例中，与第二优化实施实例不同的是光电探 测器部分选用了雪崩光电二极管U43 (APD)，对应的光电二极管电源选用了直流 到直流的型号为MAX5026的升压芯片U41 (DC-DC booster), U4101是U310微 处理器MCU内部的数模转换电路(DAC)或者脉宽调制电路(PWM)，它决定升压 芯片U41输出的雪崩光电二极管(APD)偏置电压值，根据MCU内部的温度传感 器的反馈，数模转换电路或者脉宽调制电路U4101调整输出电压实现雪崩光电 二极管U43的温度补偿，保证在电路工作温度范围内的光器件的响应度保持恒 定。时序控制电路也由微处理器U410 (MCU)内部的计数器电路U4102构成，产 生图4所表述的时序控制信号，放大电路部分采用跨阻放大器方式实现，由放 大电路U471 ( AD8t)29)，开关K41、 K42、 K43和电阻R43、 R44、 R45构成。计
数器电路U4102产生的控制时序(Control Signal)控制采样保持电路U48进行采样保持，同时触发微处理器启动模数转换电路U4103。
在图4描述的控制时序(Control Signal)的波形图中，当光电探测器接收 到光网络终端突发发射的光信号，突发检测电路将产生一个低电平的突发检测 信号，表示已经检测到了突发的光信号。突发检测信号将触发时序产生电路产 生控制时序(Control Signal),时序产生电路首先保持低电平延时等待与光功 率对应成比例的检测电压信号(V—N0N)达到稳态，此时采样保持电路处于采样 阶段，然后时序产生电路产生高电平脉冲，高电平脉冲将使釆样保持电路进入 采样保持状态，此时检测电压信号(V_M0N)将保持不变，与输入的光信号就不 相关了，高电平的脉冲同时触发模数转换电路工作，实现检测电压信号(V_M0N) 的模数转换。由于采样保持电路的存在，模数转换电路的响应时间和工作时间 可以在数十微秒量级，大大降低了对模数转换电路的要求。
在图6描述的微处理器增益控制算法流程图中，初始状态下控制开关阵列 的三个增益控制信号(Gain—Control Signal)为010，状态变量为2，表明第2 个幵关闭合，当采样模数转换完成后，采样模数转换结果处于上限(V—M0N2) 和下限(V—M0N1)之间，说明增益选择正常，否则如果大于上限(V—M0N2)，则 改变增益控制信号(Gain—Control Signal)为001，选择更小的增益，反之则改 变增益控制信号(Gain—Control Signal)为100，选择较更大的增益。该算法是 一个3级增益的增益调整电路，同理可以扩展到大于3级增益的应用中。
上述实施例是通过镜像电流源产生与光电探测器的平均光电流成比例的镜 像电流，光电流送到信号通路中，产生控制时序(Control Signal),镜像电流 送到突发光功率检测电路中，在控制时序(Control Signal)的控制下，完成对 突发光功率的检测，并通过显示电路显示出来。
权利要求
1. 一种突发模式光信号功率测量电路，包括，一个光电检测器电源，用于为光电检测器提供直流偏置，一个镜像电流源，用于产生与光电探测器的平均光电流成比例的镜像电流，后续电路，其特征在于，该后续电路被镜像电流源分成信号通路部分和光功率突发检测部分，在信号通路部分，光电流通过光电探测器，经跨阻放大器和突发检测电路，产生突发检测信号(Burst Detect)，该信号用于触发时序产生电路产生采样保持和数模转换的控制时序(ControlSignal)；在光功率突发检测部分，放大电路将镜像电流转变成电压信号，使连接时序产生电路的采样保持电路和模数转换电路在控制时序的控制下，完成光功率的突发检测，并通过与模数转换电路和放大电路相连的微处理器，将模数转换的电压信号映射成为对应的光功率值，并通过显示电路显示。
2. 根据权利要求1所述的突发模式光信号功率测量电路，所述跨阻放大器 将光电流信号转变为电压数据信号，并经信号检测电路产生突发检测信号(Burst Detect),然后突发检测信号(Burst Detect)触发时序产生电路产牛 控制时序(Control Signal)。
3. 根据权利要求1或2所述的突发模式光信号功率测量'乜路，其中，跨阻 放大器将突发的光电流信号转化为差分或单端的电压信号，当突发检测电路接 收到单端或差分的电压信号，产生突发检测信号(Burst Detect)。
4. 根据权利要求1所述的突发模式光信号功率测量电路，其中，光电探测 器是光电二极管PIN或者雪崩光电二极管APD，当光电探测器为光电二极管PIN 时对应光电探测器电源可为直流电压源；当光电探测器为雪崩光电二极管APD 时，对应的光电探测器电源为带温度补偿功能的直流到直流升压电源.
5. 根据权利要求1或2所述的突发模式光信号功率测量电路，其中，时序 产生电路，使用讣数器的方式产生，或者使用单稳态电路搭建，用于产生必要的时间延迟确保镜像电流源以及后端的放大电路、采样保持电路达到稳态，同时产生控制时序(Control Signal),用于采样保持电路和模数转换电路的状态 控制。
6. 根据权利要求1所述的突发模式光信号功率测量电路，其中，放大电路， 用于将镜像电流转化为电压信号，使用负载电阻将镜像电流转变为电压再加上 电压放大器或跟随器的方式增加增益和驱动能力，或使用跨阻放大器的方式将 电流信号转变为电压信号。放大电路具有多级增益选择，在微处理器的增益控 制信号的控制下选择不同的电压增益。
7. 根据权利要求1的所述突发模式光信号功率测量电路，其中，采样保持 电路在时序产生电路的控制时序的控制下，在突发光信号采样阶段对放大电路 的电压进行采样，在放大电路的电压信号稳定后，在控制时序的控制下进入保 持阶段，信号电压将维持不变，直到下一次突发光信号采样。
8. 根据权利要求1所述的突发模式光信号功率测量电路，其中，模数转换电 路在时序产生电路的控制时序的控制下，在采样保持电路进入釆样保持阶段之 后，进行模数转换。
9. 根据权利要求1所述的突发模式光信号功率测量电路，其中，微处理器用 于将模数转换的电压数据映射成为光功率值，并控制显示电路显示，并提供增 益控制信号，用于放大电路的多级增益选择。
全文摘要
本发明公开的一种突发模式光信号功率测量电路，包括，一个光电检测器电源，一个镜像电流源和后续电路。该后续电路被镜像电流源分成信号通路部分和光功率突发检测部分，在信号通路部分，光电流通过光电探测器，经跨阻放大器和突发检测电路，产生突发检测信号，该信号用于触发时序产生电路产生采样保持和数模转换的控制时序；在光功率突发检测部分，放大电路将镜像电流转变成电压信号，使连接时序产生电路的采样保持电路和模数转换电路在控制时序的控制下，完成光功率的突发检测。本发明通过镜像电流源产生与光电探测器的平均光电流成比例的镜像电流，在控制时序的控制下，实现对突发模式光功率的检测，可测量数百纳秒长度的突发光信号功率。
文档编号H04B10/08GK101510802SQ200810147880
公开日2009年8月19日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者姜先刚, 蒋小青, 渊 邹 申请人:成都优博创技术有限公司