模拟信号光纤传输系统中接收光功率自适应的实现

2020-08-20黄锋锋蒋鹏宇蒋高健

山西电子技术 2020年4期

关键词：模拟信号数字电路接收机

黄锋锋，蒋鹏宇，蒋高健

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林 541004)

0 引言

一个典型的模拟信号光纤通信系统如图1所示。

图1 典型的模拟信号光纤通信系统

模拟信号光纤通信系统由光发射机和光接收机组成，光发射机和光接收机通过光纤相连接，光发射机由放大、调制、输出光功率控制、温度控制组成，其中调制包括阻抗匹配、激光器、光隔离器，激光器的供电由DC偏置来完成；光接收机由解调、放大、监控告警组成，解调由阻抗匹配、探测器组成，探测器的供电由DC偏置来完成。

光接收机中的探测器接收的光功率是整个系统非常关键的一个指标，当光接收机接收到的光功率大于光接收机的最佳接收光功率会引起接收机的饱和，导致电信号失真、非线性增加，光接收机长时间工作在饱和状态会降低器件的使用寿命。当光接收机接收到的光功率小于光接收机的最佳接收光功率会引起系统增益减小、信号幅度下降、信噪比劣化[1]。

1 光衰减器实现接收光功率自适应

在模拟信号光纤通信系统中增加一个光衰减器，通过控制光衰减器的衰减量来调节光接收机的接收光功率可有效地解决这个问题。光衰减器是一种非常重要的光学无源器件，可按照需求将光信号能量进行预期的衰减。光衰减器的原理是通过电光或热光效应改变波导层和芯层之间的折射率差，使传输的导模能量耦合到截至模和辐射模中去。光衰减器主要采用分立微光学元件技术、微机电系统(MEMS)技术及光波导技术等。分立微光学元件技术是通过微小光学元件组合来实现可变衰减的，它包括机械、磁光效应、热光效应、电光效应、声光效应等诸多形式[2]。

在光接收机中增加一个光衰减器，根据接收到的光功率大小来调节光衰减器的光衰减量，来实现接收机接收到的光功率可控。根据控制光衰减器的方式可分为数字电路的方式、模拟电路的方式。

2 数字电路的接收光功率自适应

数字电路控制的光纤链路传输自适应如图2所示。

数字电路控制的方式中，光接收机输出一个和接收光功率成线性的采样电压(Vt)，这个直流电压进入控制检测电路后，经过滤波进入ADC，将这个直流电压数字化，因为采样电压(Vt)和接收光功率值成线性关系，这样就可以得到数字化的接收光功率值。控制芯片根据数字化后的接收光功率值输出一个数字信号，数字信号通过DAC转换成模拟电压(Vc)，这个模拟电压滤波后输出到光衰减器，控制光衰减的衰减量来实现控制光接收机的接收光功率值。

图2 数字电路控制的光纤链路传输自适应

控制芯片控制光衰减器的过程分为判断(滤波、ADC)和控制(DAC、滤波)两个部分。判断部分就是判断当前的接收光功率值，采样电压(Vt)的波动会和ADC的精度会带来判断的误差；控制部分是控制光衰减器的衰减，DAC和光衰减器的衰减精度也会带来误差。这两部分误差是器件本身误差和ADC、DAC精度决定的，是不可避免的。如果判断和控制过程不考虑这部分误差就容易造成整个控制过程振荡。比如控制芯片控制接收光功率范围是Xmin～Xmax，检测到接收光功率为XH，超出了Xmin～Xmax范围，控制光衰减器衰减量增加Y，控制光衰减器衰减后检测到的接收光功率为XL，也超出了Xmin～Xmax范围，控制光衰减器衰减量减小Y，控制光衰减器衰减后检测到的接收光功率为XH……。

控制光衰减器衰减量会形成周期性的振荡，会造成接收机的接收光功率周期性振荡，由于模拟信号光纤传输系统中接收机的接收光功率和增益成线性，所以这种振荡会带来传输的模拟信号增益的周期性振荡，这种振荡对模拟信号来说影响非常大，会造成信号的失真引入杂散和谐波。为避免这种情况发生就要从判断和控制两部分考虑。

判断部分可以从硬件和软件两方面来处理，硬件就是要避免电压的波动和脉冲，做好采样电压的滤波；软件就是多次ADC后进行滤波，软件滤波最简单的方法是多次ADC后取平均。

控制部分中，通过两个方面来避免振荡，一个是控制接收光功率范围；另一个是控制光衰减器的衰减量多次分步骤来实现。假设芯片控制接收光功率范围是Xmax-Xmin，根据光衰减器的控制精度适当留宽一些，比如衰减器DAC的步进精度是0.1 dB，检测接收光功率的检测精度是0.1 dB，控制芯片控制接收光功率范围Xmax-Xmin大于等于0.6 dB。

控制光衰减器的衰减量多次分步骤来实现，是指每次调节的衰减量以实际计算出的需要改变的衰减量的60%进行调节，比如检测到光功率为X，超出控制芯片控制接收光功率范围Xmax-Xmin，超出X-Xmin，需要增加光衰减器的衰减量X-Xmin，控制过程中只调节60%，即(X-Xmin)*60%。软件控制处理流程图如图3所示。

图3 软件控制处理流程图

3 模拟电路的接收光功率自适应

模拟电路方式控制的光纤链路传输自适应如图4所示。

图4 模拟电路方式控制的光纤链路传输自适应

模拟电路控制方式的光路自适应中，光接收机输出一个和接收光功率成线性的采样电压(Vt)，这个直流电压进入控制检测电路后，经过射极跟随进行隔离后进入比较器，这个电压和一个设定的参考电压(Vb)进行比较，当参考电压(Vb)大于光接收机的采样电压(Vt)时，比较器输出正电压，这个电压经过积分电路后，积分电路的输出电压会增加，积分电路输出的电压经过射极跟随电路后控制光衰减器增加衰减量；同样的原理，当参考电压(Vb)小于光接收机的采样电压(Vt)时，比较器输出负电压，这个电压经过积分电路后，积分电路的输出电压会减小，积分电路输出的电压经过射极跟随电路后控制光衰减器减小衰减量。

4 数/模结合的接收光功率自适应

模拟电路控制方式的优势：因为接收光功率成线性的采样电压、控制光衰减器的控制电压都是模拟的连续电压。模拟电路控制方式采用负反馈原理进行控制，是一个连续的控制过程，这样的控制过程稳定连续。数字电路控制方式的优势：可以通过上位机来调整控制接收光功率范围是Xmax-Xmin。可以将两者的优势结合起来形成数字电路和模拟电路相结合的控制方式，数/模结合电路如图5所示。