模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)中接收光功率自適應(yīng)的實現(xiàn)

黃鋒鋒，蔣鵬宇，蔣高健

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

一個典型的模擬信號光纖通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型的模擬信號光纖通信系統(tǒng)

模擬信號光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)組成，光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)通過光纖相連接，光發(fā)射機(jī)由放大、調(diào)制、輸出光功率控制、溫度控制組成，其中調(diào)制包括阻抗匹配、激光器、光隔離器，激光器的供電由DC偏置來完成；光接收機(jī)由解調(diào)、放大、監(jiān)控告警組成，解調(diào)由阻抗匹配、探測器組成，探測器的供電由DC偏置來完成。

光接收機(jī)中的探測器接收的光功率是整個系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一個指標(biāo)，當(dāng)光接收機(jī)接收到的光功率大于光接收機(jī)的最佳接收光功率會引起接收機(jī)的飽和，導(dǎo)致電信號失真、非線性增加，光接收機(jī)長時間工作在飽和狀態(tài)會降低器件的使用壽命。當(dāng)光接收機(jī)接收到的光功率小于光接收機(jī)的最佳接收光功率會引起系統(tǒng)增益減小、信號幅度下降、信噪比劣化[1]。

1 光衰減器實現(xiàn)接收光功率自適應(yīng)

在模擬信號光纖通信系統(tǒng)中增加一個光衰減器，通過控制光衰減器的衰減量來調(diào)節(jié)光接收機(jī)的接收光功率可有效地解決這個問題。光衰減器是一種非常重要的光學(xué)無源器件，可按照需求將光信號能量進(jìn)行預(yù)期的衰減。光衰減器的原理是通過電光或熱光效應(yīng)改變波導(dǎo)層和芯層之間的折射率差，使傳輸?shù)膶?dǎo)模能量耦合到截至模和輻射模中去。光衰減器主要采用分立微光學(xué)元件技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)及光波導(dǎo)技術(shù)等。分立微光學(xué)元件技術(shù)是通過微小光學(xué)元件組合來實現(xiàn)可變衰減的，它包括機(jī)械、磁光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)等諸多形式[2]。

在光接收機(jī)中增加一個光衰減器，根據(jù)接收到的光功率大小來調(diào)節(jié)光衰減器的光衰減量，來實現(xiàn)接收機(jī)接收到的光功率可控。根據(jù)控制光衰減器的方式可分為數(shù)字電路的方式、模擬電路的方式。

2 數(shù)字電路的接收光功率自適應(yīng)

數(shù)字電路控制的光纖鏈路傳輸自適應(yīng)如圖2所示。

數(shù)字電路控制的方式中，光接收機(jī)輸出一個和接收光功率成線性的采樣電壓(Vt)，這個直流電壓進(jìn)入控制檢測電路后，經(jīng)過濾波進(jìn)入ADC，將這個直流電壓數(shù)字化，因為采樣電壓(Vt)和接收光功率值成線性關(guān)系，這樣就可以得到數(shù)字化的接收光功率值?？刂菩酒鶕?jù)數(shù)字化后的接收光功率值輸出一個數(shù)字信號，數(shù)字信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓(Vc)，這個模擬電壓濾波后輸出到光衰減器，控制光衰減的衰減量來實現(xiàn)控制光接收機(jī)的接收光功率值。

圖2 數(shù)字電路控制的光纖鏈路傳輸自適應(yīng)

控制芯片控制光衰減器的過程分為判斷(濾波、ADC)和控制(DAC、濾波)兩個部分。判斷部分就是判斷當(dāng)前的接收光功率值，采樣電壓(Vt)的波動會和ADC的精度會帶來判斷的誤差；控制部分是控制光衰減器的衰減，DAC和光衰減器的衰減精度也會帶來誤差。這兩部分誤差是器件本身誤差和ADC、DAC精度決定的，是不可避免的。如果判斷和控制過程不考慮這部分誤差就容易造成整個控制過程振蕩。比如控制芯片控制接收光功率范圍是Xmin～Xmax，檢測到接收光功率為XH，超出了Xmin～Xmax范圍，控制光衰減器衰減量增加Y，控制光衰減器衰減后檢測到的接收光功率為XL，也超出了Xmin～Xmax范圍，控制光衰減器衰減量減小Y，控制光衰減器衰減后檢測到的接收光功率為XH……。

控制光衰減器衰減量會形成周期性的振蕩，會造成接收機(jī)的接收光功率周期性振蕩，由于模擬信號光纖傳輸系統(tǒng)中接收機(jī)的接收光功率和增益成線性，所以這種振蕩會帶來傳輸?shù)哪M信號增益的周期性振蕩，這種振蕩對模擬信號來說影響非常大，會造成信號的失真引入雜散和諧波。為避免這種情況發(fā)生就要從判斷和控制兩部分考慮。

判斷部分可以從硬件和軟件兩方面來處理，硬件就是要避免電壓的波動和脈沖，做好采樣電壓的濾波；軟件就是多次ADC后進(jìn)行濾波，軟件濾波最簡單的方法是多次ADC后取平均。

控制部分中，通過兩個方面來避免振蕩，一個是控制接收光功率范圍；另一個是控制光衰減器的衰減量多次分步驟來實現(xiàn)。假設(shè)芯片控制接收光功率范圍是Xmax-Xmin，根據(jù)光衰減器的控制精度適當(dāng)留寬一些，比如衰減器DAC的步進(jìn)精度是0.1 dB，檢測接收光功率的檢測精度是0.1 dB，控制芯片控制接收光功率范圍Xmax-Xmin大于等于0.6 dB。

控制光衰減器的衰減量多次分步驟來實現(xiàn)，是指每次調(diào)節(jié)的衰減量以實際計算出的需要改變的衰減量的60%進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如檢測到光功率為X，超出控制芯片控制接收光功率范圍Xmax-Xmin，超出X-Xmin，需要增加光衰減器的衰減量X-Xmin，控制過程中只調(diào)節(jié)60%，即(X-Xmin)*60%。軟件控制處理流程圖如圖3所示。

圖3 軟件控制處理流程圖

3 模擬電路的接收光功率自適應(yīng)

模擬電路方式控制的光纖鏈路傳輸自適應(yīng)如圖4所示。

圖4 模擬電路方式控制的光纖鏈路傳輸自適應(yīng)

模擬電路控制方式的光路自適應(yīng)中，光接收機(jī)輸出一個和接收光功率成線性的采樣電壓(Vt)，這個直流電壓進(jìn)入控制檢測電路后，經(jīng)過射極跟隨進(jìn)行隔離后進(jìn)入比較器，這個電壓和一個設(shè)定的參考電壓(Vb)進(jìn)行比較，當(dāng)參考電壓(Vb)大于光接收機(jī)的采樣電壓(Vt)時，比較器輸出正電壓，這個電壓經(jīng)過積分電路后，積分電路的輸出電壓會增加，積分電路輸出的電壓經(jīng)過射極跟隨電路后控制光衰減器增加衰減量；同樣的原理，當(dāng)參考電壓(Vb)小于光接收機(jī)的采樣電壓(Vt)時，比較器輸出負(fù)電壓，這個電壓經(jīng)過積分電路后，積分電路的輸出電壓會減小，積分電路輸出的電壓經(jīng)過射極跟隨電路后控制光衰減器減小衰減量。

4 數(shù)/模結(jié)合的接收光功率自適應(yīng)

模擬電路控制方式的優(yōu)勢：因為接收光功率成線性的采樣電壓、控制光衰減器的控制電壓都是模擬的連續(xù)電壓。模擬電路控制方式采用負(fù)反饋原理進(jìn)行控制，是一個連續(xù)的控制過程，這樣的控制過程穩(wěn)定連續(xù)。數(shù)字電路控制方式的優(yōu)勢：可以通過上位機(jī)來調(diào)整控制接收光功率范圍是Xmax-Xmin。可以將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來形成數(shù)字電路和模擬電路相結(jié)合的控制方式，數(shù)/模結(jié)合電路如圖5所示。

圖5 數(shù)/模結(jié)合電路方式控制的光纖鏈路傳輸自適應(yīng)

在模擬控制方式的基礎(chǔ)上，控制芯片根據(jù)上位機(jī)的指令輸出一個數(shù)字信號，數(shù)字信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓(Vb)，這個模擬電壓作為比較器的參考電壓，控制光衰減的衰減量。這樣既可以通過模擬的方式實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的控制光衰減器的衰減量，又可以通過上位機(jī)對光接收機(jī)接收功率的平衡點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。