應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路的製作方法

2023-06-07 17:14:21 1

專利名稱：：應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路的製作方法
技術領域：
：本發明涉及應用於有線電視網絡的光接收機的電路，更具體地說，涉及光接收機的光控自動增益控制電路。
背景技術：
：無論是傳統的光纖同軸混合網(HFC)，還是現在運營商正在逐步推進的FTTC(光纖到路邊)、FTTB(光纖到樓棟)和FTTH(光纖到戶)網絡，信號的傳輸都需要大的動態範圍。通常，對網絡設計而言，希望在用戶端能接收穩定的電平，因此，網絡設計需要進行電平控制，無論是手動還是自動。對於傳統的HFC網絡，一般光節點的接收動態範圍在網絡設計時就設計得較小，一般設計在-ldBm接收，而且在光分配網上單個光節點的覆蓋用戶數較大，因此光節點的數量相較FTTX網絡而言很少，對於這種光節點產品，一般是沒有設計自動增益控制(AGC)的，但是產品裡面有可插拔的固定衰減器，可以進行手動選擇衰減器來進行電平控制，這種控制就是手動增益控制(MGC)。對於廣播電視1550nm光傳輸FTTx的應用，接入網採用1550nm發射機+EDFA進行光功率分配，光節點覆蓋範圍越來越小，一般在50戶左右，因此需要消耗大量的光功率，這時網絡上需要使用大量的EDFA、分路器和連接頭，由於用戶空間分布的多樣性和光鏈路功率預算的不確定性和可變性，光功率損耗可能會有較大的不同。這時反應在光節點為不同地點的接收光功率相差較大。此時光網絡上的接收機數量眾多，我們可以簡單算一下，對於一個10萬戶(大概一個中等地級市或縣城的規模)的網絡，如果50戶一個光節點，則需要光接收機2000臺！如果使用的光接收機沒有AGC功能，那麼工程部署和維護的工作量將是巨大的。在部署FTTX網絡時，非常需要具有寬的光動態範圍的光接收機。如圖l，目前普遍使用的AGC電路是基於RF功率檢測的閉環控制系統，定向耦合器將一部分信號耦合到信號檢測電路，信號檢測電路的輸出信號經過處理送給包含電控衰減其的AGC電路。信號的處理過程有的用純模擬電路的方法，有的用單片機編程實現。當電平檢測器檢測的信號比AGC控制塊的參考信號低時，AGC便減小衰減量，增大輸出；相反，當電平檢測器檢測的信號比AGC控制塊的參考信號高時，AGC便增大衰減量，減小輸出。這樣，AGC控制塊不斷調整衰減量，使得輸出射頻電平在預期的輸入變化範圍內保持恆定。這種控制方式存在較多的缺點，首先需要定向耦合器，使輸出信號產生額外的損耗，通常有ldB。信號檢測一般—需要較高的驅動射頻電平，可能要在耦合器後加後置放大器，或者也有用集成的信號檢測晶片的，總之都增加了成本。其次這種控制方式的控制範圍較窄，一般在10dB的RF範圍內可以得到較好的控制，對應的光功率範圍只有5dB,而且控制上顯得有點複雜，元件參數選取不當，會產生穩定性問題。另有一種AGC設計方式如圖2，通過檢測光功率來控制輸出電平。對光探測器可作光功率檢測，輸出為與光功率成線性關係的直流電壓，將此信息輸入到單片機，單片機通過DA來控制電控衰減器。眾所周知，在光發送機端，多載波信號對光源以線性方式進行強度調製。在接收機端，無AGC時，輸出電平與接收光功率的對應關係為接收光功率變化ldB，輸出電平同向變化2dB。那麼，設計時遵循光增大ldB，電控衰減器衰減增大2犯的原則，則可以得到完美的AGC控制。由此可見，這種設計邏輯非常清晰，關鍵在於信號處理上的算法。這種方式的缺點在於需要進行模一數、數一模轉換，單片機用的晶振頻率一般為幾MHz到十幾MHz，而且是方波，具有寬闊的諧波頻譜，從幾十MHz到幾百MHz，非常容易產生輻射幹擾，因此是個令人十分頭疼的幹擾源。寬控制範圍和高控制精度的AGC對A/D的控制精度要求較高，而且數字控制如果產生幹擾，將非常難以消除。
發明內容本發明的目的在於針對己有技術存在的缺陷，提供一種應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路。本發明對10dB輸入光功率變化範圍可以達到理想的AGC控制，使光接收機的輸出電平變化穩定在ldB之內。為達到上述目的，本發明採用下述技術方案-一種應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路，包含偏置網絡、光電檢測器、偏置網絡和可變衰減器，其特徵在於-(1)所述光電檢測器分別通過偏置網絡和偏置網絡接地和連接電源，而偏置網絡輸出連接；(2)—個光功率檢測電路，對輸出光功率進行檢測，其輸出連接；(3)—個對數電路，對光功率檢測電路23的輸出作對數運算，其輸出連接；(4)一個反相電路，對對數電路24的輸出電壓進行反轉，其輸出連接；(5)—個指數電路，對反相電路25的輸出作對數運算，其輸出連接；(6)—個同相比例調整電路，對指數電路26的輸出進行調整，其輸出連接；(7)—個加法電路，將同相比例調整電路27的輸出與一參考電壓信號進行加法運算，其輸出連接；(8)所述可變衰減器，完成AGC控制。上述的控制電路中的對數電路採用了兩個運算放大器、兩個三極體做對數差分運算，並且使用了參考電壓信號。其中的指數電路具有與對數電路相同的結構。本發明的信號處理採用的是純模擬硬體電路，與現有技術比較，具有顯而易見的突出的優點無需增加額外的CPU進行控制，控制穩定可靠，不易產生幹擾，調試簡單，可以控制10犯以上範圍的輸入光功率，即20dB以上範圍的射頻輸出電平。誠然，光AGC無法對光發送機OMI(光調製指數)的變化做出響應，但是現在不同廠家生產的發送機的的OMI差別不大，即使是1310nm和1550nm的光發送機，其OMI的不同反映在接收機的輸出電平上的差異一般不超過2dB。對於由於溫度的變化引起的放大器增益的變化，在AGC控制端可以非常方便地對參考信號設計溫度補償功能，能夠適應野外的工作環境。圖1是先有技術的一種射頻AGC設計電路原理圖。圖2是現有技術的一種光AGC設計電路原理圖。圖3是本發明採用的一種新穎的光AGC電路原理框圖。圖4是本發明採用的電控衰減器的電路圖。圖5是AGC控制電壓與輸入光功率函數關係的圖像描述。圖6是AGC控制部分裡的對數電路。圖7是AGC控制部分裡的指數電路。具體實施例方式本發明的一個優選實施例結合如下參見圖3，本應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路，包含偏置網絡20、光電檢測器21、偏置網絡22和可變衰減器31:(1)所述光電檢測器21分別通過偏置網絡22和偏置網絡20接地和連接電源，而偏置網絡22輸出連接；(2)—個光功率檢測電路23，對輸出光功率進行檢測，其輸出連接；(3)—個對數電路24，對光功率檢測電路23的輸出作對數運算，其輸出連接；(4)一個反相電路25，對對數電路24的輸出電壓進行反轉，其輸出連接；(5)—個指數電路26,對反相電路25的輸出作對數運算，其輸出連接；(6)—個同相比例調整電路27，對指數電路26的輸出進行調整，其輸出連接；(7)—個加法電路28,將同相比例調整電路27的輸出與一參考電壓信號進行加法運算，其輸出連接；(8)所述可變衰減器31，完成AGC控制。上述的可變衰減器31的具體實例見圖4，為一種常用的電控衰減器的電路結構，其元件參數見表1，所用的核心器件是Agilent公司的PIN二極體HSMP-3814，這個二極體的特性相當於電流控制的電阻，即改變通過二極體的電流，二極體的高頻阻抗會有較大的變化，當通過該二極體的電流從10mA到O.OlmA時，其高頻阻抗從幾歐姆變化到數千歐姆，而且阻抗變化與電流的變化關係幾乎是線性的。因此利用它和一些外圍的電阻電容元器件可以構成n型衰減器。V+為參考電壓，Vc為控制電壓，當Vc變化時，電阻R102、R103上的電壓也跟著變化，那麼通過D104、D105、D106、D107的電流也同時在變化，合理選擇外圍器件的參數，可保證衰減器在整個衰減範圍內的阻抗穩定，反射保持在-18dB以下。測試衰減器的電壓-衰減特性，可以得到一組控制電壓與衰減值的對應表。然後根據光接收機應用時需要的接收光功率範圍，對應制定一個衰減器的衰減範圍，可每隔ldB確定1個衰減點，同時對應著一個控制電壓，這樣就可以得到光功率與電控衰減器的控制電壓的對應表。l個示例見表2。tableseeoriginaldocumentpage6現在對表2的對應關係作數學分析，現把它描點成函數曲線，見圖5。觀察曲線，發現它與指數函數曲線非常相像。現假定其為指數函數，表達式為V-a"0德+b(0)其中PO表示以dBm為單位的接收光功率。可以用待定係數法來確定常數a和b,即以最大和最小輸入光功率兩個點得到兩個方程，解出a和b來。然後可以反證，發現任意輸入一個光功率值，AGC控制誤差基本上能夠保持在ldB之內，一般可以保持在0.5dB之內，因此可以認為這個數量關係是非常準確的。我們知道，以dBm為單位的光功率P0用mw表示為1019，因此光功率檢測信號可表示為k*10Po/1G,在圖3中，偏置網絡(22)可以用m"OOO(m的取值範圍為1~3較合適)歐姆的電阻來監控光功率，光功率監控(23)可以用電壓跟隨器實現，這樣可得到光功率檢測信號k*10p°/w。然後將PO解析出來，需要藉助對數電路，如圖6，為利用三極體構造的大動態範圍的對數電路，元件參數見表3表3電阻器歐姆電容器NF其他R200500kC2001卿09013R201500kC2011Q2019013R202500kC20210U200LM324R20315.R204lkR205500kR2062k對數電路的輸出是兩個三極體的基極電壓差的函數，EOUT=((R203+R204)/R204)*(VBEQ201-VBEQ200)(1)利用PN結方程，可得到AVBE=(kT/q)*loge(IC200-IC201)(2)其中k為波爾茲曼常數，T為開爾文溫度，q為電子電荷，因此(1)式可化為EOUT=(-kT/q)*((R203+R204)/R204)*loge((EIN*R205)/(EREPR200))(3)注意到輸出為溫度的函數，因此如果單獨使用對數電路，需要做溫度補償，R204需要使用溫度係數為+3500ppm/'C熱敏電阻，可以抵消溫度的變化對輸出的影響，此時(3)式可以化為EIN|/R200)+5]=0.7-lg|EIN|=0.7-lg(k*10輯)(4)然後，將對數電路的輸出結果輸入到反相電路(25)中得到E1=-E0UT=lg(k"0請)-0.7(5)下面需要將E1輸入到指數電路(26)中，見圖7，其原理與圖6的對數電路一樣，結構上也基本一樣，其元件參數見表4表4電阻器歐姆電容器NF其他R300500kC2001Q3009013R301500kC2011Q3019013R3022kC20210U300LM324R30310kR30415.7kR30510kR306lk此指數電路具有如下數量關係E2-(1/10)"0一ei(6)對數電路與指數電路具有相同的結構，電路上的對稱性非常好，它們的運算過程剛好是相反的，單個電路中輸出量是溫度敏感的，但兩個組合起來使用，由於電路的對稱性，它們的溫度特性剛好相反，因此整體的輸出與溫度幾乎沒有關係，因此R204和R306不需要使用熱敏電阻，事實上溫度係數為+3500ppm/'C熱敏電阻的採購極不方便。將(5)式代入(6)式，可得E2=(1/2k)*l(T涵(7)接著將E2輸入到同相比例電路(27)，用電位器調整係數l/2k，輸出為E3，那麼可得到E3=a"(T圃(8)這樣同時解決了參數k會受到光探測器的響應度一致性的影響的問題。然後將E3輸入到加法電路(28),參考量為b,輸出為E4，就可以得到目標(0)想要的結果，8E4-a"O陽，+b(9)對參量b做溫度補償，可對放大器的增益溫度特性進行補償，在較寬的溫度範圍下穩定控制輸出，以適應野外的工作條件。E4即為AGC的控制信號，加到可變衰減器(31)，就能實現理想的自動增益控制。以上所用的元件參數只是針對一個實例，實際應用中根據不同的設計要求可能需要修改某些參數。權利要求1.一種應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路，包含偏置網絡(20)、光電檢測器(21)、偏置網絡(22)和可變衰減器(31)，其特徵在於a.所述光電檢測器(21)分別通過偏置網絡(22)和偏置網絡(20)接地和連接電源，而偏置網絡(22)輸出連接；b.一個光功率檢測電路(23)，對輸出光功率進行檢測，其輸出連接；c.一個對數電路(24)，對光功率檢測電路23的輸出作對數運算，其輸出連接；d.一個反相電路(25)，對對數電路24的輸出電壓進行反轉，其輸出連接；e.一個指數電路(26)，對反相電路25的輸出作對數運算，其輸出連接；f.一個同相比例調整電路(27)，對指數電路26的輸出進行調整，其輸出連接；g.一個加法電路(28)，將同相比例調整電路27的輸出與一參考電壓信號進行加法運算，其輸出連接；h.所述可變衰減器(31)，完成AGC控制。2.根據權利要求1所述的應用於有線電視網絡的光接收機光控自動增益控制電路，其特徵在於，所用的對數電路(26)採用了兩個運算放大器、兩個三極體做對數差分運算，並且使用了參考電壓信號。3.根據權利要求1所述的應用於有線電視網絡的光接收機光控自動增益控制電路，其特徵在於，所用的指數電路具有與對數電路對稱的結構形式，同樣使用兩個運算放大器、兩個三極體做對數差分運算，並且使用了參考電壓信號。全文摘要本發明涉及一種應用於有線電視網絡光接收機的光控自動增益控制電路。包括兩個偏置網絡、興電檢測器和可變衰減器，它由檢測器通過兩個偏置網絡接電和連接電源，而其檢測輸出依次經一個光功率檢測電路、一個對數電路、一個反相電路、一個指數電路、一個周相比例調整電路和一個加法電路後連接可變衰減器，完成AGC控制。本電路採用純模擬硬體實現，可以控制10dB以上範圍的輸入光功率，即20dB以上範圍的射頻輸出電平。文檔編號H04B10/12GK101478344SQ20081020400公開日2009年7月8日申請日期2008年12月4日優先權日2008年12月4日發明者威楊,林如儉,斌胡,陳海輝申請人:上海大學;上海凌雲天博光電科技有限公司