一种检测光接收机接收信号强度和信号丢失的检测电路

技术领域

本发明涉及光通讯技术领域，具体涉及一种检测光接收机接收信号强度和信号丢失的检测电路，尤其适用于50G PON ONU接收光的信号强度检测和信号丢失检测。

背景技术

在光纤通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出光纤传输后由光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信系统的性能。

为保证光信号稳定可靠的传输，在实际应用中都需要对接收到的光信号进行信号强度（RX Power）检测和信号丢失（LOS，Loss of signal）检测。RX Power检测是指检测接收的光信号强度，用于判断接收信号强度是否满足使用。LOS检测是指检测接收的光信号强度是否低于设定的门限值，以此判断信号是否超出可接收范围。根据光模块的设计与寄存器配置，LOS检测概括为两种实现方法：平均光功率LOS和信号LOS。平均光功率LOS是根据输入光的平均光功率的大小进行判断，而信号LOS则是根据输入光中信号的幅度进行判断。当接收光信号强度低于某一设定的门限值，则光模块需上报LOS。具体下来，有LOSA、LOSD和LOSH指标。其中，LOSA指标是指信号丢失指示，接收光信号强度小于一定门限时判断信号确认丢失。LOSD指标是指信号丢失恢复指示，接收光信号强度大于一定门限时判断信号确认恢复。由于比较是采用具有一定滞回效应的比较器实现，一般LOSD指标对应的光功率值比LOSA指标对应的值要大。LOSH指标是指信号丢失迟滞，比较器为滞回比较器，反应到功率值上表征信号丢失及丢失恢复的功率差值。

现有技术中，对于10G及以下速率的PON ONU大都采用两个路径分别实现RX Power检测和LOS检测，具体如下：

RX Power检测：如图2所示，因PON ONU大都应用雪崩光电二极管APD（AvalanchePhotodiode Detectors）接收光信号，因此通常利用升压电路镜像APD电流实现对RX Power的检测。

LOS检测：采用于信号差分幅度检测判定方式进行检测（即信号LOS），如图2所示，接收光进入APD后产生光电流，光电流经过TIA(Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器)转换成差分输出电压，并与LA芯片（Limiting Amplifier，限幅放大芯片）相连对信号进行限幅放大，LA芯片会采集接收输入的信号电平摆幅并与设置的LOS阈值电平比较，最终输出LOS信号。

通过上述检测方式能够有效实现10G及以下速率的PON ONU光信号的强度检测和光信号的丢失检测。但随着业务应用的不断创新，千兆光网正从“带宽”的千兆连接能力向“带宽+体验”的千兆服务能力转变，例如工业PON助力工厂数字化转型，FTTR助力人们畅享数字生活等。与此同时，技术层面，无论是标准还是方案，10G PON向50G PON演进已是定局。然而，由于目前的50G PON没有专用的LA芯片，因此无法通过LA芯片检测信号幅度的方式实现信号的LOS检测。

另外，公开号为CN104168067A的专利文献还公开了一种判断光接收电路中的光功率信号强度的方法及其电路，该方法通过软件实现了光接收电路光功率信号强度的判断，可实现信号强度的检测。但该方法同样是应用了专用限幅放大器芯片，将信号幅度检测及比较器功能集成。其同样不能在目前没有50G 速率PON的限幅放大器芯片的前提下同时实现RX Power检测功能和LOS检测功能。

为此，有必要在目前50G PON没有专用LA芯片的基础上利用现有条件下的技术解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测光接收机接收信号强度和信号丢失的检测电路，该检测电路通过现有芯片与滞回比较电路的组合，就能够在50G PON ONU上同时实现接收光的RX Power检测和LOS检测，有效地解决了目前50G PON没有专用LA芯片无法同时实现RXPower检测和LOS检测的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种检测光接收机接收信号强度和信号丢失的检测电路，其特征在于：包括微控制单元MCU、雪崩光电二极管APD、滞回比较电路和具有升压功能及两路镜像电流输出功能的主控单元；

所述主控单元包括主控芯片、升压电路、第一电压转换电路和第二电压转换电路，且主控芯片具有高压输入管脚、高压输出管脚、电压反馈管脚、1/5镜像比例的第一镜像电流管脚和1/2镜像比例的第二镜像电流管脚；

所述滞回比较电路具有第一电压输入端、第二电压输入端和信号输出端；

所述微控制单元MCU包括比较电压输出DAC管脚、升压控制DAC管脚和镜像电流接收ADC管脚；

所述雪崩光电二极管APD具有电压输入管脚；

其中，升压电路分别与主控芯片的电压反馈管脚和微控制单元MCU的升压控制DAC管脚相连，主控芯片的高压输出管脚与雪崩光电二极管APD的电压输入管脚相连，主控芯片的第一镜像电流管脚经第一电压转换电路转换成电压后与微控制单元MCU镜像电流接收ADC管脚相连，主控芯片的第二镜像电流管脚经第二电压转换电路转换成电压后与滞回比较电路的第二电压输入端相连，微控制单元MCU的比较电压输出DAC管脚与滞回比较电路的第一电压输入端相连；

所述微控制单元MCU通过镜像电流接收ADC管脚接收到的转换电压检测光信号的强度；所述滞回比较电路通过第一电压输入端和第二电压输入端输入的电压信号检测光信号的丢失，并输出信号丢失的检测结果。

所述第一电压转换电路包括一端接地，另一端连接第一镜像电流管脚的第一电阻。

所述第二电压转换电路包括一端接地，另一端连接第二镜像电流管脚的第二电阻。

所述主控芯片的高压输出管脚与雪崩光电二极管APD的电压输入管脚之间设有第三电阻。

所述微控制单元MCU的比较电压输出DAC管脚与滞回比较电路的第一电压输入端之间串联有第四电阻和第五电阻，且第四电阻与第五电阻之间设有接地电容。

所述主控芯片的第二镜像电流管脚与滞回比较电路的第二电压输入端之间依次设有接地电容和第六电阻。

所述滞回比较电路的信号输出端还依次串联有第七上拉电阻和第八电阻。

采用本发明的优点在于：

1、本发明通过现有具有升压功能及两路镜像电流输出功能的主控芯片与滞回比较电路的组合，就能够在50G PON ONU上同时实现接收光的RX Power检测和LOS检测，因而有效地解决了目前50G PON ONU没有专用LA芯片无法同时实现RX Power检测和LOS检测的技术问题。相对于现有技术来说，本发明通过现有技术的组合便取得了新的技术效果，或者说组合后的技术效果比每个技术特征效果的总和更优越，因而本发明具有意料不到的技术效果。

2、本发明通过1颗升压加双路镜像输出的集成芯片及外搭滞回比较电路，同时实现RX Power全动态范围下的采样检测和小光LOS检测，在解决方案上具有首创性。

3、本发明通过第二电阻便于将只有1/2比例的镜像电流转换到合适的电压值，有利于后继电路的比较判断。

4、本发明通过第三电阻能够调整大光下APD的工作偏压，由于主控芯片的高压输出管脚输出的电压是一定的，大光情况下产生的光电流越大，第三电阻上面分压也越多，给到雪崩光电二极管APD的工作电压就会适当小一些，因而有利于提高大光下雪崩光电二极管APD的增益。

5、本发明通过微控制单元MCU与滞回比较电路之间的第四电阻、第五电阻和接地电容，以及通过主控芯片与滞回比较电路之间的第六电阻和接地电容，能够起到有效的旁路滤波作用，从而有利于提高检测的准确性。

6、本发明通过连接在滞回比较电路信号输出端的第七上拉电阻有利于保证电压的稳定输出。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为现有技术实现RX Power检测和LOS检测的原理框图。

具体实施方式

由于50G PON ONU没有专用LA芯片可用于实现信号幅度检测并输出LOS，因此本发明考虑同样通过检测RX Power的方式来实现LOS功能（即平均光功率LOS），要求雪崩光电二极管APD镜像电流必须既能够实现RX Power检测功能，又能够实现LOS检测功能，因此设计了通过集成升压功能和拥有两路镜像电流输出的芯片搭配外围的滞回比较电路同时实现RXPower检测及LOS信号检测。

下面结合附图对本发明进行具体的说明：

如图1所示，一种检测光接收机接收信号强度和信号丢失的检测电路，包括微控制单元MCU、雪崩光电二极管APD、滞回比较电路和具有升压功能及两路镜像电流输出功能的主控单元。

所述主控单元包括主控芯片、升压电路、第一电压转换电路和第二电压转换电路。其中，该主控芯片优选采用EOC7003芯片，并具有高压输入管脚MIRIN、高压输出管脚MIROUT、电压反馈管脚FB、1/5镜像比例的第一镜像电流管脚MIR1和1/2镜像比例的第二镜像电流管脚MIR2。

所述滞回比较电路具有第一电压输入端Up、第二电压输入端Un和信号输出端Uo。

所述微控制单元MCU包括比较电压输出DAC管脚H5、升压控制DAC管脚H6和镜像电流接收ADC管脚G7。

所述雪崩光电二极管APD具有电压输入管脚Vapd。

其中，各组成的具体连接关系为：升压电路分别与主控芯片的电压反馈管脚FB和微控制单元MCU的升压控制DAC管脚H6相连，主控芯片的高压输出管脚MIROUT与雪崩光电二极管APD的电压输入管脚Vapd相连，主控芯片的第一镜像电流管脚MIR1经第一电压转换电路转换成电压后与微控制单元MCU的镜像电流接收ADC管脚G7相连，主控芯片的第二镜像电流管脚MIR2经第二电压转换电路转换成电压后与滞回比较电路的第二电压输入端Un相连，微控制单元MCU的比较电压输出DAC管脚H5与滞回比较电路的第一电压输入端Up相连，滞回比较电路的信号输出端Uo连接到QSFP28 Connector（该QSFP28 Connector为QSFP28封装连接器，实际上就是模块的电接口，遵循QSFP28MSA协议）。

在本发明的实施方案中，所述第一电压转换电路包括一端接地，另一端连接第一镜像电流管脚MIR1的第一电阻R9，且该第一电阻R9的阻值为6.04kohm。

在本发明的实施方案中，所述第二电压转换电路包括一端接地，另一端连接第二镜像电流管脚MIR2的第二电阻R7，且该第二电阻R7的阻值为20kohm。

在本发明的实施方案中，所述主控芯片的高压输出管脚MIROUT与雪崩光电二极管APD的电压输入管脚Vapd之间设有第三电阻R6。

在本发明的实施方案中，所述微控制单元MCU的比较电压输出DAC管脚H5 与滞回比较电路的第一电压输入端Up之间串联有第四电阻R11和第五电阻R12，且第四电阻R11与第五电阻R12之间设有接地电容C8。

在本发明的实施方案中，所述主控芯片的第二镜像电流管脚MIR2与滞回比较电路的第二电压输入端Un之间依次设有接地电容C10和第六电阻R15。

在本发明的实施方案中，所述滞回比较电路的信号输出端Uo还依次串联有第七上拉电阻R13和第八电阻R14，该第七上拉电阻R13的阻值为10kohm，上拉到VCC3V3，确保高电平输出稳定到3V3。

当需要检测接收光的信号强度时，主控芯片通过第一镜像电流管脚MIR1向微控制单元MCU输出1/5镜像比例的镜像电流，微控制单元MCU通过镜像电流接收ADC管脚G7接收该镜像电流的转换电压，再通过ADC采样即可实现RX Power的检测。

当需要检测接收光的信号丢失时，主控芯片通过第二镜像电流管脚MIR2输出1/2镜像比例的镜像电流，该镜像电流经第二电压转换电路转换成电压信号后输入至滞回比较电路的第二电压输入端Un，同时微控制单元MCU通过比较电压输出DAC管脚H5向滞回比较电路的第一电压输入端Up输入预设的阈值电压信号，滞回比较电路将主控芯片输入的电压信号与预设的阈值电压信号进行比较，判断是否出现光丢失情况，比较完成后输出信号丢失的检测结果，实现LOS检测。

本发明的升压原理和镜像电流采集原理分别为：

升压原理：如图1所示，EOC7003主控芯片的电压反馈管脚FB为反馈输入脚，参考电压为1.24V，DAC_VAPD_MCU与微控制单元的升压控制DAC管脚相连，电阻R2、电阻R4和电阻R5按图1所示方式连接构成升压电路，具体关系为：

IR5=VFB/R5；

IR2=(VMIRIN-VFB)/R2；

IR4=IR5-IR2=(DAC_VAPD_MCU-VFB)/R4；

依据上述三个公式，可以得到DAC_VAPD_MCU与VMIRIN的关系为：

VMIRIN=R2*(VFB/R5+VFB/R4-DAC_VAPD_MCU/R4)+VFB。

由此，通过该DAC_VAPD_MCU的输出可调节与EOC7003主控芯片高压输入管脚MIRIN的VMRIN高压输入。按照图1设定的参数，VMRIN可以覆盖雪崩光电二极管APD偏压工作范围（16~34V），且精度~0.018V/LSB。

镜像电流采集原理：EOC7003主控芯片的高压输出管脚MIROUT为高压输出，且VMIROUT=VMIRIIN-1.7V。通过VAPD_APD_TO连接到雪崩光电二极管APD为其提供偏置工作点并监控其电流（有光照射到APD上时，会产生光电流），而EOC7003主控芯片的第一镜像电流管脚MIR1和第二镜像电流管脚MIR2分别按比例1/5和1/2做该电流的镜像电流输出。第一镜像电流管脚MIR1镜像出来的电流通过接地的第一电阻R9转换成电压连接到微控制单元MCU实现ADC采样，完成对RX Power的检测。第二镜像电流管脚MIR2镜像出来的电流通过接地的第二电阻R7转换成电压并与滞回比较电路的另外一路输入信号DAC_LOSLVL_MCU进行比较输出LOS信号。

下面以50G PON ONU为例结合附图1分别对本发明的RX Power检测和LOS检测进行详细说明。

根据ITU-T G9804.3协议，50G PON ONU N1/C+档位的接收灵敏度为-24dBm，接收过载光功率为-3dBm，Rx Power的检测上报需至少覆盖灵敏度到过载区域，而LOS功率点需小于接收灵敏度。

Rx Power检测的采样实现：50G APD的响应度（光功率转换成光电流的效率）一般在4mW/mA左右，由此可知，灵敏度点对应的Iapd=IMIROUT≈15.9uA，过载点对应的Iapd=IMIROUT≈2mA。又因IMIR1=1/5* IMIROUT，采样电阻R9=6.04kohm，因灵敏度到过载区间的ADC_RXPower_MCU为19.2mV到2.42V，满足MCU ADC采样电压范围（常规MCU ADC参考电压满量程2.5V）。由此有效实现Rx Power检测功能。

LOS检测功能的实现：由于没有专用LA芯片，因此通过如图1所示的滞回比较电路实现LOS检测功能。DAC_LOSLVL_MCU与微控制单元MCU的升压控制DAC管脚相连，并连接滞回比较电路的同相输入端，实现LOS判定门限参考电压的设置，从EOC7003主控芯片的第二镜像电流管脚MIR2输出的V_RXPower作为输入值与之比较，并实现RX_LOS_Finger连接到光模块的电接口输出。

根据图1所示滞回比较电路设计：

当Uo=+Uz=VCC3V3时；

Up=R10/(R10+R12)*DAC_LOSLVL_MCU+R12/(R10+R12)*Uz；

在V_RXPOWER=Un=Up时刻，电路处于临界状态，此时的V_RXPOWER就是阈值Uth，即Uth=R10/(R10+R12)* DAC_LOSLVL_MCU +R12/(R10+R12)*VCC3V3；

当Uo=-Uz=0时；

Up=R10/(R10+R12)* DAC_LOSLVL_MCU +R12/(R10+R12)*Uz；

同理可得：

Utl= R10/(R10+R12)* DAC_LOSLVL_MCU;

回差电压△U=Uth-Utl=R12/(R10+R12)*VCC3V3 。

应用到本发明中，假使LOS区间为LOSD<-24.5dBm（即3.55uW），LOSA>-40dBm（即0.1uW）。则LOSD功率点的光电流约为14.2uA，即Iapd=IMIROUT≈14.2uA， IMIR2=1/2*IMIROUT=7.1uA，此时，V_RXPower=IMIR2*R7=141.9mV，为保证LOSD<-24.5dBm，滞回比较电路的Uth需≤141.9mV。

按照图1所示参数，接收输入光功率-26dBm对应V_RXPower≈100.5mV,且对应到滞回比较器的Uth为140.0mV，接近LOSD=24.5dBm时对应的V_RXPower（141.9mV）,Utl为99.2mV。因此可将DAC_LOSLVL_MCU设置为100.5mV，如果V_RXPower>140.0mV，则RX_LOS_Finger输出确定为低电平，告知主机此时信号恢复；而如果V_RXPower<99.2mV，则RX_LOS_Finger输出确定为高电平（VCC3V3），告知主机此时信号丢失；间于其中的则为滞回区间，由此有效实现LOS检测功能。

综合来说，本发明通过现有具有升压功能及两路镜像电流输出功能的主控芯片与滞回比较电路的组合，就能够在50G PON ONU上同时实现接收光的RX Power检测和LOS检测，因而有效地解决了目前50G PON ONU没有专用LA芯片无法同时实现RX Power检测和LOS检测的技术问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。