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应用于PON突发模式的数字APC电路设计

2020-05-27 20:43数字电路 人已围观

简介无源光网络(PON)是光纤接入网中一个高效低成本的解决方案,具备数据传输速率快、效率高和成本低等优点。其核心是激光器,但特性极易受温度和老化的影响。为解决此问题,所以...

  无源光网络(PON)是光纤接入网中一个高效低成本的解决方案,具备数据传输速率快、效率高和成本低等优点。其核心是激光器,但特性极易受温度和老化的影响。为解决此问题,所以自动平均功率控制电路要设计高性能并带有环路调节,以补偿因温度和老化对电路造成的不足,并能使激光器的光功率稳定输出。
  
  突发模式下,在分配时隙到来时迅速向激光器供应稳定的偏置电流,来确保激光器的状态正常偏置和自动消光比。因此,设计的PON自动功率控制电路要解决下列问题在突发模式,数据传输速率2.5Gbit/s在APC闭环电路调节时,有效地解决了过度补偿迅速初始化设定,稳定输出光功率。
  

  1 功率控制系统设计

  
  对于PON突发模式应用,必须使用硬件APC,因为激光器并非一直处于开启状态,功率调整必须在最初的突发时间很短的时间内进行微调完成,以避免传输期间的功率调整,使激光器DCB偏置的调整必须在突发开启期间完成。
  
  本文提出的Mean-APC电路框图如图1所示。APC主要由激光驱动器、数模调制电路和APC硬件逻辑控制电路三部分构成,其中APC硬件逻辑控制电路包括粗调、二进制调节和精调部分。
  图1 Mean-APC结构图
  图1 Mean-APC结构图
  
  激光驱动器分别由8位偏置电流数模转换器(BIAS_DAC)和8位调制电流数模转换器(MOD_DAC)控制。
  
  监控光电二极管的输出电流IMPD作为目标监控电流,由数模转换器生成8位的MON_DAC,作为激光器平均输出功率的参考值,监控光电二极管输入以实现自动功率控制。
  
  APC有两种工作模式:快速启动模式和慢速调整模式。快速启动模式初始化功率设置功率模式的调节设置。在快速启动算法的过程中,激光器上没有进行数据传输,APC采用快速启动算法调节偏置电流,启动之后,APC工作在慢速调整模式,同时激光器进行数据传输,最后使调节后激光器的输出平均光功率达到目标值。由于温度和器件老化的影响,使得APC硬件逻辑电路在调节时,需考虑APC怎样解决出现过度补偿的问题。针对需要解决的问题,本文设计了APC硬件逻辑电路下慢速调整模式。快速启动和慢速调整的目的都是确保实际监控电流Impd值等于定义的目标值。Impd由MON_DAC设置,可依据实际通信电路的要求合理取值MON_DAC。激光器的平均输出光功率由MON_DAC来决定的,所以使其与目标监控电流Impd保持一定的关系。
  
  1.1快速启动模式
  
  在电路上电复位或功率电平调整时,Mean-APC启动快速算法,进入快速启动模式。这时无数据传输,把激光驱动器的输入电流设置为为Imod/2。在快速启动时,定义的BIAS_DAC当前值成比例地增加或减少BIAS_DAC来增加或减少偏置电流。在快速启动阶段,APC硬件逻辑电路启用快速启动算法,调节偏置电流Ibias,偏置级具有数字自动平均功率控制回路,可设置平均输出功率,并在温度和电源电压变化时保持此功率。直至监控电流Imod等于预设的Iapcset_bias,指数函数的相近表式:目标监视器光电二极管电流(A)=7.185A*2(APC-SET/32),保证输出光功率稳定在传输数据时的平均光功率。
  
  设计的关键依据初始值求目标值,实际值是逼近目标值的一个区间;依据实际值求精确值。快速启动算法执行时,输出光功率时序图如图2所示,采用四级快速启动算法。其过程被分为四个阶段将偏置电流BIAS_DAC设定为初始值,该初始值由BIAS_DAC寄存器提供。在快速启动算法过程中,调制电流的初始值设为Imod/2;对BIAS_DAC逐步扫描,通过按每个时钟周期的COUNT_INC中定义的BIAS_DAC的当前值成比例地增加或减少BIAS_DAC来增加或减少偏置电流一旦斜坡阶段增加或减少偏置电流,使实际监视器电流超过由APCSET_DAC设定的目标监视器电流,就会启动二进制搜索阶段最后阶段是APC回路集成模式。APC环路以由APC_CLOCK_SET定义的环路时钟速率对监控器电流进行采样,并对采样的监控器电流做出决定,以增加或减少一位BIAS_DAC的值,以便将监控器电流保持在APCSET_DAC寄存器中定义的目标值。
  图2 快速启动时序图
  图2 快速启动时序图
  
  1.2慢速调整模式
  
  快速启动后,APC进入慢速调整模式,硬件控制逻辑的设置步骤:设置相关的APC控制参数,包括LTIME[4:0],DFHYS[1:0],CTIME[3:0]和FTIME[3:0];然后打开发送路径(TXPD=0)并设置APCEN=1设置DCB电流比例因子DCBS,并通过将最大值写入DCBDAC来设置最大DCB电流通过写入MPDDAC和MPD比较器滞后控制MPDHYS[2:0]设置监控器反馈电流通过写入MODDAC来设置调制电流APC硬件逻辑使用两级功率控制。一种是首先执行的粗略控制,并使用二分搜索以6个步骤将功率设置逼近目标值(每个步骤由CTIME分隔)。粗调只会改变最重要的6位DCBDAC。粗调完成后,进入微调模式。细调由FTIME定期完成,或在每个突发结束时完成。当脉冲串打开时,APC逻辑加载先前存储的DCBDAC值并将其用作输出电流。然后等待CTIME并开始监测MPDCMPU和MPDCMPD。
  图3 APC硬件逻辑电路
  图3 APC硬件逻辑电路
  
  其被送入由SYSCLK提供时钟的带符号10位计数器,并由其信号变化决定计数器递增1或递减1。对于MPDHYS设置,在突发结束或FTIME到期之前检查计数器值,以先发生者为准。如果计数值大于MPDHYS,则DCBDAC递增1,或者如果计数值小于-MPDHYS,则DCBDAC递减1,或者如果计数值在MPDHYS内,则DCBDAC保持不变。新的DCBDAC被更新并用于初始值的下一次突发。采用新调整的DCBDAC值,这避免了在实际传输过程中改变激光设置。使用APC硬件电路如图3,激光功率可以在第一次爆发时间内接近最终目标(6CTIME)。粗调完成后,在突发结束时进行微调,每次调整为DCBDACLSB的1/16。如果FTIME设置的时间长于最大脉冲时间,则在激光开启周期内,激光的功率设置不会发生。此法解决了因传统调节造成调节后的输出电流高于目标电流而引起得过度补偿。
  

  2 仿真与分析

  
  本文依据PON要求采用SMIC0.18us工艺,设计了应用于PON激光驱动器中突发模式平均自动功率控制的APC电路,在debussy软件上进行数字仿真和验证,波形如图4,在使能信号到来时,慢调部分进行调节,DCBOUT目标值为800,经过coarse time和fine time调节后,使得apc_fine_out保持DCBDAC值后,保证偏置电流稳定在设置值,使得平均光功率稳定输出。
  图4 仿真波形
  图4 仿真波形
  

  3 结语

  
  本文设计的PON突发模式平均自动功率控制电路APC,通过慢速调节的coarse_time和fine_time设置,提高电路灵活性;通过对ctime和ftime的调节,可以快速响应实际监控电流和目标监控电流的比较,提高响应速率和精度。本文采用APC硬件逻辑电路,解决了功率控制环过度补偿的问题,并保证偏置电流正常输出,还提供稳定所需的激光器输出平均光功率,其仿真结果符合GPON的ITU G984.4协议规定。

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