解析PON系统测试用光功率计

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　   1、PON系统介绍
　　目前FTTx（光纤到户、光纤到大楼、光纤到驻地等的统称）网络建设正成为国内外接入网建设的热点。无源光网络（PON）接入网技术是业内公认的FTTx的最佳解决方案，这种技术可以使多个用户共享单根光纤，从而使得光分配网（ODN）中不需要使用任何有源器件，即不需要通过光/电/光（O/E/O）转换，这种点到多点的构架大大降低了网络安装、管理和维护成本。
　　新一代的网络建设必然会带来新的测试问题，这就需要有新的测试手段。图1为PON系统的基本构架，（a）为下行信息流的分发，（b）为上行信息流的汇集。PON系统中上行信号采用1 310 nm波长，下行信号采用1 490和1 550 nm波长，分别以相反方向沿同一根光纤传输。G.983确保1 310 nm上行信号保持沉默，直到被1 490 nm下行信号轮询并分配一个传输窗口，这意味着1 310 nm上行信号为被动发光，因为必须在光线路终端（OLT）（1 490 nm下行信号）和光网络单元（ONU）（1 310 nm上行信号）之间建立通信链路才能测量1 310 nm上行信号。上行方向使用时分多址（TDMA）接入方式将多个ONU的上行信息组织成一个时分复用（TDM）信息流传送到OLT。TDMA接入是把传输带宽划分成一列连续的时隙，根据传送模式的不同，预先分配或根据用户需要分配这些时隙给用户。在这种结构中上行接入必须采用突发模式，线路上的光信号即为突发光信号，正确检测出突发光信号就是需要检测出发射机激活发光期间的平均光功率，而普通的标准光功率计只能正确测试连续的光信号，这样如果使用传统的光功率计（记录一个采样周期内的平均光功率）将不能得到正确的测试结果，从而给网络的安装维护带来困难，因此需要一种能满足PON系统功率测试要求的新型光功率计。


图1　PON系统的基本构架
　　由上述可知，PON系统测试用的光功率计应满足以下几点要求：（1）同时测量1 310、1 490和1 550 nm 3种波长的光功率；（2）实现光功率的在线测试；（3）能正确测试突发信号光功率。
2、光路结构设计
　　图2为PON系统测试用光功率计的光路结构图。它是能够实现上述（1）、（2）两项功能的特殊光路结构。


图2　光路结构
　　如图2所示，功率计采用两头结构，用双向耦合器对测试线路进行10%分光，对上行信号（1 310 nm）分光后直接接入探测器进行功率探测。对下行信号（1 490和1 550 nm）分光后先用高隔离度的WDM将波长分开后再分别接入探测器进行功率探测。这样就能同时探测3个波长的光功率，并且在测量过程中线路可保持正常通信。
3、电路结构设计
　　光路上将3个光波长分开后就进行电路探测，由于1 490和1 550 nm的光信号是连续的，所以采用普通标准功率计的电路结构进行设计。本文重点介绍1 310 nm上行突发光信号功率的测试技术。图3为突发光信号功率检测的基本电路结构图。


图3　突发光信号功率检测的基本电路结构
　　图中，U1为光探测器；U2是由宽带运算放大器组成的前置放大器电路；U3是信号整形电路；U4是由高速比较器组成的比较器电路；U5是由单稳态触发器组成的脉冲延时电路；U6是由D型上升沿触发器组成的脉冲触发电路；U7是由高速采样保持器组成的采样保持电路；U8是由带模/数转换器的微处理器组成的信号处理控制显示电路。
　　实现突发光信号功率检测的基本思想是利用信号变换、信号整形、时序同步、延时触发控制和信号采样保持技术，将高频率的突发式的光信号变为低频率的可维持的电信号脉冲电平，结合检测处理，从而实现PON系统中上行突发光信号功率的检测。
　　具体实现过程：U2将U1接收到的光信号转换成具有线性对应关系的电压信号，此电压信号经过U3整形后分别送入U7的输入端和U4的比较器正端，此时U7处于信号采样阶段（通过信号处理控制电路对上升沿触发器U6进行初始化可使U7处于采样阶段）。U4的比较器负端接一参考电压作为线路上有光元光的判断电平，无光时正端电压小于负端电压，比较器输出低电平，后续电路维持原始状态。当有光时正端电压大于负端电压，高速比较器的输出迅速由低变高，产生一上升沿信号，此上升沿信号送入U5的输入端，经过脉冲延时（根据信号的宽度确定延时时间）将此上升沿信号送入U6的输入端进行触发。电路触发后U6的输出端输出低电平，U7进入信号保持阶段等待U8的采样处理，经过U8处理后得出突发光功率大小，并在显示屏上进行显示，然后U8将U6强制复位（让U7重新处于采样阶段）并保持一段时间（大于采样保持放大器的最小采样时间，避免复位信号撤除后马上就有触发信号产生，从而使采样时间不足产生后续电路的采样错误）后开始下一个循环周期的采样显示。
　　电路的设计重点在于前端信号的处理，即前置放大器和整形电路部分，它将PIN管产生的电流信号转换成具有一定线性对应关系的电压信号，电压信号的质量将直接影响到后续电路检测的准确性和稳定性。
　　信号的转换质量主要取决于以下3个方面：（1）放大器的带宽、增益和噪声；（2）PIN管的结电容、结电阻、暗电流和噪声；（3）电源纹波和噪声，电路噪声。为此，应选择带宽高、增益大和噪声小的运算放大器；PIN管也应选择带宽高、结电容和噪声小的，为了减小结电容和噪声，应给PIN加上反偏电压；良好的信号整形电路能够很好地改善电压信号质量。
4、结束语
　　实验证明：采用本文所设计的光路和电路结构，实现了PON系统中光功率的测试要求，即实现了3种波长光功率同时测试、在线测试和1 310 nm上行信号突发光功率的正确测试，能制作出性能优良的PON系统测试用光功率计，方便PON系统的安装、管理和维护。