無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是光纖接入網(wǎng)中一個高效低成本的解決方案，具備數(shù)據(jù)傳輸速率快、效率高和成本低等優(yōu)點。其核心是激光器，但特性極易受溫度和老化的影響。為解決此問題，所以自動平均功率控制電路要設(shè)計高性能并帶有環(huán)路調(diào)節(jié)，以補償因溫度和老化對電路造成的不足，并能使激光器的光功率穩(wěn)定輸出。

突發(fā)模式下，在分配時隙到來時迅速向激光器供應(yīng)穩(wěn)定的偏置電流，來確保激光器的狀態(tài)正常偏置和自動消光比。因此，設(shè)計的PON自動功率控制電路要解決下列問題在突發(fā)模式，數(shù)據(jù)傳輸速率2.5Gbit/s在APC閉環(huán)電路調(diào)節(jié)時，有效地解決了過度補償迅速初始化設(shè)定，穩(wěn)定輸出光功率。

1 功率控制系統(tǒng)設(shè)計

對于PON突發(fā)模式應(yīng)用，必須使用硬件APC，因為激光器并非一直處于開啟狀態(tài)，功率調(diào)整必須在最初的突發(fā)時間很短的時間內(nèi)進行微調(diào)完成，以避免傳輸期間的功率調(diào)整，使激光器DCB偏置的調(diào)整必須在突發(fā)開啟期間完成。

本文提出的Mean-APC電路框圖如圖1所示。APC主要由激光驅(qū)動器、數(shù)模調(diào)制電路和APC硬件邏輯控制電路三部分構(gòu)成，其中APC硬件邏輯控制電路包括粗調(diào)、二進制調(diào)節(jié)和精調(diào)部分。

圖1 Mean-APC結(jié)構(gòu)圖

激光驅(qū)動器分別由8位偏置電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（BIAS_DAC）和8位調(diào)制電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MOD_DAC）控制。

監(jiān)控光電二極管的輸出電流IMPD作為目標監(jiān)控電流，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成8位的MON_DAC，作為激光器平均輸出功率的參考值，監(jiān)控光電二極管輸入以實現(xiàn)自動功率控制。

APC有兩種工作模式：快速啟動模式和慢速調(diào)整模式。快速啟動模式初始化功率設(shè)置功率模式的調(diào)節(jié)設(shè)置。在快速啟動算法的過程中，激光器上沒有進行數(shù)據(jù)傳輸，APC采用快速啟動算法調(diào)節(jié)偏置電流，啟動之后，APC工作在慢速調(diào)整模式，同時激光器進行數(shù)據(jù)傳輸，最后使調(diào)節(jié)后激光器的輸出平均光功率達到目標值。由于溫度和器件老化的影響，使得APC硬件邏輯電路在調(diào)節(jié)時，需考慮APC怎樣解決出現(xiàn)過度補償?shù)膯栴}。針對需要解決的問題，本文設(shè)計了APC硬件邏輯電路下慢速調(diào)整模式。快速啟動和慢速調(diào)整的目的都是確保實際監(jiān)控電流Impd值等于定義的目標值。Impd由MON_DAC設(shè)置，可依據(jù)實際通信電路的要求合理取值MON_DAC。激光器的平均輸出光功率由MON_DAC來決定的，所以使其與目標監(jiān)控電流Impd保持一定的關(guān)系。

1.1快速啟動模式

在電路上電復(fù)位或功率電平調(diào)整時，Mean-APC啟動快速算法，進入快速啟動模式。這時無數(shù)據(jù)傳輸，把激光驅(qū)動器的輸入電流設(shè)置為為Imod/2。在快速啟動時，定義的BIAS_DAC當前值成比例地增加或減少BIAS_DAC來增加或減少偏置電流。在快速啟動階段，APC硬件邏輯電路啟用快速啟動算法，調(diào)節(jié)偏置電流Ibias，偏置級具有數(shù)字自動平均功率控制回路，可設(shè)置平均輸出功率，并在溫度和電源電壓變化時保持此功率。直至監(jiān)控電流Imod等于預(yù)設(shè)的Iapcset_bias，指數(shù)函數(shù)的相近表式：目標監(jiān)視器光電二極管電流（A）=7.185A*2（APC-SET/32），保證輸出光功率穩(wěn)定在傳輸數(shù)據(jù)時的平均光功率。

設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)初始值求目標值，實際值是逼近目標值的一個區(qū)間；依據(jù)實際值求精確值。快速啟動算法執(zhí)行時，輸出光功率時序圖如圖2所示，采用四級快速啟動算法。其過程被分為四個階段將偏置電流BIAS_DAC設(shè)定為初始值，該初始值由BIAS_DAC寄存器提供。在快速啟動算法過程中，調(diào)制電流的初始值設(shè)為Imod/2；對BIAS_DAC逐步掃描，通過按每個時鐘周期的COUNT_INC中定義的BIAS_DAC的當前值成比例地增加或減少BIAS_DAC來增加或減少偏置電流一旦斜坡階段增加或減少偏置電流，使實際監(jiān)視器電流超過由APCSET_DAC設(shè)定的目標監(jiān)視器電流，就會啟動二進制搜索階段最后階段是APC回路集成模式。APC環(huán)路以由APC_CLOCK_SET定義的環(huán)路時鐘速率對監(jiān)控器電流進行采樣，并對采樣的監(jiān)控器電流做出決定，以增加或減少一位BIAS_DAC的值，以便將監(jiān)控器電流保持在APCSET_DAC寄存器中定義的目標值。

圖2 快速啟動時序圖

1.2慢速調(diào)整模式

快速啟動后，APC進入慢速調(diào)整模式，硬件控制邏輯的設(shè)置步驟：設(shè)置相關(guān)的APC控制參數(shù)，包括LTIME［4：0］，DFHYS［1:0］，CTIME［3:0］和FTIME［3:0］；然后打開發(fā)送路徑（TXPD=0）并設(shè)置APCEN=1設(shè)置DCB電流比例因子DCBS，并通過將最大值寫入DCBDAC來設(shè)置最大DCB電流通過寫入MPDDAC和MPD比較器滯后控制MPDHYS［2:0］設(shè)置監(jiān)控器反饋電流通過寫入MODDAC來設(shè)置調(diào)制電流APC硬件邏輯使用兩級功率控制。一種是首先執(zhí)行的粗略控制，并使用二分搜索以6個步驟將功率設(shè)置逼近目標值（每個步驟由CTIME分隔）。粗調(diào)只會改變最重要的6位DCBDAC。粗調(diào)完成后，進入微調(diào)模式。細調(diào)由FTIME定期完成，或在每個突發(fā)結(jié)束時完成。當脈沖串打開時，APC邏輯加載先前存儲的DCBDAC值并將其用作輸出電流。然后等待CTIME并開始監(jiān)測MPDCMPU和MPDCMPD。

圖3 APC硬件邏輯電路

其被送入由SYSCLK提供時鐘的帶符號10位計數(shù)器，并由其信號變化決定計數(shù)器遞增1或遞減1。對于MPDHYS設(shè)置，在突發(fā)結(jié)束或FTIME到期之前檢查計數(shù)器值，以先發(fā)生者為準。如果計數(shù)值大于MPDHYS，則DCBDAC遞增1，或者如果計數(shù)值小于-MPDHYS，則DCBDAC遞減1，或者如果計數(shù)值在MPDHYS內(nèi)，則DCBDAC保持不變。新的DCBDAC被更新并用于初始值的下一次突發(fā)。采用新調(diào)整的DCBDAC值，這避免了在實際傳輸過程中改變激光設(shè)置。使用APC硬件電路如圖3，激光功率可以在第一次爆發(fā)時間內(nèi)接近最終目標（6CTIME）。粗調(diào)完成后，在突發(fā)結(jié)束時進行微調(diào)，每次調(diào)整為DCBDACLSB的1/16。如果FTIME設(shè)置的時間長于最大脈沖時間，則在激光開啟周期內(nèi)，激光的功率設(shè)置不會發(fā)生。此法解決了因傳統(tǒng)調(diào)節(jié)造成調(diào)節(jié)后的輸出電流高于目標電流而引起得過度補償。

2 仿真與分析

本文依據(jù)PON要求采用SMIC0.18us工藝，設(shè)計了應(yīng)用于PON激光驅(qū)動器中突發(fā)模式平均自動功率控制的APC電路，在debussy軟件上進行數(shù)字仿真和驗證，波形如圖4，在使能信號到來時，慢調(diào)部分進行調(diào)節(jié)，DCBOUT目標值為800，經(jīng)過coarse time和fine time調(diào)節(jié)后，使得apc_fine_out保持DCBDAC值后，保證偏置電流穩(wěn)定在設(shè)置值，使得平均光功率穩(wěn)定輸出。

圖4 仿真波形

3 結(jié)語

本文設(shè)計的PON突發(fā)模式平均自動功率控制電路APC，通過慢速調(diào)節(jié)的coarse_time和fine_time設(shè)置，提高電路靈活性；通過對ctime和ftime的調(diào)節(jié)，可以快速響應(yīng)實際監(jiān)控電流和目標監(jiān)控電流的比較，提高響應(yīng)速率和精度。本文采用APC硬件邏輯電路，解決了功率控制環(huán)過度補償?shù)膯栴}，并保證偏置電流正常輸出，還提供穩(wěn)定所需的激光器輸出平均光功率，其仿真結(jié)果符合GPON的ITU G984.4協(xié)議規(guī)定。