一種微弱光信號相關檢測方法的硬件實現

李炳新，祖海嬌

（燕山大學 信息學院，河北 秦皇島 066004）

光纖通信技術是信息領域十分引人矚目的課題，微弱信號檢測是光通信領域中不可缺少的環節。微弱光信號檢測是利用光電信息技術、電子學、物理學、信息論、計算機等各種知識的綜合技術,它是在認識噪聲與光信號的物理特性和相關性的基礎上,把被噪聲淹沒的有用信號提取出來的一種技術。目前常用的微弱信號檢測方法有頻域信號的相干檢測、時域信號的積累平均、離散信號的計數技術、并行檢測方法等[1]。偽隨機序列是一種具有良好隨機性的二進制序列，其許多特性都與白噪聲接近，且能夠由確定的方法產生，偽隨機序列在許多領域都得到了應用[2,3]。利用偽隨機序列的良好隨機性可以測量淹沒在噪聲和干擾中的微弱光信號。測量系統的輸入光信號用偽隨機序列調制，調制的光信號注入測量系統，輸出光信號經過光電探測器后與調制所用偽隨機序列進行相關運算。其相關函數的峰值正比于輸入信號強度，且有很高的信噪比，因此可以檢測到混在噪聲與干擾中的微弱光信號,提高測量的準確性和精度。

1 測量系統組成

微弱光信號檢測的硬件電路主要由三部分組成:信號的產生與調制、信號的接收、信號的相關處理。

偽隨機序列相關檢測原理如圖1所示。由FPGA產生偽隨機序列p(t)，用它調制光源，調制的光信號經過測量系統后到達接收端，光電轉換后得到的光輸出信號為x(t)，若測量過程僅影響輸入光信號的強度，則x(t)=ap(t)+n(t),其中a為輸出信號幅度，n(t)為噪聲和干擾。x(t)同發送端的偽隨機序列p(t)進行相關運算，互相關函數為:

式(2)表明只要測量互相關函數值就可以檢測到混在噪聲中的微弱信號的強度。

設兩個長為N的實離散時間序列x(n)與 y(n)的互相關函數定義為:

則可以證明，rxy(τ)的離散傅里葉變換為:

其中,X(k)=DFT[x(n)],Y(k)=DFT[y(n)],Rxy(k)=DFT[rxy(τ)]

證：將x(n)、y(n)的逆離散傅里葉變換代入互相關函數定義式:

因 x(n)是實序列，所以:x(n)=x*(n)，得:

當 x(n)=y(n)時，得到 x(n)的自相關函數為：

上面的推導表明，相關函數的計算可利用傅里葉變換實現。

2 系統硬件設計

2.1 信號的產生與調制

圖2為半導體激光器的驅動電路，也就是半導體激光器的調制電路采用直接調制，電路為雙端信號反相輸入，Q1與Q2的基極所加的信號大小相等、相位相反，這樣可以提高電路的開關速率，還有這種電路的溫度穩定性、抗電源干擾的性能都比較好。

系統所用LD光源在25℃時LD主要參數為：工作電流 35 mA～45 mA，工作電壓 2.3 V～2.6 V，輸出功率10 mW，型號為 HLD650010N5T

2.2 信號的接收

光信號的接收[4]電路主要由光電二極管、前置放大電路、主放大電路等組成。圖3是完整的微弱信號光電檢測電路。

光電二極管選擇了PIN光電二極管,因為PIN頻帶寬,輸出電流小(數微安)。PIN將接收的光信號變成與之成比例的微弱電流信號，通過運算放大器和與PIN串聯的電阻組成的放大器變換成電壓信號。選擇MAX420運算放大器作為前置放大電路的運放。它具有典型輸入失調電壓為1 μV,輸入偏置電流為10 pA。

2.3 信號的相關處理部分

信號的相關處理主要由 Cyclone2系列EP2C35F484C8C8芯片和A/D轉換芯片ADC0809完成。硬件實現 FFT[5-7]算法的方法主要有：DSP(通用數字信號處理器)；FFT專用芯片；FPGA。DSP具有純軟件實現的靈活性，適用于流程復雜的算法，但如果在DSP中完成FFT運算，不僅要占用大量DSP的運算時間，使整個數據吞吐率降低，也無法發揮DSP軟件實現的靈活性。因此，FFT運算應由FPGA完成。采用專用的FFT處理芯片，雖然速度能達到要求，但其可擴展性差。FPGA具有硬件結構可重構的特點。適合于算法結構固定、運算量大的前端數字信號處理。

2.3.1 FFT處理器總體設計

基-2 FFT模塊設計主要由六部分組成：碟形運算單元、地址產生單元、時序控制單元、存儲單元、時鐘單元和計數器，如圖4所示。

圖4 FFT處理器結構框圖

2.3.2 各模塊的功能概述

(1)碟形運算單元:碟形運算單元是FFT處理器的核心部分，采用DIT方式完成基-2碟形運算。

(2)地址產生單元:控制產生4組地址，原始數據存入RAM的地址、旋轉因子ROM的地址、中間結果的RAM地址和每個RAM的數據依次讀出的地址。

(3)時序控制單元:控制單元是整個系統的控制核心,各個功能模塊之間的地址、數據傳遞均通過控制單元協調工作，控制整個FFT系統的工作流程。其實現過程是在一個總體時鐘下按照預先制定的順序對不同模塊的時鐘端發出脈沖指令。基本工作時鐘通過參考各模塊工作最大延遲時間而設定。

(4)存儲單元:主要用來存儲輸入數據，中間結果(RAM),預置旋轉因子 (ROM),以及最后的計算結果(RAM)。

(5)時鐘單元:產生在FFT處理器中要用到的各種時鐘。

(6)計數器:用來計算碟形運算單元中級數和碟形運算的次數。

3 實驗

信號源由FPGA產生的偽隨機序列調制LD得到，偽隨機比特序列由生成多項式得到。產生650 nm的光信號。實驗采用波長為650 nm，功率為10 mW半導體激光管，調制頻率為732 Hz。利用信號的發散特性，可以通過調節光源和探測器的距離來調節輸入到光探測器的光信號的大小，檢測不同情況下的信號輸入。為了驗證設計的可行性，設計了如下的實驗，使用FPGA產生m序列，序列周期為2 047，用這個序列調制LD光源，輸出光源注入光纖,在光纖末端使用光電探測器接收光信號，放大后接A/D轉換器變成數字信號，用LabVIEW對數字信號進行實時采集并存儲到計算機中，同樣m序列也被存儲到計算機中，然后把這兩種信號進行互相關運算，其互相關函數峰值就是混在噪聲中的微弱光信號的強度，從實驗中可以得出輸出信號信噪比可以提高40 dB左右。在進行相關運算時一定要注意輸入的信號放大倍數不要太大，在0～5 V之間，，避免信號失真。通過LabVIEW采集后的數據是以 txt格式存儲。圖5(a)是m序列，圖5(b)是光纖輸出信號，圖5(c)是其相關函數，圖5(d)是由相關函數峰值得到的輸出信號時域波形，信噪比得到顯著提高。

本文通過對基于偽隨機序列微弱光信號檢測硬件系統各組成部分的介紹,提出了微弱光信號檢測的硬件電路設計方案,并最終用硬件電路實現了該設計方案。通過實驗測試驗證，所設計的硬件利用偽隨機序列的相關特性，在較強的噪聲背景下可以有效地檢測到淹沒在噪聲和干擾中的微弱光信號。

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