基于相關檢測的光回波損耗測試系統設計

楊家桂，殷仕淑，于帥珍

（安徽財經大學 電子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

基于相關檢測的光回波損耗測試系統設計

楊家桂，殷仕淑，于帥珍

（安徽財經大學 電子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

光連續波反射法是光纖器件回波損耗測量最常用的方法.針對高回波損耗狀態下該方法測量精度較差的情況，在分析其測量原理的基礎上，根據微弱信號檢測理論，提出了一種利用AD630進行相關檢測來提高回波信號信噪比的測量方案，結合雙二次帶通濾波和程控放大電路設計，簡化了設計，提高了回波損耗功率測量范圍，完全滿足目前回波損耗70dB動態范圍的測量要求.

光連續波反射法；相關檢測；光回波損耗；AD630

隨著光纖通信系統容量和速率的不斷提高，窄線寬激光器（如DFB激光器）得到了廣泛的應用，激光器的線寬越窄，其調制特性和光譜特性越容易受到傳輸反射信號的影響[1]，從而嚴重影響光纖通信系統的性能.即使是普通的FP激光器，其輸出特性也會在不同程度上受到反射信號的影響.因此，測量和控制各種光纖器件的反射特性就變得越來越重要.

1 光連續波反射法測量原理

1.1 光回波損耗定義

在纖維光學中，通常用回波損耗來表示光纖器件的反射特性.因此定義被測件的光回波損耗為入射光功率與反射光功率之比取對數，即：

其中：R為被測件的反射率，PI為入射到被測件的光功率，PRD為從被測件反射回來的光功率.光回波損耗的測量方法主要有光連續波反射法（簡稱為OCWR）、光相干域反射法[2]和光時域反射法[3]三種.光連續波反射法由于在價格、測量精度和實用性方面具有很大優勢，是光回波損耗測試現在普遍使用的方法[4].

1.2 光連續波反射法測量原理

傳統的光連續波反射法即光源-光功率計法，是通過光源、光探測器和光纖耦合器搭建的測試系統，根據光回波損耗定義測量的，由于該方法測量和計算較為繁瑣，實際使用的光回波損耗測試儀采用其替代方法即比較法，它通過把已知反射率的標準反射件對系統進行校準，標準件的反射光功率與待測件的反射光功率進行比較，準確測出待測件的光回波損耗值，其測量原理示意圖如圖1所示.

圖1 光連續波反射法測量原理示意

首先進行參考反射校準，即將已知反射率RREF的光器件作為標準反射件接入測試系統，測量接收到的反射光功率PDR（圖1步驟①所示）；其次進行終止反射校準，測量出待測件之前的反射光功率PDZ（圖1步驟②所示）；最后接入待測件測量接收到的反射光功率（PDD）（圖1步驟③所示），經過系列推導即可得出待測件的光回波損耗值[7]為：

這種測量方法選用的光源（激光器）由于受價格、壽命及穩定性考慮，一般輸出功率在2毫瓦（+3dBm）左右，而采用直流探測的普通光探測器（PIN）探測下限一般只能到-70dBm，所以在測量高回波損耗光纖器件（如APC跳線的回波損耗可達67dB)時回波信號的信噪比較差，導致測量精度和重復性較差，因此提高光探測器探測微弱信號的能力是提高回波損耗測量精度的重要因素.而系統中的噪聲主要是由光探測器的暗電流、背景噪聲、熱噪聲、散彈噪聲這些白噪聲組成，可以用相關檢測的方法來提高測量系統回波信號的信噪比.

2 相關檢測原理

圖2 互相關接收原理框圖

相關檢測技術作為一種利用信號的時間相關性而隨機噪聲的不相關性來實現微弱信號檢測的技術，能夠改善輸出信噪比[5].互相關的基本原理如圖2所示，設輸入信號f1(t)中除有用信號Si(t)之外，還混有隨機噪聲n(t)，f2(t)為參考信號，則得：

式中RnSR(τ)表示參考信號SR(t)與噪聲n(t)之間的相關函數.因為兩者沒有依附性，互不相關，若求積分平均的時間比較長，則相關函數RnSR(τ)≈0,R12，從而消除噪聲的影響提高信噪比.在相關檢測中，選擇不同的延遲時間，得到的結果是不同的，不延遲時輸出信噪比和信噪改善比的情況最好[6]，因此設計中采用輸入有用信號Si(t)和參考信號SR(t)是同一激勵源產生的，重復周期可以實現嚴格同步，不會造成變成起伏信號.

3 基于相關檢測的系統設計

3.1 系統工作原理

系統原理框圖如圖3所示.CPU控制激光器輸出1kHz調制光，經光纖耦合器進入待測器件.待測器件反射的光再經光纖耦合器進入光探測器PIN變為光電流，經程控I/V變換后得到1kHz的電壓信號.這個信號經過帶通濾波以及后級程控交流放大后，與同步信號一起送到相關檢測電路，在此只有1kHz的信號被提取出來，再經程控低通濾波及響應度補償放大電路，得到與功率成正比的直流電壓，經A/D變換得到表示功率大小的數字量.CPU控制處理系統主要用于相關過程控制并對獲得的數據進行處理和判斷，最后送顯示器顯示.

圖3 系統原理框圖

圖3中虛線框為相關檢測電路，主要由信號通道、參考通道和相敏檢波器等組成，信號通道由低噪聲前置放大器、有源帶通濾波器和可變增益交流放大器等組成，其作用是將弱信號放大到足以推動相敏檢波器工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲的功能，以提高相敏檢測的動態范圍，信號通道應是低噪聲、高增益的.

參考通道一般由觸發電路、倍頻電路、相移電路、方波形成電路及驅動電路組成，其輸出是與信號同步的對稱方波，用以驅動相關器的場效應管開關.參考觸發信號可在儀器內部產生，也可從外部輸入.本設計采用參考信號和被測信號由同一激勵源產生經驅動放大后提供的，以簡化電路設計.

相敏檢波器（PSD）由乘法器和低通濾波器（LPF）組成.信號經交流放大后，通過PSD將其頻譜遷移到直流（ω=0）的兩邊，利用參考信號和被測信號的相關性，將信號中的噪聲區分出來，然后由窄帶LPF濾除，就得到高信噪比的信號，經直流放大后輸出.

理論上該方案的信號通道和參考通道是嚴格同步的，但由于信號通道的多級放大和濾波作用的影響，實驗中發現信號通道信號滯后于參考信號，因此在同步方波信號后加了一級同步信號相位延遲調整電路，由RC和運放組成，通過調整R值（可調電位器調整）使信號通道和參考通道嚴格同步.

3.2 關鍵電路實現

3.2.1 程控I/V變換及前置放大電路

程控I/V轉換電路在此系統中很關鍵，因為經過PIN光電管轉換的電流信號十分微弱，并且包含了信號的調制噪聲、光電管暗電流噪聲等，為了減少后續電路對此微弱信號的吸收和干擾，提高信號接收靈敏度，本設計中可采用高輸入阻抗、低噪聲的JFET輸入極的集成運放.

前置放大電路用于對微弱信號的放大必須具有一定的帶寬，而且在前置放大電路中要最大限度地抑制噪聲，以獲得最大的信噪比，主要指標是低噪聲及一定的增益（100倍～1000倍）.可變增益交流放大器是信號放大的主要部件，它必須有很寬的增益調節范圍，以適應不同的輸入信號的需要.本設計中選用高輸入阻抗型的CA3140，其輸入偏置電流小，輸入電阻大，適用于PIN前置放大電路的設計應用[7].

3.2.2 雙二次帶通濾波電路

為了提高信號的濾波效果，本設計采用雙二次帶通濾波器對混在信號中的噪聲進行濾波，盡量排除帶外噪聲，并抑制奇次諧波的干擾，這樣不僅可以避免相敏檢波器（Phase Sensitive Delecter簡稱PSD）過載，而且可以進一步增加PSD輸出信噪比，以確保微弱信號的精確測量.其電路如圖4所示.

圖4 雙二次型帶通濾波器

并由此可得到該濾波器的特性參數：

這里我們設定的中心頻率f0=1kHz，Q=100，K0=10，根據截止頻率fc，選用電容C=0.1μF，由上述的三個公式即可算得電路中各電阻的值，如圖4中所示.

3.2.3 相關器電路

相關器是相關檢測電路中的核心部件，本設計采用AD630作為乘法器來實現，其電路框圖如圖5所示.

圖5 相關器電路框圖

AD630是一款高精度的平衡調制器[8]，內部電阻均是高穩定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩定性.它的常用于高精度的信號處理以及動態范圍寬的儀器設備.在鎖相放大電路中，當其用作同步解調器時，可以恢復在100dB噪聲背景下的微弱信號.AD630最優的工作頻率是在1kHz，本系統是通過電調制的方式把直流光信號調制為1kHz的交流方波信號通過1腳送入，參考信號采用經過相位延遲調整后的同步方波信號，通過9腳輸入到比較放大器.待檢測信號在器件內部根據載波信號的正負進行翻轉，實現了開關乘法功能.U2組成的積分器具有低通濾波的作用.

因系統對奇次諧波頻率相一致的噪聲是有響應的，限制了相關檢測的接收靈敏限，因此在相關檢測之前采用上述的雙二次帶通濾波器，利用相敏檢波器與雙二次帶通濾波器相串聯，不僅彌補帶通濾波器頻帶太寬時品質系數不高的弱點，又克服了相敏檢波器奇次諧波缺口的弊病，這樣綜合濾波的效果會大為改善.

4 結束語

通過相關檢測技術的應用，光回波損耗測試儀的光功率探測能力的下限擴展了約20dB，完全滿足了70dB回波損耗動態范圍的測量要求.設計中在激光器的輸出端增加一個約40dB的單級光隔離器，抑制反射光對光源穩定性的影響，非常適合光纖無源器件回波損耗的測量.

〔1〕李健，張志新，姚和軍，等.光無源器件回波損耗測試方法研究[J].計量學報，2009,30(12)：46-48.

〔2〕Mathias Lischke, AndreasGerster, Christian Hentschel.Return Loss Solutions with the Agilent 8161X Return Loss Modules Application Note[EB/OL].Agilent Technologies.

〔3〕楊家桂.基于光時域反射技術的回波損耗測量[J].光纖與電纜及其應用技術，2008（6）：21-24.

〔4〕詹志強.光回波損耗（后向反射）測試儀的校準[J].電子測量技術，2008，31（9）：31-34.

〔5〕韋衛東.抗背景光干擾的雙波長激光脈沖相關檢測方法 [J].紅外與激光工程，2012，41（7）：1777-1783.

〔6〕肖洪梅，吳健，陳長庚，等.微弱激光脈沖信號的相關檢測[J].光學與光電技術，2004，2（1）：61-64.

〔7〕鐘躍明.光回波損耗測試儀設計與研究[D].合肥工業大學，2007.8-9

〔8〕Analog Devices Corporation.Balanced M odulator/Demodulator AD630[EB/OL].

TN929.1

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1673-260X（2014）02-0034-03