基于相關(guān)檢測的光回波損耗測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊家桂，殷仕淑，于帥珍

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 電子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

基于相關(guān)檢測的光回波損耗測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊家桂，殷仕淑，于帥珍

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 電子信息工程系，安徽 蚌埠 233030）

光連續(xù)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(tài)下該方法測量精度較差的情況，在分析其測量原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)微弱信號檢測理論，提出了一種利用AD630進(jìn)行相關(guān)檢測來提高回波信號信噪比的測量方案，結(jié)合雙二次帶通濾波和程控放大電路設(shè)計(jì)，簡化了設(shè)計(jì)，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(tài)范圍的測量要求.

光連續(xù)波反射法；相關(guān)檢測；光回波損耗；AD630

隨著光纖通信系統(tǒng)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(yīng)用，激光器的線寬越窄，其調(diào)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(yán)重影響光纖通信系統(tǒng)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(xù)波反射法測量原理

1.1 光回波損耗定義

在纖維光學(xué)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(shù)，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(xù)波反射法（簡稱為OCWR）、光相干域反射法[2]和光時(shí)域反射法[3]三種.光連續(xù)波反射法由于在價(jià)格、測量精度和實(shí)用性方面具有很大優(yōu)勢，是光回波損耗測試現(xiàn)在普遍使用的方法[4].

1.2 光連續(xù)波反射法測量原理

傳統(tǒng)的光連續(xù)波反射法即光源-光功率計(jì)法，是通過光源、光探測器和光纖耦合器搭建的測試系統(tǒng)，根據(jù)光回波損耗定義測量的，由于該方法測量和計(jì)算較為繁瑣，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)反射件對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)件的反射光功率與待測件的反射光功率進(jìn)行比較，準(zhǔn)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(xù)波反射法測量原理示意

首先進(jìn)行參考反射校準(zhǔn)，即將已知反射率RREF的光器件作為標(biāo)準(zhǔn)反射件接入測試系統(tǒng)，測量接收到的反射光功率PDR（圖1步驟①所示）；其次進(jìn)行終止反射校準(zhǔn)，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(jīng)過系列推導(dǎo)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(jià)格、壽命及穩(wěn)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(dá)67dB)時(shí)回波信號的信噪比較差，導(dǎo)致測量精度和重復(fù)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(tǒng)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(guān)檢測的方法來提高測量系統(tǒng)回波信號的信噪比.

2 相關(guān)檢測原理

圖2 互相關(guān)接收原理框圖

相關(guān)檢測技術(shù)作為一種利用信號的時(shí)間相關(guān)性而隨機(jī)噪聲的不相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)微弱信號檢測的技術(shù)，能夠改善輸出信噪比[5].互相關(guān)的基本原理如圖2所示，設(shè)輸入信號f1(t)中除有用信號Si(t)之外，還混有隨機(jī)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(guān)函數(shù).因?yàn)閮烧邲]有依附性，互不相關(guān)，若求積分平均的時(shí)間比較長，則相關(guān)函數(shù)RnSR(τ)≈0,R12，從而消除噪聲的影響提高信噪比.在相關(guān)檢測中，選擇不同的延遲時(shí)間，得到的結(jié)果是不同的，不延遲時(shí)輸出信噪比和信噪改善比的情況最好[6]，因此設(shè)計(jì)中采用輸入有用信號Si(t)和參考信號SR(t)是同一激勵(lì)源產(chǎn)生的，重復(fù)周期可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，不會造成變成起伏信號.

3 基于相關(guān)檢測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)原理框圖如圖3所示.CPU控制激光器輸出1kHz調(diào)制光，經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入待測器件.待測器件反射的光再經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入光探測器PIN變?yōu)楣怆娏鳎?jīng)程控I/V變換后得到1kHz的電壓信號.這個(gè)信號經(jīng)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(guān)檢測電路，在此只有1kHz的信號被提取出來，再經(jīng)程控低通濾波及響應(yīng)度補(bǔ)償放大電路，得到與功率成正比的直流電壓，經(jīng)A/D變換得到表示功率大小的數(shù)字量.CPU控制處理系統(tǒng)主要用于相關(guān)過程控制并對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，最后送顯示器顯示.

圖3 系統(tǒng)原理框圖

圖3中虛線框?yàn)橄嚓P(guān)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(tài)范圍，信號通道應(yīng)是低噪聲、高增益的.

參考通道一般由觸發(fā)電路、倍頻電路、相移電路、方波形成電路及驅(qū)動電路組成，其輸出是與信號同步的對稱方波，用以驅(qū)動相關(guān)器的場效應(yīng)管開關(guān).參考觸發(fā)信號可在儀器內(nèi)部產(chǎn)生，也可從外部輸入.本設(shè)計(jì)采用參考信號和被測信號由同一激勵(lì)源產(chǎn)生經(jīng)驅(qū)動放大后提供的，以簡化電路設(shè)計(jì).

相敏檢波器（PSD）由乘法器和低通濾波器（LPF）組成.信號經(jīng)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(guān)性，將信號中的噪聲區(qū)分出來，然后由窄帶LPF濾除，就得到高信噪比的信號，經(jīng)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(yán)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(diào)整電路，由RC和運(yùn)放組成，通過調(diào)整R值（可調(diào)電位器調(diào)整）使信號通道和參考通道嚴(yán)格同步.

3.2 關(guān)鍵電路實(shí)現(xiàn)

3.2.1 程控I/V變換及前置放大電路

程控I/V轉(zhuǎn)換電路在此系統(tǒng)中很關(guān)鍵，因?yàn)榻?jīng)過PIN光電管轉(zhuǎn)換的電流信號十分微弱，并且包含了信號的調(diào)制噪聲、光電管暗電流噪聲等，為了減少后續(xù)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(shè)計(jì)中可采用高輸入阻抗、低噪聲的JFET輸入極的集成運(yùn)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(biāo)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(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)不同的輸入信號的需要.本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)采用雙二次帶通濾波器對混在信號中的噪聲進(jìn)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(jìn)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(shù)：

這里我們設(shè)定的中心頻率f0=1kHz，Q=100，K0=10，根據(jù)截止頻率fc，選用電容C=0.1μF，由上述的三個(gè)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(guān)器電路

相關(guān)器是相關(guān)檢測電路中的核心部件，本設(shè)計(jì)采用AD630作為乘法器來實(shí)現(xiàn)，其電路框圖如圖5所示.

圖5 相關(guān)器電路框圖

AD630是一款高精度的平衡調(diào)制器[8]，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性.它的常用于高精度的信號處理以及動態(tài)范圍寬的儀器設(shè)備.在鎖相放大電路中，當(dāng)其用作同步解調(diào)器時(shí)，可以恢復(fù)在100dB噪聲背景下的微弱信號.AD630最優(yōu)的工作頻率是在1kHz，本系統(tǒng)是通過電調(diào)制的方式把直流光信號調(diào)制為1kHz的交流方波信號通過1腳送入，參考信號采用經(jīng)過相位延遲調(diào)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(nèi)部根據(jù)載波信號的正負(fù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)乘法功能.U2組成的積分器具有低通濾波的作用.

因系統(tǒng)對奇次諧波頻率相一致的噪聲是有響應(yīng)的，限制了相關(guān)檢測的接收靈敏限，因此在相關(guān)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(lián)，不僅彌補(bǔ)帶通濾波器頻帶太寬時(shí)品質(zhì)系數(shù)不高的弱點(diǎn)，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(jié)束語

通過相關(guān)檢測技術(shù)的應(yīng)用，光回波損耗測試儀的光功率探測能力的下限擴(kuò)展了約20dB，完全滿足了70dB回波損耗動態(tài)范圍的測量要求.設(shè)計(jì)中在激光器的輸出端增加一個(gè)約40dB的單級光隔離器，抑制反射光對光源穩(wěn)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(jì)量學(xué)報(bào)，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(shí)域反射技術(shù)的回波損耗測量[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2008（6）：21-24.

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

〔5〕韋衛(wèi)東.抗背景光干擾的雙波長激光脈沖相關(guān)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(guān)檢測[J].光學(xué)與光電技術(shù)，2004，2（1）：61-64.

〔7〕鐘躍明.光回波損耗測試儀設(shè)計(jì)與研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，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