基于光電倍增管的自動(dòng)增益控制技術(shù)研究

汪 鋒，孫開江，向小梅

(1.中國人民解放軍91388部隊(duì)，湛江524022;2.長江武漢航道局，武漢430014)

引 言

水下無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在軍事用途，其一般應(yīng)用于潛艇、無人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)、蛙人等［1］。海水水質(zhì)的不同決定了光在水下衰減系數(shù)不同;水下無線光通信系統(tǒng)的工作特點(diǎn)決定了因發(fā)射、接收裝置的空間定位及空間取向造成的對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)不同，很容易就造成接收信號(hào)強(qiáng)弱的很大變化;海水中的浮游生物體也可以造成接收信號(hào)強(qiáng)弱變化甚至?xí)簳r(shí)的中斷。海軍的全球作戰(zhàn)使命要求適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，所以水下無線光通信系統(tǒng)接收端必須具備接收大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的能力［2-3］。自動(dòng)增益控制(automatic gain control，AGC)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通信、雷達(dá)、聲納等電子系統(tǒng)的接收機(jī)中，其主要作用是通過增益調(diào)整使接收機(jī)射頻單元的輸出電平保持基本恒定，從而減小由信道衰落等因素所造成的信號(hào)波動(dòng)對(duì)接收機(jī)的影響［4］。本文中從自動(dòng)增益控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論入手，利用光電倍增管的特性，研究適用水下無線光通信系統(tǒng)的AGC技術(shù)。

1 光電倍增管的特性和AGC基本原理

光電倍增管是建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射效應(yīng)和電子光學(xué)理論的基礎(chǔ)上，將微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增效應(yīng)的真空光電發(fā)射器件。在水下無線光通信系統(tǒng)中，光電倍增管是接收端的核心器件，它的質(zhì)量好壞決定了整個(gè)無線光通信系統(tǒng)的能力強(qiáng)弱。日本的濱松公司的R7400型高速光電倍增管是一種典型光電倍增管，其主要參量如表1所示［5］。光電倍增管R7400工作在高壓狀態(tài)下，同樣采用濱松公司的C4900型高壓模塊電源為其供電，它的增益可隨工作電壓改變，即高壓模塊電源的輸出電壓可控制光電倍增管R7400的增益。圖1描述的是光電倍增管R7400U增益隨其加載在兩端工作電壓大小變化的關(guān)系。

Table 1 Main parameters of photomultiplier tubes

Fig.1 Relationship of R7400U’s gain and working voltage

AGC系統(tǒng)其實(shí)就是一種壓縮動(dòng)態(tài)范圍的控制系統(tǒng)，其根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱，自適應(yīng)地調(diào)整電路增益，使得信號(hào)幅度在小范圍內(nèi)波動(dòng)。AGC技術(shù)的研究就是AGC電路的研究，AGC電路其實(shí)是一種典型的反饋伺服系統(tǒng)，很多人對(duì)此有詳細(xì)的論述［6-7］。

圖2是一個(gè)典型的反向AGC電路的原理框圖。其環(huán)路主要包括峰值檢測(cè)電路、對(duì)數(shù)放大電路、比較電路、環(huán)路濾波電路、可變?cè)鲆娣糯笃鞯炔糠帧Ｋ墓ぷ髟硎菍⑤敵鲂盘?hào)的電平或峰值功率與參考值Uref相比較，差值分量經(jīng)過環(huán)路濾波產(chǎn)生調(diào)整增益的電壓值，通過增益調(diào)整使得輸出信號(hào)電平或峰值功率與參考值保持一致。

Fig.2 Typical AGC loop

2 基于光電倍增管的特性實(shí)現(xiàn)AGC電路

考慮模擬AGC電路對(duì)干擾信號(hào)很敏感、容易使傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生幅度相位畸變等，其可靠性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性存在局限性［7］，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、靈活的AGC算法，本文中采用數(shù)控AGC電路。根據(jù)光電倍增管R7400U具有增益可調(diào)的特性，即光電倍增管的增益大小由高壓模塊電源電路的輸出電壓決定。設(shè)計(jì)如圖3所示AGC電路，其由峰值采樣∕保持電路、數(shù)字控制電路和高壓模塊電源電路組成。當(dāng)輸出信號(hào)Uout被峰值采樣∕保持電路處理后送入數(shù)字控制電路，得到一個(gè)控制高壓模塊電源輸出電壓的控制信號(hào)，從而調(diào)節(jié)光電倍增管的增益，完成自動(dòng)增益控制功能。

Fig.3 AGC based on photomultipliers

2．1 對(duì)高壓模塊C4900的控制

C4900控制輸出電壓如圖4所示，圖中IC是集成電路(integrated circuit，IC)。用(0～5)V的電壓控制，所接負(fù)載就是光電倍增管R7400U。因?yàn)镃4900的⑤腳上有其內(nèi)部參考電壓，其典型值為5.13V，所以C4900的輸出電壓控制曲線如圖5所示。參考文獻(xiàn)［5］和參考文獻(xiàn)［8］中給出了R7400U的典型增益值為7×105，為了使增益在典型增益值周圍變化，由圖1和圖5可設(shè)定R7400U的增益變化范圍為103～107，建立R7400U增益與C4900控制電壓的線性關(guān)系，從而壓縮光電倍增管輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍80dB，即實(shí)現(xiàn)適用于水下無線光通信系統(tǒng)的AGC電路。

Fig.4 Control of output voltage

Fig.5 Relationship of output voltage and control voltage

Fig.6 Connection circuit of C4900 and digital control circuit

用電壓控制C4900輸出電壓只需在數(shù)控電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter，DAC)輸出端和C4900控制電壓輸入端加上放大器和合適的電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)R7400U增益的自動(dòng)控制，如圖6所示，PMTV代表C4900的控制電壓，與C4900的④腳相連。

2．2 峰值采樣/保持電路的實(shí)現(xiàn)

在模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，根據(jù)香農(nóng)抽樣定理，若有限帶寬連續(xù)信號(hào)的的最高頻率為fc，則必須保證抽樣頻率fs滿足:

但常規(guī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)都沒有這么高的工作頻率。為了保證模數(shù)的轉(zhuǎn)換精度，需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換前加一個(gè)峰值保持電路。本文中采用LF398實(shí)現(xiàn)峰值采樣保持。LF398是美國國家半導(dǎo)體公司研制的集成采樣∕保持器，它是一種反饋型采樣∕保持放大器，由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，具有采樣速率高、保持電壓下降慢和精度高等優(yōu)點(diǎn)。它只需外接一個(gè)保持電容就能完成采樣保持功能，其采樣保持控制端可直接與雙極結(jié)型晶體管邏輯門電路(transistortransistor logic，TTL)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體數(shù)字集成電路(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)的邏輯電平相連。由LF398構(gòu)成的峰值保持電路如圖7所示，其由比較器 LM311、觸發(fā)器74LS74、與門74LS08、峰值采樣保持器LF398和必要的電阻、電容等構(gòu)成［9-10］。

Fig.7 Peak sampling/holding circuit

2．3 數(shù)字控制電路的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字控制電路對(duì)峰值保持采樣電路送來的信號(hào)進(jìn)行處理，與內(nèi)置數(shù)字參考信號(hào)進(jìn)行比較，然后給高壓模塊電路發(fā)送合適的電壓信號(hào)。通過TMS320C54XX，MCS51和AtmegaXX系列等常用芯片的速度、計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量、可靠性及開發(fā)難度的綜合分析比較，最后選用C8051F040作為控制處理芯片。C8051F040芯片集成了ADC和DAC模塊，故它的引腳配置只需要考慮模擬信號(hào)的輸入、輸出，以及對(duì)峰值采樣電路的時(shí)序控制，其它功能可以通過軟件直接實(shí)現(xiàn)。完成的工作主要有:對(duì)輸入進(jìn)來的峰值保持信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，與內(nèi)置參考門限電壓進(jìn)行判斷比較，根據(jù)設(shè)定的規(guī)則產(chǎn)生增益控制量并由DAC轉(zhuǎn)化為控制電壓送給高壓模塊控制端。本方案中需要實(shí)現(xiàn)的功能是把光電倍增管的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍壓縮到一個(gè)設(shè)定范圍內(nèi)，顯然不需要信號(hào)峰值的真實(shí)幅度，只需要判斷信號(hào)峰值是否超過我們?cè)O(shè)定的一個(gè)信號(hào)峰值的范圍，即使ADC飽和時(shí)也可以做正確的判斷［4，11］。

數(shù)字控制電路關(guān)鍵是程序，采用雙門限步進(jìn)算法產(chǎn)生高壓模塊電路的控制電壓。程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能為:當(dāng)ADC采樣完成后就啟動(dòng)程序運(yùn)行，設(shè)采樣值為Us，將其與程序中預(yù)先設(shè)定的上、下門限Uh和Ul進(jìn)行比較;當(dāng)Us＜Ul時(shí)，控制DAC輸出電壓的字節(jié)步進(jìn)單位長度;當(dāng)Us＞Ul，控制DAC輸出電壓的字節(jié)減小單位長度;如果采樣值Us滿足Ul＜Us＜Uh，則相應(yīng)的增益控制代碼不變，在可控增益電壓設(shè)定完成的同時(shí)，單片機(jī)給峰值采樣保持電路發(fā)送復(fù)位電平，該過程重復(fù)進(jìn)行，達(dá)到壓縮光電倍增管輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的目的。圖8為其程序運(yùn)行流程圖。

Fig.8 Flow chart to run

3 AGC電路用于無線LED光通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

將無線光通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端置于同一平面的同一條直線上，二者距離4m，輸出端接1kΩ的負(fù)載，用SS4325直流穩(wěn)壓電源為電路提供電源，用Agilent 33250A信號(hào)發(fā)生器發(fā)射方波信號(hào)加載在發(fā)射端的光信號(hào)上，用Lecroy Wave Runner 6100A示波器顯示輸出信號(hào)，同時(shí)用照度計(jì)測(cè)量接收端平面的照度大小。通過改變發(fā)射端和接收端對(duì)準(zhǔn)角度或者利用衰減鏡片來模擬光在水中的衰減幅度，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖9所示。為防止噪聲干擾，該實(shí)驗(yàn)在夜間無光源的情況下進(jìn)行。

Fig.9 Block diagram in the atmosphere

圖10表示在不加載AGC電路時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50kHz，200kHz的方波信號(hào)。當(dāng)示波器顯示信號(hào)峰值500mV左右時(shí)，用照度計(jì)測(cè)量的最大光照度值，當(dāng)顯示信號(hào)峰值100mV左右時(shí)，用照度計(jì)測(cè)量的最小光照度值。圖11表示在加載AGC電路時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)送50kHz，200kHz的方波信號(hào)。當(dāng)示波器顯示信號(hào)峰值500mV左右時(shí)，用照度計(jì)測(cè)量的最大光照度值;當(dāng)顯示信號(hào)峰值100mV左右時(shí)，用照度計(jì)測(cè)量的最小光照度值。實(shí)驗(yàn)中所用照度計(jì)為上海學(xué)聯(lián)儀表廠的ZDS-10W型照度計(jì)，測(cè)量范圍:0lx～199.9klx，測(cè)量精度:±4%±1個(gè)字，零點(diǎn)漂移:4h內(nèi)不大于±1個(gè)字。

Fig.10 Signal before loading AGC systema—50kHz，38lx b—50kHz，3.2lx c—200kHz，30lx d—200kHz，3.1lx

通過對(duì)比圖10和圖11中最大和最小光照度值可發(fā)現(xiàn)，該AGC電路將水下無線光通信系統(tǒng)樣機(jī)接收端信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大了40dB(-20dB～20dB)，表2中列出了這種前后變化。

Fig.11 Signal after loading AGC systema—50kHz，300lx b—50kHz，0.2lx c—200kHz，290lx d—200kHz，0.3lx

Table 2 Contrast of maximum and minimum of illumination intensity

實(shí)驗(yàn)中AGC電路所處理的信號(hào)為1kΩ負(fù)載上的交流電壓信號(hào)，所以在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定上、下門限為0.5V和0.1V。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可確定本文中所設(shè)計(jì)AGC電路滿足實(shí)際應(yīng)用前提下的壓縮系數(shù):

式中，Din=20lg1000=60dB，Dout=20lg10=20dB。

而該AGC電路的真實(shí)響應(yīng)時(shí)間無法直接測(cè)得，只能根據(jù)電路最終的硬件組成確定一個(gè)理論值，對(duì)其作出估計(jì)。首先在峰值保持電路中，LM311的響應(yīng)時(shí)間為200ns，74LS74的響應(yīng)時(shí)間為20ns，74LS08輸出電平由高到低傳輸延遲時(shí)間為20ns，LF398收集采樣信號(hào)時(shí)間為10μs，所以峰值保持電路的理論響應(yīng)時(shí)間為10.24μs。數(shù)控電路的響應(yīng)時(shí)間由 ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間、DAC轉(zhuǎn)換時(shí)間、程序執(zhí)行時(shí)間共同確定為1ms，所以整個(gè)AGC電路的響應(yīng)時(shí)間可估計(jì)為1.1ms，上述值只能對(duì)真實(shí)值作出一定的估計(jì)，不能代替真實(shí)值。

4 結(jié)論

在水下無線光通信系統(tǒng)中，利用光電倍增管增益可調(diào)的特性設(shè)計(jì)AGC電路，并將設(shè)計(jì)的AGC電路加載到水下無線光通信系統(tǒng)中進(jìn)行了空氣中的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的AGC電路能有效壓縮水下無線光通信系統(tǒng)的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，其壓縮系數(shù)為3，提高了水下無線光通信的有效范圍。

［1］ COCHENOUR M，LINDA J M.Optical propagation in the underwater environment［J］.Journal of Oceanic Engineering，2008，33(4):513-521.

［2］ SUI M H.The key technology research on underwater wireless optical communication systems［D］.Qingdao:Ocean University of China，2009:10-31(in Chinese).

［3］ WANG F，RAO J H.Realize variable gain amplifier in the underwater optical wireless communication system［J］.Laser Technology，2012，36(1):99-102(in Chinese).

［4］ ZHANG Zh G.90dB wide dynamic range controllable agc system design and its application in radar remote measurement platform［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2009:15-23(in Chinese).

［5］ HAMAMATSU PHOTONICS K K.R7400 datasheet［EB/OL］.(2013-03-04)［2014-01-25］.http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/PMT-handbook-v3aE.pdf.

［6］ CAI L Y，F(xiàn)ANG Zh H，LI M X.Application of AGC technique［J］.Electrical Engineer，2002，28(24):35-37(in Chinese).

［7］ CAO P，F(xiàn)EI Y Ch.Design of a large dynamic range and broad band digital if AGC system［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2003，23(5):613-616(in Chinese).

［8］ HAMAMATSU PHOTONICS K K.C4900 datasheet［EB/OL］.(2012-11-07)［2014-01-25］.http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/3004/3055/C4900/index.html.

［9］ HU X L，WENG D Sh，F(xiàn)ENG Q，et al.A peak hold circuit for narrow pulse［J］.Nuclear Electronics＆ Detection Technology，2009，29(1):42-45(in Chinese).

［10］ HU Ch Y，XI H Q.A kind of practical pulse peak hold circuit［J］.Nuclear Electronics＆ Detection Technology，2009，29(1):379-380(in Chinese).

［11］ CHEN J J，ZENG X H，LI ZHENG R，et al.Design and realization of automatic gain control in electronic warfare［J］.Electronics Optics＆ Control，2008，15(1):77-80(in Chinese).