基于光電倍增管的自動增益控制技術研究

汪 鋒，孫開江，向小梅

(1.中國人民解放軍91388部隊，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的優勢主要體現在軍事用途，其一般應用于潛艇、無人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)、蛙人等［1］。海水水質的不同決定了光在水下衰減系數不同;水下無線光通信系統的工作特點決定了因發射、接收裝置的空間定位及空間取向造成的對準狀態不同，很容易就造成接收信號強弱的很大變化;海水中的浮游生物體也可以造成接收信號強弱變化甚至暫時的中斷。海軍的全球作戰使命要求適應不同的應用環境，所以水下無線光通信系統接收端必須具備接收大動態范圍信號的能力［2-3］。自動增益控制(automatic gain control，AGC)技術被廣泛應用于廣播、電視、通信、雷達、聲納等電子系統的接收機中，其主要作用是通過增益調整使接收機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波動對接收機的影響［4］。本文中從自動增益控制技術的基礎理論入手，利用光電倍增管的特性，研究適用水下無線光通信系統的AGC技術。

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射效應、二次電子發射效應和電子光學理論的基礎上，將微弱信號轉換成光電子并獲得倍增效應的真空光電發射器件。在水下無線光通信系統中，光電倍增管是接收端的核心器件，它的質量好壞決定了整個無線光通信系統的能力強弱。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系。

Table 1 Main parameters of photomultiplier tubes

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

AGC系統其實就是一種壓縮動態范圍的控制系統，其根據接收信號的強弱，自適應地調整電路增益，使得信號幅度在小范圍內波動。AGC技術的研究就是AGC電路的研究，AGC電路其實是一種典型的反饋伺服系統，很多人對此有詳細的論述［6-7］。

圖2是一個典型的反向AGC電路的原理框圖。其環路主要包括峰值檢測電路、對數放大電路、比較電路、環路濾波電路、可變增益放大器等部分。它的工作原理是將輸出信號的電平或峰值功率與參考值Uref相比較，差值分量經過環路濾波產生調整增益的電壓值，通過增益調整使得輸出信號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現AGC電路

考慮模擬AGC電路對干擾信號很敏感、容易使傳輸的信號發生幅度相位畸變等，其可靠性、穩定性和適應性存在局限性［7］，難以實現復雜、靈活的AGC算法，本文中采用數控AGC電路。根據光電倍增管R7400U具有增益可調的特性，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。設計如圖3所示AGC電路，其由峰值采樣∕保持電路、數字控制電路和高壓模塊電源電路組成。當輸出信號Uout被峰值采樣∕保持電路處理后送入數字控制電路，得到一個控制高壓模塊電源輸出電壓的控制信號，從而調節光電倍增管的增益，完成自動增益控制功能。

Fig.3 AGC based on photomultipliers

2．1 對高壓模塊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，所接負載就是光電倍增管R7400U。因為C4900的⑤腳上有其內部參考電壓，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［5］和參考文獻［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控制電壓的線性關系，從而壓縮光電倍增管輸出信號的動態范圍80dB，即實現適用于水下無線光通信系統的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輸出電壓只需在數控電路數模轉換器(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現對R7400U增益的自動控制，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/保持電路的實現

在模擬信號進行模數轉換時，根據香農抽樣定理，若有限帶寬連續信號的的最高頻率為fc，則必須保證抽樣頻率fs滿足:

但常規模數轉換器(analog to digital converter，ADC)都沒有這么高的工作頻率。為了保證模數的轉換精度，需要在模數轉換前加一個峰值保持電路。本文中采用LF398實現峰值采樣保持。LF398是美國國家半導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，由場效應管構成，具有采樣速率高、保持電壓下降慢和精度高等優點。它只需外接一個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型晶體管邏輯門電路(transistortransistor logic，TTL)、互補金屬氧化物半導體數字集成電路(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)的邏輯電平相連。由LF398構成的峰值保持電路如圖7所示，其由比較器 LM311、觸發器74LS74、與門74LS08、峰值采樣保持器LF398和必要的電阻、電容等構成［9-10］。

Fig.7 Peak sampling/holding circuit

2．3 數字控制電路的實現

數字控制電路對峰值保持采樣電路送來的信號進行處理，與內置數字參考信號進行比較，然后給高壓模塊電路發送合適的電壓信號。通過TMS320C54XX，MCS51和AtmegaXX系列等常用芯片的速度、計算能力、存儲容量、可靠性及開發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的輸入、輸出，以及對峰值采樣電路的時序控制，其它功能可以通過軟件直接實現。完成的工作主要有:對輸入進來的峰值保持信號進行模數轉化，與內置參考門限電壓進行判斷比較，根據設定的規則產生增益控制量并由DAC轉化為控制電壓送給高壓模塊控制端。本方案中需要實現的功能是把光電倍增管的輸出信號動態范圍壓縮到一個設定范圍內，顯然不需要信號峰值的真實幅度，只需要判斷信號峰值是否超過我們設定的一個信號峰值的范圍，即使ADC飽和時也可以做正確的判斷［4，11］。

數字控制電路關鍵是程序，采用雙門限步進算法產生高壓模塊電路的控制電壓。程序實現的主要功能為:當ADC采樣完成后就啟動程序運行，設采樣值為Us，將其與程序中預先設定的上、下門限Uh和Ul進行比較;當Us＜Ul時，控制DAC輸出電壓的字節步進單位長度;當Us＞Ul，控制DAC輸出電壓的字節減小單位長度;如果采樣值Us滿足Ul＜Us＜Uh，則相應的增益控制代碼不變，在可控增益電壓設定完成的同時，單片機給峰值采樣保持電路發送復位電平，該過程重復進行，達到壓縮光電倍增管輸出信號動態范圍的目的。圖8為其程序運行流程圖。

Fig.8 Flow chart to run

3 AGC電路用于無線LED光通信系統的實驗研究

將無線光通信系統的發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的負載，用SS4325直流穩壓電源為電路提供電源，用Agilent 33250A信號發生器發射方波信號加載在發射端的光信號上，用Lecroy Wave Runner 6100A示波器顯示輸出信號，同時用照度計測量接收端平面的照度大小。通過改變發射端和接收端對準角度或者利用衰減鏡片來模擬光在水中的衰減幅度，實驗示意圖如圖9所示。為防止噪聲干擾，該實驗在夜間無光源的情況下進行。

Fig.9 Block diagram in the atmosphere

圖10表示在不加載AGC電路時，信號發生器產生50kHz，200kHz的方波信號。當示波器顯示信號峰值500mV左右時，用照度計測量的最大光照度值，當顯示信號峰值100mV左右時，用照度計測量的最小光照度值。圖11表示在加載AGC電路時，信號發生器發送50kHz，200kHz的方波信號。當示波器顯示信號峰值500mV左右時，用照度計測量的最大光照度值;當顯示信號峰值100mV左右時，用照度計測量的最小光照度值。實驗中所用照度計為上海學聯儀表廠的ZDS-10W型照度計，測量范圍:0lx～199.9klx，測量精度:±4%±1個字，零點漂移:4h內不大于±1個字。

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

通過對比圖10和圖11中最大和最小光照度值可發現，該AGC電路將水下無線光通信系統樣機接收端信號的動態范圍擴大了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

實驗中AGC電路所處理的信號為1kΩ負載上的交流電壓信號，所以在實驗中設定上、下門限為0.5V和0.1V。根據表2中的數據，可確定本文中所設計AGC電路滿足實際應用前提下的壓縮系數:

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

而該AGC電路的真實響應時間無法直接測得，只能根據電路最終的硬件組成確定一個理論值，對其作出估計。首先在峰值保持電路中，LM311的響應時間為200ns，74LS74的響應時間為20ns，74LS08輸出電平由高到低傳輸延遲時間為20ns，LF398收集采樣信號時間為10μs，所以峰值保持電路的理論響應時間為10.24μs。數控電路的響應時間由 ADC轉換時間、DAC轉換時間、程序執行時間共同確定為1ms，所以整個AGC電路的響應時間可估計為1.1ms，上述值只能對真實值作出一定的估計，不能代替真實值。

4 結論

在水下無線光通信系統中，利用光電倍增管增益可調的特性設計AGC電路，并將設計的AGC電路加載到水下無線光通信系統中進行了空氣中的實驗，結果表明:所設計的AGC電路能有效壓縮水下無線光通信系統的輸入信號動態范圍，其壓縮系數為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，FANG Zh H，LI M X.Application of AGC technique［J］.Electrical Engineer，2002，28(24):35-37(in Chinese).

［7］ CAO P，FEI 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，FENG 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).