PIN-TIA光電探測器光電流檢測電路的RLS去噪

舒斌 顏科 仲順順

摘要：在測量10 Gh/s PIN-TIA光電探測器Monitor引腳電流時，會受到外界環(huán)境噪聲以及內部噪聲的影響，使得測量值夾雜噪聲，影響測量的準確性。為了減少IO Gh/s PIN-TIA光電探測器Monitor引腳電流的測量誤差，結合“自適應濾波”與“去除尖峰脈沖的中位值”算法，優(yōu)化了10 Gh/s PIN-TIA內部電路的主要噪聲來源對輸出電流信號的影響;設計50 Hz陷波器及高頻濾波器減少了50 Hz工頻信號的干擾以及對信號中混雜的高頻信號也一并進行了濾除。使用Multisum，Matlab軟件進行了仿真。結果證明經過以上方法對噪聲進行處理后，能夠有效地降低噪聲對于10 Gb/s PIN-TIA光電探測器輸出電流的測量誤差，提高測量的精度和穩(wěn)定性。

關鍵詞：光電探測器;10 Gh/s PIN-TIA;噪聲分析;噪聲抑制;RLS濾波算法;仿真分析

中圖分類號：TN206-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0001-04

0 引言

10 Gb/s PIN-TIA光接收器是用于光通信系統(tǒng)中將微弱的光信號轉換成電信號并將信號進行一定強度低噪聲放大的探測器件。其工作原理是：PIN的光敏面受探測光照射時，由于PN結處于反向偏置，光生載流子在電場的作用下產生漂移，在外電路產生光電流。10 Gb/sPIN-TIA的封裝原理為：通過對10 Gb/s PIN-TIA輸出的電流進行采集檢測，而10 Gb/s PIN_rrIA的輸出電壓大小與入射光強成正比，故通過對該電壓的檢測可找到最佳耦合點，并進行封裝。而光電探測器在進行光電轉換過程中，會引入噪聲，噪聲的產生將不可避免地使轉換后的電信號與原始信號相比有一定的偏差，影響信號的準確性。而且由于二極管（ PIN）產生的光電流非常微弱，常常會出現(xiàn)信號淹沒在噪聲中的情況。因此，對于光電檢測電路進行噪聲分析并抑制，對于實際的10 Gb/sPIN-TIA的穩(wěn)定封裝具有重要的意義。

1 光電探測電路噪聲的理論分析

1.1 光電探測器接收組件存在的主要噪聲

圖1為10 Gb/s PIN-TIA光電探測器接收組件的內部簡圖。10 Gb/s PIN-TIA光電探測器接收組件Monitor引腳電流檢測電路中，除了光電二極管產生的電流以外，還存在一些會對電路檢測造成影響的噪聲電流、電壓。對于該檢測電路而言，噪聲的來源主要有兩種，即外部噪聲和內部噪聲[1]。

外部噪聲：主要由輻射源隨機波動、附加的光調制、光路傳輸介質的湍流和背景起伏、雜散光的入射及檢測系統(tǒng)所受到的電磁干擾等因素。在生產過程中，絕大部分為外部電源噪聲的高頻干擾以及50 Hz工頻信號對信號采集的干擾。

內部噪聲：它是光電檢測器器件和檢測電路的固有噪聲，它伴隨著電路的工作而產生，主要有散粒噪聲、電阻熱噪聲、暗電流噪聲或1/f噪聲。其中，散粒噪聲是由于電子發(fā)射不均勻性所引起的噪聲，又稱散彈噪聲。熱噪聲主要出現(xiàn)在半導體和任何導體中，而10 Gb/s PIN-TIA中二極管的節(jié)電阻和電路中的電阻就會產生熱噪聲，輸出的熱噪聲電壓與檢測電路同頻帶和絕對溫度具有很大關系。而暗電流噪聲或1/f噪聲幾乎存在于所有探測器中，一般說，只要限制低頻段的調制頻率不低于1 kHz，這種噪聲就可以防止。

1.2 光電探測器的平均噪聲電流

經過上述對探測電路的噪聲分析可知，探測器的輸出噪聲主要為1/f噪聲、散粒噪聲以及熱噪聲，其噪聲電流的計算公式為[2]：

2 光電檢測電路噪聲抑制

2.1 硬件濾波——抑制50 Hz工頻干擾

在我國采用的是50 Hz頻率的交流電，所以在平時需要對信號進行采集處理和分析時，常會存在50 Hz的工頻干擾，對電流測量造成干擾。

由于測量的電流是信號經過導線引入測量單元，對于工頻信號來說，這段導線相當于“天線”，會撿拾工頻電磁波中的電磁場干擾，在采集后的數據中顯示出工頻干擾的數值，且幅值較大。這種工頻信號的影響顯然對于測量的數值產生了較大的影響。

在小信號采集中，對于這種工頻信號經常采用陷波器對頻率為50 Hz的信號進行抑制[4]，減弱工頻信號對信號數據采集的影響[5]。常見的陷波器有雙T單運放同向放大器、雙T雙跟隨陷波器[6]。在此兩種陷波器中，由于雙T雙跟隨電路具有阻帶外增益為1，Q值可獨立調節(jié)、特性穩(wěn)定等優(yōu)點，故在設計時選用雙T雙跟隨陷波器。圖2為50 Hz陷波電路原理圖，其Bode圖如圖3所示，可以看出其對于50 Hz信號有較好的抑制作用。仿真效果如圖4所示。

2.2 軟件濾波——抑制散粒、熱噪聲等白噪聲

光電探測器內部的散粒噪聲、熱噪聲等都是一種典型的高斯白噪聲[7]。高斯白噪聲的特征為其功率譜密度服從均勻分布，幅度分布服從高斯分布。對于此種噪聲不宜使用硬件濾波，因為硬件電路中的各種電子元器件都會產生噪聲，將給電路帶來額外的噪聲，故選用軟件濾波。在該處應用了自適應濾波法和去除尖峰脈沖的平均值濾波法對該噪聲進行濾除。此處應用的自適應濾波方法為RLS自適應濾波遞歸RLS算法，旨在使期望信號與模型濾波器輸出之差的平方和達到最小，從而在迭代過程中采集到輸入信號的值時，采用遞歸形式求解最小值的方法，進而得出最優(yōu)解的算法就是遞歸最小二乘算法（RLS）[8]。

圖5為自適應噪聲抵消系統(tǒng)原理框圖[11]。在圖中d（k）包含有用信號e1（k）以及噪聲信號x1（k），為輸入信號;參考輸入信號x（¨是與噪聲相關的信號，參考輸入信號x（k）經過濾波算法后變?yōu)閥（k），由圖5可以看出，最后輸出的信號e（k）=x1（k）+e1（k） -y（k）。

3 仿真與分析

為了對比研究RLS在濾波方面相對于常采用的中值濾波方法[11]的優(yōu)越性，本次仿真分別采用中值濾波法以及自適應濾波法對疊加了噪聲后的信號進行濾波。原始信號的采樣率為f=10 kHz，噪聲為高斯白噪聲，以及50 Hz工頻噪聲。高斯白噪聲參數為v（n）-WGN（O，σ2），σ2=0.1。10 Gb/s PIN-TIA光電探測器在接收一光功率恒定的光照射，其產生的光電流的值在沒有任何噪聲為基本恒定的值，如圖6所示。混疊噪聲的信號波形如圖7所示。

圖7為疊加50 Hz工頻噪聲、散粒噪聲以及熱噪聲等高斯白噪聲以后的波形圖。從圖中可以看出，此時信號雜亂無章，且變化范圍較大。在信噪比為0 dB的情況下，圖8為自適應濾波后輸出的波形，相對于圖9所示的中值濾波波形，其波動范圍小，且收斂迅速。在信噪比為-3 dB的情況下，圖10為自適應濾波后輸出的波形，圖11為中值濾波波形，可以看出自適應濾波相對于中值濾波依然能夠很好地還原出原始電流信號。

4 結語

通過分析光電探測器采集電路中的噪聲產生原因及其對電流信號的影響，設計了帶阻濾波以及基于遞歸RLS自適應的濾波相結合的降噪方法，有效地降低了噪聲信號，仿真結果顯示，基于遞歸RLS自適應的濾波方法表現(xiàn)出了優(yōu)異的濾波性能，增強了光電流檢測的準確性。

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作者簡介：舒斌（1989-），男，江西贛州人，碩士，研究方向為信息器件制造。

顏科（1994-），男，湖南湘潭人，碩士，研究方向為信息器件制造。

仲順順（1993-），男，山東煙臺人，碩士，研究方向為信息器件制造。