CN108155950B - 一种增益自适应的高速型零差检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增益自适应的高速型零差检测系统。分束器、两个光电探测器、I‑V转换模块、双隔离缓冲模块、增益自适应模块、信号采集及控制模块、固定增益宽动态范围模块、采集卡；将分束器和测量电路集成在一起，在工作过程中避免因检测电路和分束器相对位置受到改变而造成的误差；增加增益自适应部分，可以拓宽测量范围；在末级增加一个固定增益宽动态范围电路，使得信号有一个宽的输出范围且具有一定增益，提高抗干扰能力；使用高速芯片，在提高精度同时也保证较高的处理速度；使用线性电源供电，减少噪声。

Description

一种增益自适应的高速型零差检测系统

技术领域

本发明涉及一种增益自适应的高速型零差检测系统，将分束器集成在PCB板上，并使得检测电路具有增益自适、高速等特性，本发明属于相干光通信技术领域。

背景技术

在光通信领域，对光信号的检测主要有两种，一种是古老的直接检测，另一种是近代通信领域广泛采用的相干检测。相干检测相较于直接检测最大的不同在于增加了本地振荡光源，信号光和本振光通过光耦合器进行耦合成为一束待检测的光。使用相干检测的优点是：光接收机的灵敏度比直接检测的灵敏度高；相干检测选择性高，可用于信道间隔小到1GHz～10GHz的光频分复用技术，实现多信道复用，提高带宽使用率。相干检测有两种方案，一种为外差检测，另一种为零差检测。外差检测灵敏度不如零差检测，所以一般使用零差检测方案。而目前所使用的零差检测电路仅仅使用一个固定的增益，使得检测信号的范围以及测量精度都受到大大的限制，且分束器和检测电路分离，在使用过程中容易造成检测电路和分束器相对位置受到改变，从而使得测量不准确。

为了解决上述问题，本发明把分束器和测量电路集成在一起，在工作过程中避免因检测电路和分束器相对位置受到改变而造成的误差；增加增益自适应部分，可以拓宽测量范围；在末级增加一个固定增益宽动态范围电路，使得信号有一个宽的输出范围且具有一定增益，提高信号驱动、提高抗干扰能力；使用线性电源供电，同时PBC大面积敷地，减少纹波等噪声。使用高速芯片，在提高精度同时也保证较高的处理速度。综上所述，本发明提出了一种具有光电集成、增益自适应、输出范围大、高速的零差检测系统。

发明内容

本发明的目的在于解决零差检测系统因光电未集成而易导致误差，增益不可变导致的测量范围窄，输出范围小从而导致的精度不高等技术问题，而提供一种增益自适应的高速型零差检测系统，达到光电集成、增益自适应、输出范围大、高速的功能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种增益自适应的高速型零差检测系统，包括：

分束器，对输入的任意线偏振光分解为两束，一路输出水平偏振光，另一路输出垂直偏振光，使得两束光垂直入射到两个光电探测器；

两个光电探测器，分别接收水平偏振光和垂直偏振光，将光信号转换为电流信号，再对两个电流信号进行差分输出；

I-V转换电路，将经两个光电探测器得到的差分电流信号转换为电压信号，同时加以放大；

双隔离缓冲电路，内部有两个独立的电路模块，其一模块功能为隔离信号采集电路对主电路的影响，其二模块功能为隔离主信号处理电路的后级对前级的影响；

信号采集及控制电路，通过双隔离缓冲电路对主电路进行信号采集并进行逻辑处理，输出控制信号给增益自适应电路，同时输出控制信号给PCI6111E多功能同步采集卡；

增益自适应电路，从信号采集及控制电路得到控制信号，以建立增益通道对信号进行处理；

固定增益宽动态范围电路，为主电路的信号提供一个固定的增益，使得信号线性放大；

PCI6111E多功能同步采集卡，对信号进行检测、显示、保存、数值运算。

在本发明一实施例中，所述分束器是偏振分束器，其集成在整个零差检测系统PCB电路板上，使得分束器所形成的两束光路最优地、固定地入射到两个光电探测器探测窗口，不会受到外界的干扰而发生改变。

在本发明一实施例中，所述增益自适应电路，能够从信号采集及控制电路得到预放大信号，建立增益通道对信号进行处理；所述增益自适应电路能够随着双隔离缓冲电路得到的电压水平来自动提供增益通道，提高测量电路精度。

在本发明一实施例中，所述I-V转换电路的增益公式为：

其中，A_I-V为I-V转换电路的增益；R_f为跨接于输出端口和输入负端口的反馈电阻；I_L为光电流。

在本发明一实施例中，所述增益自适应电路的增益公式为：

A_variety(dB)＝40*V_control+10

其中，A_variety(dB)为增益自适应电路的增益；V_control为信号采集及控制电路的输出电压，此电压输入给增益自适应电路。

在本发明一实施例中，所述固定增益宽动态范围电路的增益公式为：

其中，A_end为固定增益宽动态范围电路的增益；R_{f_end}为跨接于输出端口和输入负端口的反馈电阻；R_end为连接输入负端口和前级信号输出的电阻。

在本发明一实施例中，所述零差检测系统的增益公式为：

A＝A_I-V*A_variety(dB)*A_end

其中，A为整个电路的增益；A_I-V为I-V转换电路的增益；A_variety(dB)为增益自适应电路的增益；A_end为固定增益宽动态范围电路的增益。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可以达到光电集成、增益自适应、输出范围大、高速的功能。

附图说明

图1是本发明中用于相干光检测的一种增益自适应的高速型零差检测系统。

图2是图1中b的主要部分。

图3是图1中g的主要部分。

图4是关于电压增益的理论值和实际测量值，从图中可以明显看出主要有四部分不同的增益，体现出增益自适应电路的功能。

图5是电压增益的理论值和实际测量值的绝对误差，从图中可以明显看出总的误差不超过10％，且随着被测电压的升高，绝对误差减小。

图6关于输入电压和输出电压的关系，从图中，可以得到两个信息，第一个信息为输出电压范围在5V-11V之间，考虑到电路的对称性，总的输出电压在-11V-+11V范围内，体现出宽动态电压输出；第二个信息体现出在整个电压放大区，有很好的线性度。

图7关于在不同输入电压下，增益自适应电路选取不同增益，得到不同的输出。

图8为本发明增益自适应的高速型零差检测系统的版图，信号线尽可能短、信号线线径一致、大面积覆铜接地、正负12V电源引入到PCB板，之后再由三端线性稳压电源降压到需要的电压。以上这些工作使得测量系统保证低的噪声，提高信噪比。在电源输出引脚和芯片电源引脚并联6.7uF电容，稳定芯片工作，防止自激。图8中的绿色部分为安装分束器的部分，可以保证安装得当，使得两束光分别垂直地入射到两个光电探测器的探测窗口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

请参阅图1所示，一种自适应高速型零差检测系统，包括：

分束器a，其对输入的经过编码的偏振光分解为两束，一路输出水平偏振光，另一路输出垂直偏振光，要求两束光分别垂直地入射到两个光电探测器；

两个光电探测器b，其分别接收水平偏振光和垂直偏振光，将光信号转换为电流信号，之后对这两个电流信号进行运算，输出差分电流信号；

I-V转换电路c，其把经光电探测器得到的差分电流信号转换为电压信号，同时进行放大。本发明I-V转换电路以OPA847为例，增益公式为：

其中，A_I-V为I-V转换电路的增益；R_f为跨接于输出端口和输入负端口的反馈电阻；I_L为光电流。

双隔离缓冲电路d，其内部有两个独立的电路模块，其一模块功能为隔离信号采集电路对主电路的影响，其二模块功能为隔离主信号处理电路的后级对前级的影响；

增益自适应电路e，增益自适应电路，其可从信号采集及控制电路得到预放大信号，建立一个合适的增益通道对信号进行处理。本发明自适应增益可变放大电路以AD603为例，增益公式为：

A_variety(dB)＝40*V_control+10

其中，A_variety(dB)为增益自适应电路的增益；V_control为信号采集及控制电路的输出电压，此电压输入给增益自适应电路。

信号采集及控制电路f，其功能为经隔离缓冲电路对主电路进行信号采集并逻辑处理，输出控制信号给增益自适应电路，同时也输出给后级基于LabVIEW的NI公司E系列PCI6111E多功能同步采集卡；

固定增益宽动态范围电路g，其使得信号有一个宽的输出范围且具有一定增益，易于信号测量。本发明固定增益宽动态范围电路以THS4011为例，增益公式为：

其中，A_end为固定增益宽动态范围电路的增益；R_{f_end}为跨接于输出端口和输入负端口的反馈电阻；R_end为连接输入负端口和前级信号输出的电阻。

NI公司E系列PCI6111E多功能同步采集卡h，其可以对信号进行检测、显示、保存、数值运算。

由d、e、f三个模块共同组成的j模块，完成信号前馈检测、数值运算，控制信号输出功能。

综上所述，整个自适应高速型零差检测系统的增益公式为：

A＝A_I-V*A_variety(dB)*A_end

其中，A为整个电路的增益；A_I-V为I-V转换电路的增益；A_variety(dB)为增益自适应电路的增益；A_end为固定增益宽动态范围电路的增益。

经实测，本发明的增益为119—127dB，速度为73kHz。

应当理解的是，本发明的以上所述的具体实施例，仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围情况下所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种增益自适应的高速型零差检测系统，其特征在于，包括：

分束器，对输入的任意线偏振光分解为两束，一路输出水平偏振光，另一路输出垂直偏振光，使得两束光垂直入射到两个光电探测器；

两个光电探测器，分别接收水平偏振光和垂直偏振光，将光信号转换为电流信号，再对两个电流信号进行差分输出；

I-V转换电路，将经两个光电探测器得到的差分电流信号转换为电压信号，同时加以放大；

双隔离缓冲电路，内部有两个独立的电路模块，其一模块功能为隔离信号采集及控制电路对主信号处理电路的影响，其二模块功能为隔离主信号处理电路的后级对前级的影响；

信号采集及控制电路，通过双隔离缓冲电路对主信号处理电路进行信号采集并进行逻辑处理，输出控制信号给增益自适应电路，同时输出控制信号给PCI6111E多功能同步采集卡；

增益自适应电路，从信号采集及控制电路得到控制信号，以建立增益通道对信号进行处理；

固定增益宽动态范围电路，为主信号处理电路的信号提供一个固定的增益，使得信号线性放大；

PCI6111E多功能同步采集卡，分别与信号采集及控制电路、固定增益宽动态范围电路连接，对控制信号进行检测、显示、保存、数值运算；

所述分束器是偏振分束器，其集成在整个零差检测系统PCB电路板上，使得分束器所形成的两束光路最优地、固定地入射到两个光电探测器探测窗口，不会受到外界的干扰而发生改变。

2.根据权利要求1所述的一种增益自适应的高速型零差检测系统，其特征在于，所述增益自适应电路，能够从信号采集及控制电路得到预放大信号，建立增益通道对信号进行处理；所述增益自适应电路能够随着双隔离缓冲电路得到的电压水平来自动提供增益通道，提高测量电路精度。

3.根据权利要求1所述的一种增益自适应的高速型零差检测系统，其特征在于，所述I-V转换电路的增益公式为：

其中，A_I-V为I-V转换电路的增益；R_f为跨接于输出端口和输入负端口的反馈电阻；I_L为光电流。

4.根据权利要求1所述的一种增益自适应的高速型零差检测系统，其特征在于，所述增益自适应电路的增益公式为：

A_variety(dB)＝40*V_control+10

其中，A_variety(dB)为增益自适应电路的增益；V_control为信号采集及控制电路的输出电压，此电压输入给增益自适应电路。

5.根据权利要求1所述的一种增益自适应的高速型零差检测系统，其特征在于，所述固定增益宽动态范围电路的增益公式为：

其中，A_end为固定增益宽动态范围电路的增益；R_{f_end}为跨接于输出端口和输入负端口的反馈电阻；R_end为连接输入负端口和前级信号输出的电阻。

6.根据权利要求1所述的一种增益自适应的高速型零差检测系统，其特征在于，所述零差检测系统的增益公式为：

A＝A_I-V*A_variety(dB)*A_end

其中，A为整个电路的增益；A_I-V为I-V转换电路的增益；A_variety(dB)为增益自适应电路的增益；A_end为固定增益宽动态范围电路的增益。