传输系数自校准的宽带模拟信号光纤传输系统

刘逸飞，郭景海，吴 伟，程引会，马 良，赵 墨,李进玺

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室；西北核技术研究所： 西安 710024)

关键字： 光纤传输系统； 宽带模拟信号； 传输系数； 自校准； 幅度调制

随着电子信息技术与现代物理技术的发展，对超高频和快脉冲等类型信号的测量日趋增多，测量精度的要求也越来越高[1-3]。在脉冲射线诊断、高功率微波测量、电磁脉冲效应及电磁兼容测试领域，待测信号的频率上限往往达到GHz量级，时域脉冲信号的前沿从亚纳秒到纳秒级不等[4-6]，同轴电缆作为信号传输介质时，存在传输损耗大、高频衰减严重及抗电磁干扰能力弱等问题。与同轴电缆相比，光纤传输具有损耗低、频带宽、质量小和抗电磁干扰强等优点[7-8]，且作为一种绝缘媒介，光纤阻断了信号传输的电气连接，可有效降低电子设备的地回路干扰和传输信号的共模干扰[9-10]；在某些高压模拟装置的信号监测中，还可大大降低试验安全风险[11-12]。

早在20世纪70年代，美国就开始发展宽带模拟光纤传输技术。至20世纪90年代，世界各国开始重视光纤传输代替传统同轴电缆用于模拟信号传输的研究工作[13]。国内中国电子科技集团公司第三十四研究所、北京邮电大学和东南大学等多家单位在模拟信号的光纤传输方面均取得了卓越的研究成果，并成功应用于电磁脉冲信号和电力线脉冲电流等信号的检测，且基本满足了超快信号传输测量的需求[14-16]。然而，随着测量要求的提高，光纤传输存在的一些问题也逐渐受到学者的重视：一是电光转换中使用的半导体激光器(laser diode, LD)存在一定的温度特性，即LD的阈值电流和输出光功率对温度变化敏感，因此利用信号幅度调制光源信号时，导致系统的传输系数会随温度发生变化[17]；二是光纤在使用中的弯曲损耗及光纤连接器的插入损耗不容忽视，不同人员操作使用光纤传输系统时，传输系数甚至会出现约1 dB(12%)的变化量。

针对LD温漂导致的传输系数不恒定问题，可利用自动温度控制和功率控制电路加以改善，但这些辅助电路较为复杂，虽有集成的蝶形半导体激光器，但仍大大增加了器件功耗，难以满足实验测量中对光纤传输系统物理尺寸小及工作时间长的要求。针对光纤损耗(弯曲、接头插损及光纤互换等)导致的传输系数变化，通常采用固化传输链路和现场标定的方式解决，但这又显著降低了实验效率。针对上述问题，本文基于对LD幅度调制的原理，提出了一种传输系数实时修正的方法，给出了传输系统的软硬件设计方案和性能指标标定结果，最后介绍了传输系统2种典型应用及对应的信号传输测试结果。

1 传输系统方案设计

光纤传输系统主要由光发射机和光接收机2部分组成。光发射机将待传输的电信号调制到激光器光源上，光信号经光纤传递到光接收机，光信号被解调为电信号后，输出至示波器等设备进行数据采集与记录。电-光信号调制时可采用直接调制(幅度调制和频率调制等)和外调制方式(马赫-曾特型等)。目前，考虑到传输频率、解调难度与工作稳定性等因素，模拟信号光纤传输系统主要采用幅度直接调制的方式，原理如图1所示[18]。

由图1可见，偏置电流Ib超过阈值电流Ith后，LD的P-I曲线亦基本呈直线，因此只要选择适当的偏置电流Ib，使模拟信号叠加到Ib上，则LD输出的光功率会随输入信号的变化而变化。但随温度的升高，LD的阈值电流Ith增大，且线性部分的斜率逐渐降低，导致系统传输系数难以恒定。

针对LD线性区斜率受温度变化影响的问题，本文借鉴现场标定的思路，在光发射机前端集成一个标准方波源，使用过程中实时监测该标准方波幅度的变化。该变化量表征了光功率的变化量，能实现传输系数的在线修正。传输系统整体方案设计结构框图如图2所示。

图2中：传输链路为传输系统的核心部分，决定了系统的性能指标；控制链路为辅助部分，用于传输系数的修正及对系统功耗的控制。传输系数的修正方法为：

(1) 首先完成传输系数S0的实验室标定，随后将标准方波加载到传输链路，记录该状态下光接收机输出的方波幅值U0；

(2) 完成信号传输链路连接后，将标准方波再次加载到传输链路，并记录当前状态下的方波幅值U1，使用过程中，可根据外界温度变化，实时更新U1；

该方法不仅能实时修正温度变化对激光器光功率的影响，还可对光纤弯曲、光纤互换及连接器损耗等导致的光功率变化进行修正。电源管理功能主要是根据系统使用特点，在试验准备或状态调整期间，可控制并关闭对电光转换模块的供电，降低系统功耗，并避免LD长时间工作引发结节发热，导致输出的脉冲光波形畸变，也可延长LD的使用寿命。

2 传输系统软硬件设计

2.1 传输链路硬件设计

传输链路中，光发射机端的电光转换核心电路原理如图3所示。非反射式射频开关U1型号为HMC435。当标准方波输入芯片时，即切断了系统输入端与电路的连接，避免Vin端所连接传感器分压导致方波实际馈入到电光转换电路，从而引起幅度发生变化。为保证系统的低频性能，电容C1和C2取值不宜过小(建议大于10 μF)；当忽略电容容抗时，电阻R3主要起到设置系统输入阻抗的作用，由于LD导通后的电阻约为3 Ω，这里R3取47 Ω，使系统的输入阻抗为50 Ω；电源VCC产生的电流经电阻R1和电感L1后，为LD提供合适的偏置电流，L1作为补偿电路中的寄生电容，能防止高频信号回流到电源端，即利用电感峰化技术确保电路适用于高频带宽信号[19]，对应的R1也不宜取值过小。

光接收机端的光电转换核心电路原理图如图4所示。

PIN光电探测器将光信号转换成电信号，由于输出信号微弱，需对信号进行放大输出。为保证系统的频率响应足够高，放弃使用跨阻抗放大器的传统思路。此外，考虑到高频运算放大器的放大倍数随输入信号幅度的增加而增加，-3 dB传输带宽也会逐渐降低，因此U2选用甲类宽带高线性晶体管放大器，输入/输出内部匹配阻抗为50 Ω，工作频率为DC～5 GHz。由于PIN导通后可等效为电流源，故R4的取值不宜过小(建议取kΩ量级)，确保大部分信号能量可馈入后端的放大电路。电阻R5和电感L3构成偏置电路，为晶体管放大器U2提供合适的偏置电流。需要注意的是，该放大器为反向输出，因此PIN采用了负向供电，使输出同样为反向输出，保证系统整体为同向输出。

光功率监测电路用于对光信号的直流偏量进行实时检测，判断系统光路是否工作正常及光功率过低时提醒操作人员及时为光发射机充电。该电路模块不再过多赘述，需要注意的是，为避免对系统高频性能的影响，光功率检测模块的输入阻抗应越大越好(输入电阻大且输入电容小)，JFET型器件可较好地满足应用要求。

在对某些微弱信号的光电传输中，可在光接收机端对信号进行前置放大，确保信号的驱动能力和较好的信噪比，数字控制可变增益放大芯片是一种较为理想的选择。针对某些高幅度信号的传输，也可在图3中设计添加前置衰减，利用PI或T型网络设置固定的衰减倍数，或选用数字控制可变衰减芯片来实现。

2.2 控制链路软硬件设计

控制链路中，光接收机端的微处理器向光发射机发送不同的控制指令，控制标准方波的产生、加载、关闭及电源管理，本文选用STC单片机实现上述功能。光接收机端的单片机基于触点开关接收不同控制指令，将控制指令进行编码后采用基于光纤的串行传输方式，发送至光发射机端单片机，完成控制响应。为简化设计，光发射机无需对接收到的控制指令进行放大送至单片机，而是基于单片机集成的比较器，实现对弱信号控制指令的数字变换。控制指令分“校准”、“传输”和“待机”3种，光发射机端对不同控制指令的响应工作流程为：

(1)在“校准”指令下，单片机控制MOSFET开关器件CJ3407为传输链路加电，基于I/O口高低电平变化产生标准方波，同时控制射频开关HMC453将方波信号加载到测量链路，进入标准方波幅度读取状态。

(2)在“传输”指令下，单片机控制CJ3407为传输链路加电，关闭校准方波，射频开关切换到电信号输入端口，传输系统进入信号传输的工作状态；单片机迅速进入睡眠状态(功耗电流小于0.1 μA)，降低数字电路对模拟信号传输链路的干扰。

(3)在“待机”指令下，单片机控制CJ3407为测量链路断电，光发射机端LD无偏置电流，单片机进入睡眠状态，并随时等待后端的唤醒指令，此时传输系统进入极低耗电量的待机等待状态。

需要注意的是，为保证单片机I/O口产生的方波信号具有驱动能力，需将对应的I/O状态寄存器设置为推免输出模式，此时输出电流可达20 mA。利用单片机集成的比较器识别控制指令时，需对CMPCR1和CMPCR2寄存器进行操作，使指令输入端电平可和设置的负极输入端参考电平进行比较。

为确保校准方波自身不受温度影响，利用基于MAX6174高精密电压基准芯片为单片机供电。该器件用法相对简单，并有极低的温度系数。光发射机端产生的校准方波如图5所示，幅度U0=358.6 mV。

此外，为便于传输系统的使用，光接收机端设计有串行通信接口与上位机进行通信，基于编制的LabView上位机程序，可实现传输系数的一键自动测量(自动换算当前传输系数)及传输波形的数据保存等功能。

3 性能指标标定

研制的传输系统在使用前需对性能指标进行实验室标定，标定的内容主要包括系统传输带宽、传输系数及动态范围等。

3.1 传输带宽

传输带宽即系统工作带宽，表征了系统可通过的信号频率范围，通常用-3 dB带宽来确定系统的下限和上限截止频率[20]。本文基于矢量网络分析仪E5061B测试传输系统的幅频增益S21和反射系数S11，测试曲线如图6所示。由图6(a)可见，频率为20 kHz～1.2 GHz时，系统具有2 dB的增益平坦度，基于-3 dB带宽的定义，可确定系统的下限截止频率为20 kHz，上限截止频率为1.38 GHz。由图6(b)可见，系统的反射系数小于-40 dB，且随频率的升高，反射系数逐渐降低至约-80 dB，表明系统具有较好的50 Ω阻抗匹配特性和较高的电光耦合效率。

3.2 传输系数与动态范围

系统时域输出电压与输入电压的比即为传输系数，基于该系数可有效还原真实信号的幅度。图7为传输系数的标定方法示意图。将INS-4040型高频噪声模拟器输出脉宽为100 ns的方波进行衰减后，连接功率分配器进行信号分路，一路经射频电缆直接连接示波器，测量波形即为光纤传输系统的输入波形；另一路经光纤传输系统连接示波器，测量波形即为光纤传输系统的输出波形。

不断增加方波源的输出幅度，直至光纤传输系统的输出开始出现饱和。测试结果表明，传输系统在±1.2 V输出范围内具有良好的线性特性，对线性段测试数据进行线性拟合，测试数据及拟合曲线如图8所示。由图8可见得到系统的非线性度小于1%，传输系数即为线性拟合曲线的斜率k=0.66。

在标定过程中，同时记录传输系统的本底噪声，噪声峰值决定了系统可传输最小信号的幅度，也决定了系统线性动态范围的下限。示波器记录的本底噪声典型波形如图9所示。

由图9可见，系统噪声峰值小于4 mV。当传输系统的输出达到10 mV时，能有效读取测试信号。

综上，可得研制的光纤传输系统工作指标：(1)工作带宽为20 kHz～1.38 GHz；(2)传输系数为0.66；(3)本底噪声为4 mV；(4)动态范围为40 dB；(5)输入量程为±15 mV～±1.8 V；(6)输出量程为±10 mV～±1.2 V。

4 传输系统典型应用

4.1 方波脉冲信号传输测试

为验证传输系数自校准功能的准确性，在实验室内模拟了传输系统的2种使用环境：环境1为室温21 ℃，随机选用光纤A；环境2为传输系统置于40 ℃恒温干燥箱内，随机选用光纤B。恒温干燥箱型号为WHL-25AB，顶部开有直径为3 cm的散热孔，可用于引出传输系统连接的射频线缆和光纤。

测试方法与图7类似，利用81150A型脉冲函数发生器产生前沿为2.5 ns、脉宽为100 ns和幅度为1 V的方波信号，信号分路后一路直接接示波器，另一路经光纤传输系统接至示波器，2种测试环境下的传输系统输入/输出波形如图10所示。

2种测试环境下的传输测试结果如表1所列。由表1可知，基于自校准功能的传输系数修正方法很好地实现了信号光纤传输幅度的准确性，测量相对偏差可控制在1%以内。若未对当前灵敏度系数进行修正，2种环境下测得的信号幅度分别为50.6 mV和42.1 mV，环境2的测试相对偏差高达9%，这显然超出了系统偏差与示波器读数偏差等导致的测量偏差。

表1 2种测试环境下的传输测试结果Tab.1 Tested results in two test environments

4.2 亚纳秒前沿脉冲波形监测

在某亚纳秒前沿脉冲波形监测项目中，待监测脉冲底宽为2 ns，下降沿为380 ps， -3 dB带宽信号的频率上限fH可根据经典近似估算公式给出，表示为

(1)

其中，tr为信号前沿建立时间。将tr=380 ps代入式(1)可得，fH≈920 MHz，信号频率带宽小于系统的传输频率带宽。将基于光纤传输的监测波形与信号原始波形进行归一化对比，如图11所示。由图11可见，二者的波形特征具有非常好的一致性，证明传输系统具有良好的高频响应特性，可满足相关应用需求。

4.3 核电磁脉冲辐照试验应用

在核电磁脉冲辐照试验中，通常利用电磁脉冲模拟装置开展电子设备电磁脉冲效应试验。该试验属于强电磁环境下的弱信号测量，对测量系统的带宽和抗干扰性能等均具有较高的要求[21]。试验中，通常利用光纤传输系统将电流传感器获取的设备线缆耦合电流远距离传输至测量屏蔽间，完成信号的采集与记录。

线缆耦合电流经光纤传输系统后，在示波器端采集到的信号波形如图12所示。由图12可见，系统的本底噪声未受干扰，清晰的有用信号证明了系统的抗干扰性能，各项指标也均能满足需求。

长时间的试验应用表明，受早晚温度变化及光纤更换等因素影响，传输系统的校准方波幅度变化量可高达20%，基于本文提出的自校准方式，能有效实现对传输系数的实时修正，提高了试验测量的精确度，为试验的实施与开展提供了可靠的技术保障。

5 结论

本文基于模拟信号光纤传输的原理及对存在问题分析，提出了一种基于传输系数实时修正方法，解决了传输系数难以恒定的问题。信号传输链路采用宽频带晶体管线性放大器与合理的驱动耦合电路，实现了宽频带、高线性度的电光-光电转换。信号控制链路基于射频开关器件与微型单片机，实现了对信号传输链路的传输系数的实时修正及系统功耗的控制。

经实验室标定结果表明，本文研制的传输系统-3 dB带宽的工作频带为20 kHz～1.38 GHz，动态范围为40 dB，特有的传输系数自校准功能，可有效提升实验测试的精确度。传输系统具有体积小巧、工作时间长、电磁屏蔽好及性能稳定等优点，可广泛适用于高能物理实验及电磁环境效应试验等领域。