舒斌 顏科 仲順順

摘要：在測(cè)量10 Gh/s PIN-TIA光電探測(cè)器Monitor引腳電流時(shí)，會(huì)受到外界環(huán)境噪聲以及內(nèi)部噪聲的影響，使得測(cè)量值夾雜噪聲，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。為了減少I(mǎi)O Gh/s PIN-TIA光電探測(cè)器Monitor引腳電流的測(cè)量誤差，結(jié)合“自適應(yīng)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(nèi)部電路的主要噪聲來(lái)源對(duì)輸出電流信號(hào)的影響;設(shè)計(jì)50 Hz陷波器及高頻濾波器減少了50 Hz工頻信號(hào)的干擾以及對(duì)信號(hào)中混雜的高頻信號(hào)也一并進(jìn)行了濾除。使用Multisum，Matlab軟件進(jìn)行了仿真。結(jié)果證明經(jīng)過(guò)以上方法對(duì)噪聲進(jìn)行處理后，能夠有效地降低噪聲對(duì)于10 Gb/s PIN-TIA光電探測(cè)器輸出電流的測(cè)量誤差，提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光電探測(cè)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(lèi)號(hào)：TN206-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并將信號(hào)進(jìn)行一定強(qiáng)度低噪聲放大的探測(cè)器件。其工作原理是：PIN的光敏面受探測(cè)光照射時(shí)，由于PN結(jié)處于反向偏置，光生載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流。10 Gb/sPIN-TIA的封裝原理為：通過(guò)對(duì)10 Gb/s PIN-TIA輸出的電流進(jìn)行采集檢測(cè)，而10 Gb/s PIN_rrIA的輸出電壓大小與入射光強(qiáng)成正比，故通過(guò)對(duì)該電壓的檢測(cè)可找到最佳耦合點(diǎn)，并進(jìn)行封裝。而光電探測(cè)器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，會(huì)引入噪聲，噪聲的產(chǎn)生將不可避免地使轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)與原始信號(hào)相比有一定的偏差，影響信號(hào)的準(zhǔn)確性。而且由于二極管（ PIN）產(chǎn)生的光電流非常微弱，常常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中的情況。因此，對(duì)于光電檢測(cè)電路進(jìn)行噪聲分析并抑制，對(duì)于實(shí)際的10 Gb/sPIN-TIA的穩(wěn)定封裝具有重要的意義。

1 光電探測(cè)電路噪聲的理論分析

1.1 光電探測(cè)器接收組件存在的主要噪聲

圖1為10 Gb/s PIN-TIA光電探測(cè)器接收組件的內(nèi)部簡(jiǎn)圖。10 Gb/s PIN-TIA光電探測(cè)器接收組件Monitor引腳電流檢測(cè)電路中，除了光電二極管產(chǎn)生的電流以外，還存在一些會(huì)對(duì)電路檢測(cè)造成影響的噪聲電流、電壓。對(duì)于該檢測(cè)電路而言，噪聲的來(lái)源主要有兩種，即外部噪聲和內(nèi)部噪聲[1]。

外部噪聲：主要由輻射源隨機(jī)波動(dòng)、附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射及檢測(cè)系統(tǒng)所受到的電磁干擾等因素。在生產(chǎn)過(guò)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(hào)對(duì)信號(hào)采集的干擾。

內(nèi)部噪聲：它是光電檢測(cè)器器件和檢測(cè)電路的固有噪聲，它伴隨著電路的工作而產(chǎn)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(chēng)散彈噪聲。熱噪聲主要出現(xiàn)在半導(dǎo)體和任何導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生熱噪聲，輸出的熱噪聲電壓與檢測(cè)電路同頻帶和絕對(duì)溫度具有很大關(guān)系。而暗電流噪聲或1/f噪聲幾乎存在于所有探測(cè)器中，一般說(shuō)，只要限制低頻段的調(diào)制頻率不低于1 kHz，這種噪聲就可以防止。

1.2 光電探測(cè)器的平均噪聲電流

經(jīng)過(guò)上述對(duì)探測(cè)電路的噪聲分析可知，探測(cè)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(jì)算公式為[2]：

2 光電檢測(cè)電路噪聲抑制

2.1 硬件濾波——抑制50 Hz工頻干擾

在我國(guó)采用的是50 Hz頻率的交流電，所以在平時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理和分析時(shí)，常會(huì)存在50 Hz的工頻干擾，對(duì)電流測(cè)量造成干擾。

由于測(cè)量的電流是信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線引入測(cè)量單元，對(duì)于工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，這段導(dǎo)線相當(dāng)于“天線”，會(huì)撿拾工頻電磁波中的電磁場(chǎng)干擾，在采集后的數(shù)據(jù)中顯示出工頻干擾的數(shù)值，且幅值較大。這種工頻信號(hào)的影響顯然對(duì)于測(cè)量的數(shù)值產(chǎn)生了較大的影響。

在小信號(hào)采集中，對(duì)于這種工頻信號(hào)經(jīng)常采用陷波器對(duì)頻率為50 Hz的信號(hào)進(jìn)行抑制[4]，減弱工頻信號(hào)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的影響[5]。常見(jiàn)的陷波器有雙T單運(yùn)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(dú)立調(diào)節(jié)、特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，故在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于50 Hz信號(hào)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(cè)器內(nèi)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(duì)于此種噪聲不宜使用硬件濾波，因?yàn)橛布娐分械母鞣N電子元器件都會(huì)產(chǎn)生噪聲，將給電路帶來(lái)額外的噪聲，故選用軟件濾波。在該處應(yīng)用了自適應(yīng)濾波法和去除尖峰脈沖的平均值濾波法對(duì)該噪聲進(jìn)行濾除。此處應(yīng)用的自適應(yīng)濾波方法為RLS自適應(yīng)濾波遞歸RLS算法，旨在使期望信號(hào)與模型濾波器輸出之差的平方和達(dá)到最小，從而在迭代過(guò)程中采集到輸入信號(hào)的值時(shí)，采用遞歸形式求解最小值的方法，進(jìn)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(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)原理框圖[11]。在圖中d（k）包含有用信號(hào)e1（k）以及噪聲信號(hào)x1（k），為輸入信號(hào);參考輸入信號(hào)x（¨是與噪聲相關(guān)的信號(hào)，參考輸入信號(hào)x（k）經(jīng)過(guò)濾波算法后變?yōu)閥（k），由圖5可以看出，最后輸出的信號(hào)e（k）=x1（k）+e1（k） -y（k）。

3 仿真與分析

為了對(duì)比研究RLS在濾波方面相對(duì)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(yīng)濾波法對(duì)疊加了噪聲后的信號(hào)進(jìn)行濾波。原始信號(hào)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(shù)為v（n）-WGN（O，σ2），σ2=0.1。10 Gb/s PIN-TIA光電探測(cè)器在接收一光功率恒定的光照射，其產(chǎn)生的光電流的值在沒(méi)有任何噪聲為基本恒定的值，如圖6所示?；殳B噪聲的信號(hào)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(shí)信號(hào)雜亂無(wú)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(yīng)濾波后輸出的波形，相對(duì)于圖9所示的中值濾波波形，其波動(dòng)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(yīng)濾波后輸出的波形，圖11為中值濾波波形，可以看出自適應(yīng)濾波相對(duì)于中值濾波依然能夠很好地還原出原始電流信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析光電探測(cè)器采集電路中的噪聲產(chǎn)生原因及其對(duì)電流信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了帶阻濾波以及基于遞歸RLS自適應(yīng)的濾波相結(jié)合的降噪方法，有效地降低了噪聲信號(hào)，仿真結(jié)果顯示，基于遞歸RLS自適應(yīng)的濾波方法表現(xiàn)出了優(yōu)異的濾波性能，增強(qiáng)了光電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]李若瀾.光電檢測(cè)電路噪聲分析與噪聲處理研究[J]產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（ 13）：43-44.

LI Ruolan. Research on noise analysis and noise processing ofphotoelectric detection circuit [J]. Industry and technology fo-rum， 2016. 15（13）： 43-44.

[2]閻吉祥.光電子學(xué)（修訂版）[M]，北京：清華大學(xué)出版社，2017.

YAN Jixiang. Optoelectronics （Revised edition）[M]. Beijing：Tsinghua University Press. 2017.

[3]余東.單片機(jī)數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]四川兵工學(xué)報(bào)，2012， 33（9）：78-80.

SHE Dong. Design and implementation of digital filter programfor single chip microcomputer [J]. Journal of Sichuan ord-nance. 2012. 33（9）： 78-80.

[4]蔣亞超.三種雙T網(wǎng)絡(luò)陷波器電路分析與比較[J].電子技術(shù)，2012. 38（1）：70-72.

JIANG Yachao. Analysis and comparison about three types ofdouble-T band stop filter [J]. Electronic technology. 2012， 38（1）：70-72.

[5]陳勇強(qiáng).模擬電子技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

CHEN Yongqiang. Analog electronic technology [M]. Beijing：Posts&Telecom Press. 2013.

[6]魯連剛.濾除50 HzT頻干擾的濾波電路設(shè)計(jì)[J].遼寧師專(zhuān)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，14（1）：90-92.

LU Liangang. Filter circuit design for filtering 50Hz power fre-quency interferenceJ]. Journal of Liaoning Teachers College（ Natural science edition）， 2012， 14（1）：90-92.

[7]卡薩普s.o.光電子學(xué)與光子學(xué)一原理與實(shí)踐[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

KASAP S 0.Optoelectronics and photonics [M]. 2nd ed. Bei-jing： Electronic Industrv Press. 2015.

[8]迪尼茲，白適應(yīng)濾波算法與實(shí)現(xiàn)[M].4版，北京：電子工業(yè)出版社.2014.DINIZ P S R.Adaptive filtering algorithm and implementation[M]. 4th ed. Beijing： Electronic Industry Press， 2014.

[9] GUI G，XU L，MA W. et al.Robust adaptive sparse channelestimation in the presence of impulsive noises [Cl// Proceedingsof International Conference on Digital Signal Processing. Piscat-away： IEEE， 2015： 628-632.

[10] CHENG Xuezhen. Application of RLS adaptive filtering in sig-nal de-noising[J]. Journal of measurement science and instru- ment. 2014.5（1）：32-35.

[11]楊威.沖擊噪聲下的LMS和RLS聯(lián)合濾波算法[J]西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017 .44（2）：165-170.

YANG Wei. Joint estimation algorithms based on LMS andRLS in the presence of impulsive noise [J]. Journal of XidianUniversity（ Natural science）， 2017， 44（2）：165-170.

[12]周玉姣，基于光電二極管反偏的光電檢測(cè)電路的噪聲分析[J]，紅外與激光T程，2016， 45（1）：17-19.

ZHOU Yujiao. Noise analysis of photoelectric detection circuitbased on photodiode reverse bias [J]. Infrared and laser engi-neering， 2016， 45（1）： 17-19.

作者簡(jiǎn)介：舒斌（1989-），男，江西贛州人，碩士，研究方向?yàn)樾畔⑵骷圃臁?/p>

顏科（1994-），男，湖南湘潭人，碩士，研究方向?yàn)樾畔⑵骷圃臁?/p>

仲順順（1993-），男，山東煙臺(tái)人，碩士，研究方向?yàn)樾畔⑵骷圃臁?/p>