CN106850055B - 一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，包括依次连接的光电二极管、跨阻放大模块、增益控制模块、带宽控制模块和电平搬移模块，所述系统还设有隔离模块，分别与跨阻放大模块、增益控制模块和带宽控制模块连接。与现有技术相比，本发明具有动态范围大、控制简单、响应速度快、噪声低以及满足光纤瞬断检测系统的纳秒量级要求等优点。

Description

一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路
技术领域
本发明涉及光纤领域，尤其是涉及一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路。
背景技术
光纤是光通信网络的主要信息传输通道。在高低温、振动等外界因素的影响下，光纤可能会发生瞬间断裂，简称光纤瞬断。光纤瞬断会造成接收端数据的错误，恶化系统误码率，增加数据重传的概率，影响系统性能。我国军用检测标准GJB915A-97《纤维光学试验方法》中，方法305规定了“纤维光学元器件光不连续性测量”的检测标准，国外也有相应的光纤瞬断检测指标。当前先进的光纤瞬断检测系统可提取微秒量级的光纤瞬断特征信息，代表产品有国内上海嘉慧光电子技术有限公司的产品JW3324和美国OptoTest公司的产品OP1100。
随着现代光通信网络数据传输速度的不断增加，纳秒量级的光纤瞬断所造成的系统性能变化逐渐成为人们关注的焦点。现有光纤瞬断检测系统的时间分辨率为微秒量级，无法有效检测到纳秒量级的瞬断特征信息，其主要原因在于检测系统的模拟前端在纳秒量级的应用场合会出现噪声过大，响应速度过慢，系统不稳定等情况。因此，需要研发一种时间分辨率达到纳秒量级的模拟前端，以满足纳秒量级的光纤瞬断检测系统的设计要求。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，包括依次连接的光电二极管、跨阻放大模块、增益控制模块、带宽控制模块和电平搬移模块，所述系统还设有隔离模块，分别与跨阻放大模块、增益控制模块和带宽控制模块连接。
所述隔离模块包括运放隔离子模块和光耦隔离子模块，所述运放隔离子模块分别与跨阻放大模块和增益控制模块连接，所述光耦隔离子模块分别与增益控制模块和带宽控制模块连接。
所述运放隔离子模块包括电压跟随器和可调电阻，所述电压跟随器分别与跨阻放大模块和增益控制模块连接，所述可调电阻分别与跨阻放大模块和电压跟随器连接。
所述光耦隔离子模块包括光耦隔离器和非线性组件，所述光耦隔离器与增益控制模块连接，所述非线性组件分别与光耦隔离器和带宽控制模块连接。
所述增益控制模块包括直流控制信号输入器和宽带模拟乘法器，所述宽带模拟乘法器的输入端分别与隔离模块和直流控制信号输入器连接，输出端与隔离模块连接。
所述跨阻放大模块包括跨阻放大器、输入补偿电阻、反馈增益控制电阻、输入补偿电容和反馈稳定控制电容，所述跨阻放大器的正相输入端与并联的输入补偿电阻和输入补偿电容连接，所述跨阻放大器的反相输入端分别与光电二极管和并联的输出增益控制电阻和输出稳定控制电容连接，所述跨阻放大器的输出端分别与隔离模块和并联的输出增益控制电阻和输出稳定控制电容连接。
所述带宽控制模块包括可选频带的宽带控制芯片或固定带宽的滤波网络。
所述电平搬移模块包括设定共模电压的差分放大电路。
所述光电二极管包括低噪声尾纤式PIN光电二极管。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过在跨阻放大模块和带宽控制模块之间设置隔离模块，阻断了模拟前端电路的前后耦合，从而降低了光纤瞬断检测系统的噪声系数，提升了光纤瞬断检测系统的响应速度。
(2)隔离模块分为运放隔离子模块和光耦隔离子模块，通过运放隔离子模块消除了增益控制对跨阻放大模块输出阻抗的影响，从而降低光纤瞬断检测系统噪声系数；通过光耦隔离子模块消除增益控制模块和带宽控制模块的参数变化对模拟前端电路造成的影响，同时可以保留光纤瞬断的时间信息，提升了光纤瞬断检测系统的响应速度。
(3)在跨阻放大模块和增益控制模块之间设置的是运放隔离子模块，如果采用光耦隔离子模块来实现隔离，由于跨阻放大模块的输出信号幅值小，会导致输出的电压信号失真，因而采用运放隔离子模块，既可以达到隔离的效果，也能避免信号发生失真。
(4)在增益控制模块与带宽控制模块之间设置的是光耦隔离子模块，光耦隔离子模块的隔离效果优于运放隔离子模块，且由于光耦隔离子模块的输入信号是增益控制模块的输出信号，信号幅值满足光耦隔离的输入要求，因而既可以降低系统噪声，同时光耦隔离子模块设有非线性组件，具有非线性特性，在信号跳变处响应度高，提升系统的响应速度，最大程度的保留了光纤瞬断的幅度特征，提高了光纤瞬断检测系统的判决精度。
(5)增益控制模块采用宽带模拟乘法器来实现，传统的增益控制一般通过根据输入信号在多个增益电阻之间选择合适的增益电阻实现，这种实现方式导致实现的增益为量化值而非连续值，通过宽带模拟乘法器，可以保证增益控制的连续性，消除量化噪声误差，实现准确的增益控制。
(6)跨阻放大模块中设置有稳定控制电容组件，通过控制跨阻放大器的零极点，保证光纤瞬断检测系统的稳定性。
(7)利用带宽控制模块实现带宽控制，如果系统的带宽未确定，则可以通过带宽控制芯片实现可选频带的带宽控制，如果带宽确定，则可以通过有源或无源滤波网络实现固定带宽。
(8)通过设定共模电压的差分放大电路，实现电平搬移，并将单端信号转换为差分信号，从而可以满足光纤瞬断检测系统的高速数模转换的要求。
(9)采用低噪声尾纤式PIN光电二极管，寄生电容较小，只有1pF左右，因此可以提升光纤瞬断检测系统的响应速度，也保证了跨阻放大器的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为跨阻放大模块和运放隔离模块的电路图；
图3为增益控制模块的结构示意图；
图4为光耦隔离子模块的结构示意图；
图5为光耦隔离子模块的非线性组件的输入-输出响应曲线图；
图6为电平搬移模块的电路示意图；
图7为-50dBm频率光测试结果；
图8为+10dBm频率光测试结果；
图9为时间边沿测试结果；
其中，1为跨阻放大模块，2为运放隔离子模块，3为增益控制模块，4为光耦隔离子模块，5为带宽控制模块，6为电平搬移模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为本实施例中提供的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路的结构示意图，由光电二极管、跨阻放大模块1、运放隔离子模块2、增益控制模块3、光耦隔离子模块4、带宽控制模块5和电平搬移模块6组成。该电路的信号调理流程如下：输入的光功率信号通过光电二极管转换为电流信号；电流信号通过跨阻放大单元转化为电压信号；电压信号通过增益控制单元实现模拟前端大动态范围调节，保证输出信号接近满幅；输出信号经过带宽控制单元，降低带外噪声对于信号的影响，同时满足后端采样单元对于带宽的要求；最后，通过差分放大电平搬移单元，设定合适的共模电平，满足后端采样对于共模电平的要求。通过上述部分的调理，最终满足后端采样电路对于信号噪声、带宽、电平的要求。
跨阻放大模块1的实现方案如图2所示。D1为光电二极管，本实施例中选用低噪声尾纤式PIN光电二极管，其寄生电容为0.75pF。U1为跨阻放大器，光纤瞬断检测系统的宽带高增益特征要求跨阻放大器具有高增益带宽积、非单位增益稳定等特征。为了降低噪声并简化设计，本实施例选用了JFET输入型运算放大器作为跨阻放大器，R1、R2控制跨阻放大部分增益，C1、C2控制跨阻放大器的零极点，保证光纤瞬断检测系统的稳定性。
在跨阻放大模块1与后级的增益控制模块3之间插入隔离放大模块，这样可以有效地防止后级的增益控制模块3由于增益变化而引起跨阻放大模块1的输出阻抗变化，确保了光纤瞬断检测系统跨阻放大部分的负载变化较小，保证了系统的稳定性。对于纳秒量级的光纤瞬断检测系统，隔离放大模块可以选用高速光耦或者电压跟随器进行隔离。由于跨阻放大模块1的输出信号较小，因此在跨阻放大模块1后级采用电压跟随器进行隔离。电压跟随器如图2中U2所示，采用了单位增益稳定的电压反馈宽带运算放大器，R3的作用是调节输入阻抗，满足跨阻放大器的输出阻抗要求。整个跨阻放大模块1经过上述的设计考虑，完成了宽带、低噪声、高稳定性的设计目标。
光纤瞬断检测系统模拟前端需进行增益和带宽的控制。增益控制单元的作用是增加光信号的输入功率范围，本实施例提出一种连续增益控制的方式，通过乘法器进行实现，如图3所示，通过直流控制信号Vc与光功率电压信号Vin进行乘法操作，如下公式所示，
Vout＝Kd×Vc×Vin
其中，Kd为乘法器与线性放大器作用的放大系数，通过合理设定Kd并且控制Vc大小，就可以实现大动态范围的增益调节。乘法操作可保证增益控制的连续性，消除量化误差噪声，实现准确的增益控制。
带宽控制模块5的作用是滤除带外噪声，降低系统出现高频自激的可能性，保证系统的稳定性。本实施例采用集成带宽控制芯片，通过选通不同的片内通道，实现带宽控制。该方案处理的信号频带从直流到高频，且具有平坦的低通滤波特性。如果光纤瞬断检测系统的带宽已经确定，带宽控制模块5则可以选用无源滤波网络或有源滤波网络实现固定带宽的控制。
为了降低增益控制模块3与带宽控制模块5间的相互影响，在二者之间插入了高速、低噪声的光耦隔离子模块4，如图4所示。光耦隔离子模块包括：光耦隔离组件部分，连接增益控制模块，用于将输入信号转换为光信号，随之然后通过光电二极管转换为电信号，继而实现前后端电气隔离要求；非线性组件，连接光耦隔离组件和带宽控制模块，以非线性电路信号快速响应的方式，提高缩短电信号过零响应速度时间，继而用于提高系统的整体响应速度。光耦隔离电路较之于运算放大器隔离电路，更加彻底地隔离了前级与后级之间的电路相互影响，从而保证了增益调节和带宽调节所造成的电路参数变化不会影响系统性能。同时光耦隔离电路的非线性组件具有非线性特性，如图5所示，能够很好地保留光纤瞬断时间信息，保证光纤瞬断检测系统具有快速响应能力，提升了响应速度。因此，光耦隔离电路的加入能够降低系统噪声，提升系统响应速度，最终确保增益控制单元和带宽控制单元实现了各自的设计目标。
在完成带宽控制和增益控制之后，针对于光纤瞬断检测系统的高速模数转换器具体情况，可能需要设计电平搬移电路，并将单端输入信号转化为差分信号，因此增加了电平搬移模块6。本实施例中采用低噪声的差分放大电路来完成此项功能，如图6所示。
通过实验测试，对上述光纤瞬断检测系统模拟前端进行了性能验证。输入信号为手持光源JW3109产生的1kHz频率光，通过示波器观察响应的测试结果。-50dBm的测试结果如图7所示，+10dBm的测试结果如图8所示。由图可见，它们均能够产生高质量的输出，响应波形维持在低噪声水平。因此，该模拟前端具有噪声低、动态范围大的特点。图9为时间边沿测试结果，上升下降沿为30纳秒。实验结果表明，该模拟前端具有纳秒量级响应速度的特征，具备检测纳秒量级光纤瞬断的能力。
综上所述，该新型模拟前端设计方案，引入了高速非线性光耦隔离模块，提出连续增益控制方式，降低了系统噪声且提高了系统响应速度，可有效防止系统不稳定情况的发生。针对纳秒量级的光纤瞬断的检测需求，有效地实现大动态范围宽带低噪声的信号调理，确保电压信号能够低失真、低噪声地进入后端采样系统中，具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，包括依次连接的光电二极管、跨阻放大模块、增益控制模块、带宽控制模块和电平搬移模块，所述系统还设有隔离模块，分别与跨阻放大模块、增益控制模块和带宽控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述隔离模块包括运放隔离子模块和光耦隔离子模块，所述运放隔离子模块分别与跨阻放大模块和增益控制模块连接，所述光耦隔离子模块分别与增益控制模块和带宽控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述运放隔离子模块包括电压跟随器和可调电阻，所述电压跟随器分别与跨阻放大模块和增益控制模块连接，所述可调电阻分别与跨阻放大模块和电压跟随器连接。
4.根据权利要求2所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述光耦隔离子模块包括光耦隔离器和非线性组件，所述光耦隔离器与增益控制模块连接，所述非线性组件分别与光耦隔离器和带宽控制模块连接。
5.根据权利要求1所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述增益控制模块包括直流控制信号输入器和宽带模拟乘法器，所述宽带模拟乘法器的输入端分别与隔离模块和直流控制信号输入器连接，输出端与隔离模块连接。
6.根据权利要求1所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述跨阻放大模块包括跨阻放大器、输入补偿电阻、反馈增益控制电阻、输入补偿电容和反馈稳定控制电容，所述跨阻放大器的正相输入端与并联的输入补偿电阻和输入补偿电容连接，所述跨阻放大器的反相输入端分别与光电二极管和并联的输出增益控制电阻和输出稳定控制电容连接，所述跨阻放大器的输出端分别与隔离模块和并联的输出增益控制电阻和输出稳定控制电容连接。
7.根据权利要求1所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述带宽控制模块包括可选频带的宽带控制芯片或固定带宽的滤波网络。
8.根据权利要求1所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述电平搬移模块包括设定共模电压的差分放大电路。
9.根据权利要求1所述的用于光纤瞬断检测系统的宽带低噪声模拟前端电路，其特征在于，所述光电二极管包括低噪声尾纤式PIN光电二极管。
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