CN115549789A - 基于光纤的信号传输系统及测量设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开一种基于光纤的信号传输系统及测量设备，涉及信号传输技术领域。该信号传输系统包括依次连接的输入级模块、信号分流模块、光纤传输模块和信号合并模块；信号分流模块设置有滤波单元、低频处理单元和高频处理单元，低频单元和高频单元分别连接滤波单元的输出端；高频处理单元还接入第一参考信号；信号合并模块设置有低频接收单元、高频接收单元和合并单元，低频接收单元和高频接收单元均连接合并单元；高频接收单元还接入第二参考信号，第一参考信号和所述第二参考信号用于控制传输系统的增益。本方案有效地降低光纤调制特性对信号传输的影响，减少信号失真。

Description

基于光纤的信号传输系统及测量设备

技术领域

本申请实施例涉及信号传输技术领域，尤其涉及一种基于光纤的信号传输系统及测量设备。

背景技术

随着半导体技术的提升，MOS管的开关速度也越来越高，Vgs电压越来越小，导致共模电压的幅度和频率都开始提升，而差模电压却减小。因此，需要使用高共模抑制的测量系统才能进行对流经半导体的信号的测量，且需要该测量系统具有较高带宽和较低噪声。

目前现有的测量系统中采用光纤隔离的方式，将前后级信号进行隔离，并通过光纤进行信号的传输。在传输过程中，需要将电信号转换为光信号，而将电信号转为光信号的方式有两种，一种是激光二极管直接调制，一种是激光外部调制。

但在激光二极管直接调制的方式中，所传输的信号的直流偏移和增益会因为激光二极管的特性，而随着温度发生变化；在激光外部调制的方式中，所采用的调制器的原理是通过相位的调节来影响光强，其调整是非线性的，且其低频调制特性较差。因此，在对模拟信号通过光纤进行传输时，极易受到调制特性的影响，导致接收到的信号失真。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于光纤的信号传输系统及测量设备，有效地降低光纤调制特性对信号传输的影响，减少信号失真。

第一方面，本申请实施例提供一种基于光纤的信号传输系统，包括输入级模块、信号分流模块、光纤传输模块和信号合并模块。

输入级模块用于接入待传输信号，并对待传输信号进行缩放调节。

信号分流模块连接输入级模块，且信号分流模块设置有滤波单元、低频处理单元和高频处理单元，低频单元和高频单元分别连接滤波单元的输出端；滤波单元用于滤除高频干扰；低频处理单元用于对待传输信号的低频分量进行频率调制；高频处理单元用于对待传输信号的高频分量添加第一参考信号。

光纤传输模块连接信号分流模块，光纤传输模块用于传输所述分流后的待传输信号的高频分量和低频分量。

信号合并模块连接光纤传输模块，信号合并模块设置有低频接收单元、高频接收单元和合并单元，低频接收单元和高频接收单元均连接合并单元；高频接收单元还接入第二参考信号，第一参考信号和所述第二参考信号用于控制传输系统的增益；低频接收单元用于解调并恢复低频分量，高频接收单元用于恢复高频分量，合并单元用于根据恢复的低频分量和所述高频分量还原待传输信号。

第二方面，本申请实施例提供一种测量设备，该设备包括如上述实施例所述的基于光纤的信号传输系统。

本申请实施例中，在信号通过光纤传输模块传输前，通过输入级模块将信号进行缩放调节，以使其能够适配在光纤传输的电压范围，信号分流模块通过低频处理单元将信号的低频分量进行频率调制后传输，信号分流模块还通过高频处理单元将信号中的高频分量提取，并在高频分量中叠加第一参考信号。在传输后，信号合并模块通过低频接收模块恢复低频分量，并通过高频接收模块恢复高频分量，还在恢复高频分量的过程中，接入第二参考信号，通过调节第一参考信号和第二参考信号可以实现对传输系统的增益的控制，保持保持高频信号的增益稳定。因此，信号传输系统传输的低频分量具有更好的线性度，高频分量也能保持增益稳定，且信号传输系统的温度特性更加可靠，其增益和偏移电压均与光纤传输特性无关，有效地减少信号失真的情况发生。

附图说明

图1为本申请实施例提供的基于光纤的信号传输系统的原理框图；

图2为本申请实施例提供的基于光纤的信号传输系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的滤波器通带的示意图；

图4为本申请实施例提供的输入级模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的实施例用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作或对象与另一个实体或操作或对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作或对象之前存在任何这种实际的关系或顺序，且并不限定该实体或操作或对象的个数，其可以是一个、也可以是多个，本申请的描述中“多个”表示两个及以上。应该理解这样使用的实体或操作或对象在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的方式实施。

图1为本申请实施例提供的基于光纤的信号传输系统的原理框图，该信号传输系统是基于光纤进行传输的，如将模拟信号在该信号传输系统中传输。如图1所示，基于光纤的信号传输系统包括输入级模块110、信号分流模块120、光纤传输模块130和信号合并模块140。其中，输入级模块110、信号分流模块120、光纤传输模块130和信号合并模块140依次连接。

输入级模块110接入待传输信号，并且对待传输信号进行缩放调节，如通过可变增益放大器来调节待输入信号，使其能够适配在光纤传输的电压范围。例如，对于一些电压幅度较小的信号而言，通过缩放调节能够使小信号也能拥有较好的信噪比。

信号分流模块120作为信号传输前的处理模块，其将经过缩放调节的待传输信号进行分流，如分为低频分量和高频分量。其中，信号分流模块120包括滤波单元、低频处理单元和高频处理单元，低频处理单元和高频处理单元均与滤波单元的输出端连接，即通过滤波单元滤除高频干扰后的待传输信号分别进入低频处理单元和高频处理单元，从而分流为低频分量和高频分量，滤波单元可以采用低通滤波器滤除高频干扰。低频处理单元选择待传输信号中的低频分量，并对其进行频率调制。而高频处理单元则选择待传输信号中的高频分量。

待传输信号中的低频分量和高频分量分别通过光纤传输模块130传输，应当想到的是，光纤传输模块130通过光纤将信号传输，其所采用的将电信号转为光信号的方式，可以是激光二极管直接调制，或者是激光外部调制。

信号合并模块140作为信号传输后的处理模块，其将传输的低频分量和高频分量进行合并，以恢复传输前的待传输信号。其中，信号合并模块140包括低频接收单元、高频接收单元和合并单元，应当想到的是，低频接收单元和高频接收单元作为信号合并模块连接光纤传输模块的单元，将在光纤中传输的信号(如低频分量和高频分量)进行接收。低频接收单元和高频接收单元均与合并单元连接，低频接收单元用于恢复低频分量，如对接收到的信号进行解调，以恢复所传输的低频分量，并将低频分量输入合并单元；高频接收单元则用于恢复高频分量，并将恢复的高频分量输入合并单元。合并单元根据接收到的低频分量和高频分量还原待传输信号。

此外，高频处理单元还接入一个第一参考信号，且高频接收单元还接入了一个第二参考信号。第一参考信号通过光纤模块传输后，在高频接收单元进行恢复，高频接收单元可以使传输后的第一参考信号的电压幅度达到第二参考信号的电压幅度，因此，可以通过调节第一参考信号和第二参考信号达到调节传输系统的增益的效果。

在信号通过光纤传输模块130传输前，通过输入级模块110将信号进行缩放调节，信号分流模块120中的低频处理单元将信号的低频分量进行频率调制后传输，高频处理单元将信号中的高频分量提取，并在高频分量中叠加第一参考信号。

在传输后，信号合并模块130通过低频接收单元恢复低频分量，并通过高频接收单元恢复高频分量，还在恢复高频分量的过程中，接入第二参考信号，通过调节第一参考信号和第二参考信号可以实现对传输系统的增益的控制，保持保持高频信号的增益稳定。

因此，信号传输系统传输的低频分量具有更好的线性度，高频分量也能保持增益稳定，且信号传输系统的温度特性更加可靠，其增益和偏移电压均与光纤传输特性无关，有效地减少信号失真的情况发生。

在一些实施例中，低频处理单元包括第一低通滤波器、第一运算放大器、压控振荡器和第一检波电路。第一低通滤波器用于将待传输信号中的低频分量选出，并输入第一运算放大器的同相输入端，第一运算放大器的输出端则连接压控振荡器，压控振荡器的输出端连接第一检波电路，并通过第一检波电路连接第一运算放大器的反相输入端。而且，在第一运算放大器的输出端和反相输入端之间还连接有反馈电容。

待传输信号的低频分量经过第一运算放大器放大后，当前一部分信号进入压控振荡器的控制端，以使压控振荡器产生调制信号，并通过检波电路反馈至第一运算放大器；另一部分信号则通过反馈电容返回第一运算放大器的反相输入端。

低频处理单元处理后的通过光纤传输模块传输，相较于光纤的光强特性，光纤的频率特性优良，可以确保低频信号的精度。因此，低频处理单元通过第一低通滤波器提取低频分量，并通过压控振荡器、第一检波电路和运算放大器对低频分量进行频率调节，从而降低光纤的调制特性(如温度影响增益、非线性调制等)对信号传输的影响，有效地减少信号的失真。

需要说明的是，本申请中各低通滤波器还可以是采用元器件如电阻、电容等形成的起到低通滤波作用的电路；同样的，各高通滤波器还可以是采用元器件如电阻、电容等形成的起到高通滤波作用的电路；各检波电路还可以是采用二极管输出端接入并联的电容和电阻形成的二极管包络检波器，或者三极管射极包络检波器。

在一些实施例中，高频处理单元包括第一高通滤波器和第一加法器。第一高频滤波器将待传输信号中的高频分量提取，并输入第一加法器的第一输入端。而第一加法器的第二输入端接入第一参考信号，且第一参考信号的频带位于第一高通滤波器的通带之外。

可以理解的是，高通滤波器(或低通滤波器)均可以允许一个频率范围的信号通过，该频率范围即为高通滤波器的通带。示例性，第一参考信号为一个电压有效值确定的正弦波信号，其频率f1；第一高通滤波器FL2的通带最低频率为f2，因此，第一参考信号的频带位于第一高通滤波器FL2的通带之外，则表示f1小于f2。

经过高频处理单元处理后的信号(高频分量和第一参考信号)在光纤传输模块内互不干扰，高频信号和第一参考信号均经过光纤传输模块传输，因此，整个传输系统的增益可以依据第一参考信号以及高频接收单元接入的第二参考信号确定，因此，通过调节第一参考信号和第二参考信号，即可实现对传输系统的增益的控制，从而避免光纤由于温度的影响导致增益发生变化的影响，实现对传输系统增益的灵活控制，有助于减少信号失真的情况发生。

在一些实施例中，低频接收单元包括第二检波电路和第二低通滤波器，第二检波电路的输出端连接第二低通滤滤波器，且第二检波电路的输入端连接光纤传输模块，用于接收传输的信号，并对其进行恢复。如低频接收单元用于接收经过频率调制后传输的低频分量，通过第二检波电路和第二低通滤波器实现解调，以恢复低频分量，并将恢复的低频分量输入合并单元。

在一些实施例中，高频接收单元包括第一可变增益放大器、第二高通滤波器和增益反馈器。第一可变增益放大器的输出端连接第二高通滤波器的输入端，且第一可变增益放大器的输出端还连接增益反馈器的输入端。增益反馈器的输出端还连接信号的第一可变增益放大器的控制端，其用于调节第一可变增益放大器的控制端的电压。

可以理解的是，第二参考信号是通过增益反馈器接入高频接收单元的，增益反馈器通过对第一可变增益放大器U4的控制端的控制，使得第一可变增益放大器U4对信号缩放得到控制，如控制第一可变增益放大器U4使得输出信号的电压幅度趋向第二参考信号，该输出信号为经过光纤传输模块传输的第一参考信号。

因此，高频接收单元实现了传输系统的增益可以通过第一参考信号和第二参考信号进行调节，确保传输系统的增益稳定，且不受光纤传输的影响，有效地降低光纤调制特性带来的增益偏移的不可控性，减少信号失真。

在一些实施例中，增益反馈器包括带通滤波器、RMS(Root Mean Square，方均根)检波器和第二运算放大器。

带通滤波器的输出端连接RMS检波器的输入端，RMS检波器的输出端连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器同相输入端则接入第二参考信号，而且，第二运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的输出端之间还通过反馈电容连接。此外，第二运算放大器的输出端连接第一可变增益放大器的控制端。

可以理解的是，带通滤波器的通带与第一参考信号的频带适配，即带通滤波器的通带同样位于第二高通滤波器的通带之外，从而将对应第一参考信号的频带的信号I提取，并输入RMS检波器中获取该信号I的电压幅度，进而通过第二运算放大器的反馈控制，使得第一可变增益放大器输出的信号I的电压幅度能够达到第二参考信号的电压幅度，从而实现对传输系统的增益的调节。

在一些实施例中，合并单元包括第二加法器、第三低通滤波器和第一缓冲器。其中，第二加法器、第三低通滤波器和第一缓冲器依次连接，第二加法器的输出端连接第三低通滤波器的输入端，第三低通滤波器的输出端连接第一缓冲器的输入端。此外，第二加法器的第一输入端和第二输入端分别接入低频接收端和高频接收单元。

可以理解的是，经过第二加法器融合的低频分量和高频分量，再输入第三低通滤波器中将带外信号滤除，最后通过第一缓冲器进行阻抗变换，实现待传输信号的恢复。

图2为本申请实施例提供的基于光纤的信号传输系统的结构示意图，如图所示，该信号传输系统通过输入级模块110接入待传输信号，并对其进行缩放调节，使其适配传输的电压范围。经过调节后的待传输信号进入信号分流模块120的滤波单元121，如进入低通滤波器FL1，通过低通滤波器FL1滤除带外噪声。再将信号输入低频处理单元122的第一低通滤波器FL3中，提取低频分量，并输入第一运算放大器U1。

低频处理单元122通过第一运算放大器U1、压控振荡器U2和第一检波电路实现对低频分量的频率调制。在对低频分量的调制中，采用第一运算放大器U1对检波后的信号进行伺服，使得检波后的信号与输入信号(低频分量)相等。这样低频分量的传输的误差来源将取决于第一检波电路和第二检波电路的差异和光纤系统的频率误差，而压控振荡器U2本身带来的误差和非线性将被第一运算放大器U1补偿。各检波电路的稳定性相对较容易保证，而光纤系统在频率上的误差较小，可以忽略不计，从而提高了低频分量传输的准确性。

经过低通滤波器FL1过滤后的信号还输入高频处理单元123的第一高通滤波器FL2中，从而提取高频分量，并通过第一加法器U3叠加高频分量和第一参考信号Ref1。

低频分量和高频分量分别通过光纤传输模块120传输至信号合成模块140，低频接收单元141通过第二检波电路和第二低通滤波器FL7对低频分量进行解调恢复，并输入第二加法器U6中。而高频分量则通过高频接收单元142恢复，其中，高频接收单元142通过增益反馈器1421中的带通滤波器FL4将第一参考信号提取，再通过RMS检波器将第一参考信号的电压值输入第二运算放大器U5中，且第二运算放大器U5还接入第二参考信号Ref2，从而对第一可变增益放大器U4进行反馈控制，使得传输系统的增益得到控制，最后在第一可变增益放大器U4的输出端通过第二高通滤波器FL5将高频分量提取，并输入第二加法器U6。

合并单元143的第二加法器U6将叠加后的低频分量和高频分量输入第三低通滤波器FL6中，以滤除带外信号，最终通过第一缓冲器U7进行阻抗变换，恢复待传输信号。

如图3所示，其中示出了各滤波器通带的示意图，低通滤波器FL1和第三低通滤波器FL6的通带重合，第一高通滤波器FL2和第二高通滤波器FL5的通带重合，第一低通滤波器FL3和第二低通滤波器FL7的通带重合，带通滤波器FL4的通带包括第一参考信号的频带，且位于第一高通滤波器FL2的通带之外。

由此可见，本申请的基于光纤的信号传输系统在信号通过光纤传输模块传输前，通过输入级模块将信号进行缩放调节，以使其能够适配在光纤传输的电压范围，并采用信号分流模块通过低频处理单元将信号的低频分量进行频率调制后传输，信号分流模块还通过高频处理单元将信号中的高频分量提取，并在高频分量中叠加第一参考信号。在传输后，信号合并模块通过低频接收单元恢复低频分量，并通过高频接收单元恢复高频分量，还在恢复高频分量的过程中，接入第二参考信号，通过调节第一参考信号和第二参考信号可以实现对传输系统的增益的控制，保持保持高频信号的增益稳定。因此，信号传输系统传输的低频分量具有更好的线性度，高频分量也能保持增益稳定，且信号传输系统的温度特性更加可靠，其增益和偏移电压均与光纤传输特性无关，有效地减少信号失真的情况发生。

图4为本申请实施例提供的输入级模块的结构示意图，如图所示，输入级模块包括第二缓冲器U8、第三缓冲器U9、第二可变增益放大器U10和两个差分衰减器111。

其中，第二缓冲器U8的输入端通过并联连接的第一电容C1和第一电阻R1接入待传输信号，第二缓冲器U8的输入端还连接有一个差分衰减器111；第三缓冲器U9的输入端通过并联连接的第二电容C2和第二电阻R2接入待传输信号，第三缓冲器U9的输入端还连接有另一个差分衰减器111，两个差分衰减器111均接地。

第二缓冲器U8的输出端连接第二可变增益放大器U10的第一输入端，第三缓冲器U9的输出端连接第二可变增益放大器U10的第二输入端，此外，第二可变增益放大器U10的输出端与滤波单元连接。

可以理解的是，差分衰减器111可以对接入的待传输信号进行衰减，从而消除谐波对信号的影响，衰减后的信号通过缓冲器(第二缓冲器U8和第三缓冲器U9)进行阻抗变换后输入第二可变增益放大器U10中，通过第二可变增益放大器U10可以实现对衰减后的信号进行缩放调节，使得该信号处于适配进行光纤传输的电压范围。

需要说明的是，差分衰减器111包括并联连接的衰减电容(如C3和C4)和衰减电阻(如R3和R4)，通过接地的衰减电容和衰减电阻对接入的待传输信号衰减谐波，降低谐波对待传输信号的影响。

此外，本申请实施例还提供了一种测量设备，该测量设备包括上述实施例提供的基于光纤的信号传输系统，该测量设备可以是用于测量半导体器件的示波器、隔离探头等，能够使得测量信号不受其上的光纤的影响，有助于提升测量的准确度。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.基于光纤的信号传输系统，其特征在于，包括：

输入级模块，用于接入待传输信号，且对所述待传输信号进行缩放调节；

信号分流模块，连接所述输入级模块，且所述信号分流模块设置有滤波单元、低频处理单元和高频处理单元；所述低频处理单元和所述高频处理单元分别连接所述滤波单元的输出端；所述滤波单元用于滤除高频干扰；所述低频处理单元用于对所述待传输信号的低频分量进行频率调制；所述高频处理单元用于对所述待传输信号的高频分量添加第一参考信号；

光纤传输模块，连接所述信号分流模块，所述光纤传输模块用于传输所述分流后的所述待传输信号的高频分量和低频分量；

信号合并模块，连接所述光纤传输模块，所述信号合并模块设置有低频接收单元、高频接收单元和合并单元；所述低频接收单元和所述高频接收单元均连接所述合并单元；所述高频接收单元还接入第二参考信号，所述第一参考信号和所述第二参考信号用于控制传输系统的增益；所述低频接收单元用于解调并恢复低频分量，所述高频接收单元用于恢复高频分量，所述合并单元用于根据恢复的所述低频分量和所述高频分量还原所述待传输信号。

2.根据权利要求1所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述低频处理单元包括第一低通滤波器、第一运算放大器、压控振荡器和第一检波电路；

所述第一低通滤波器的输出端连接所述第一运算放大器的同相输入端；

所述第一运算放大器的输出端连接所述压控振荡器的控制端端，且所述第一运算放大器的输出端还通过反馈电容连接所述第一运算放大器的反相输入端；

所述压控振荡器的输出端连接所述第一检波电路；

所述第一检波电路连接所述第一运算放大器的反相输入端。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述高频处理单元包括第一高通滤波器和第一加法器；

所述第一高通滤波器的输出端连接所述第一加法器的第一输入端；

所述第一加法器的第二输入端接入所述第一参考信号，所述第一参考信号的频带位于所述第一高通滤波器的通带之外。

4.根据权利要求1所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述低频接收单元包括第二检波电路和第二低通滤波器，所述第二检波电路的输出端连接所述第二低通滤波器。

5.根据权利要求1或4所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述高频接收单元包括第一可变增益放大器、第二高通滤波器和增益反馈器；

所述第二高通滤波器的输入端和所述增益反馈器的输入端均连接所述第一可变增益放大器的输出端；

所述增益反馈器的输出端连接所述第一可变增益放大器的控制端，所述增益反馈器用于调节所述第一可变增益放大器的控制端的电压。

6.根据权利要求5所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述增益反馈器包括带通滤波器、RMS检波器和第二运算放大器；

所述带通滤波器的输出端连接所述RMS检波器的输入端；

所述RMS检波器的输出端连接所述运算放大器的反相输入端；

所述第二运算放大器的同相输入端接入所述第二参考信号，所述第二运算放大器的输出端连接所述第一可变增益放大器的控制端，且所述第二运算放大器的输出端还通过反馈电容连接所述第二运算放大器的反相输入端。

7.根据权利要求1所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述合并单元包括第二加法器、第三低通滤波器和第一缓冲器；所述第二加法器的输出端连接所述第三低通滤波器的输入端，所述第三低通滤波器的输出端连接所述第一缓冲器的输入端。

8.根据权利要求1所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，输入级模块包括第二缓冲器、第三缓冲器、第二可变增益放大器和两个差分衰减器；

所述第二缓冲器的输入端通过并联连接的第一电容和第一电阻接入所述待传输信号，所述第二缓冲器的输入端连接一个所述差分衰减器，所述第二缓冲器的输出端连接所述第二可变增益放大器的第一输入端；

第三缓冲器的输入端通过并联连接的第二电容和第二电阻接入所述待传输信号，所述第三缓冲器的输入端连接另一个所述差分衰减器，第三缓冲器的输出端连接所述第二可变增益放大器的第二输入端；

且两个所述差分衰减器均接地。

9.根据权利要求8所述的基于光纤的信号传输系统，其特征在于，所述差分衰减器包括并联连接的衰减电容和衰减电阻。

10.一种测量设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的基于光纤的信号传输系统。

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