侯淺奧

（中國(guó)傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京市 100024）

1 高速脈沖的特點(diǎn)

高速脈沖的波形頻率成分較多，同時(shí)兼容了豐富的高頻成分與低頻成分，其傳輸距離通常在幾百米到幾十千米[1]。其最大特點(diǎn)在于脈沖非?？欤蠖嘀挥袛?shù)十納秒，甚至在幾納秒的時(shí)間內(nèi)就可上升，而下降時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，往往會(huì)超過(guò)100 納秒[2]。基于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[3-4]來(lái)看，高速脈沖的主要頻譜成分基本處于900MHz 以下，若高速脈沖的上升沿時(shí)間不同，那么所對(duì)應(yīng)的頻譜最高頻率也會(huì)有所差異，通常是呈反比關(guān)系，即：高速脈沖的上升沿時(shí)間越長(zhǎng)，那么所對(duì)應(yīng)的頻譜最高頻率越小，反之亦然。上升沿時(shí)間為10ns 的高速脈沖，其對(duì)應(yīng)的頻譜最高頻率為800MHz，上升沿時(shí)間為2ns 的高速脈沖，其對(duì)應(yīng)的頻譜最高頻率為900MHz。

為了有效減少傳輸損耗，傳輸介質(zhì)以光纖為主，或直接將模擬信號(hào)調(diào)制為光信號(hào)，或數(shù)字化采樣后再調(diào)制為光信號(hào)。由于高速脈沖信號(hào)的頻率較高，但上升時(shí)間又較短，故而數(shù)字化采樣的速率就會(huì)很高，再加上采樣過(guò)程中不會(huì)對(duì)信號(hào)的微小波動(dòng)進(jìn)行完全反應(yīng)，這樣一來(lái)，就較易導(dǎo)致高速脈沖信號(hào)出現(xiàn)變形、失真等情況，故而只能通過(guò)模擬調(diào)制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖傳輸[5]。但若采用普通的模擬調(diào)制方式，低頻成分只能達(dá)到數(shù)十兆赫茲，難以達(dá)到當(dāng)前信號(hào)傳輸需求。當(dāng)前探地雷達(dá)、超寬帶沖擊雷達(dá)等的應(yīng)用極為廣泛，均對(duì)高速脈沖信號(hào)的傳輸有著高可靠性、高穩(wěn)定性的需求，現(xiàn)有的高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法難以滿足需求。有鑒于此，本文針對(duì)探地雷達(dá)、超寬帶沖擊雷達(dá)等的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)了一種高性能的高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法。

2 高速脈沖信號(hào)光纖傳輸難點(diǎn)分析

無(wú)論是光解調(diào)，還是光調(diào)制，其傳輸頻率理論上來(lái)看均是從0 Hz 起始，在光調(diào)制/光解調(diào)的過(guò)程中，除了要對(duì)電信信號(hào)予以處理之外，還需要對(duì)調(diào)制后/解調(diào)前的光信號(hào)予以直流驅(qū)動(dòng)。通常而言，激光調(diào)制以強(qiáng)度調(diào)制形式為主，激光載波的電場(chǎng)強(qiáng)度如公式（1）所示：

式中，kp——比例系數(shù)，a(t)——調(diào)制信號(hào)幅度。假定調(diào)制信號(hào)是單頻余弦波，并且令強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)mp=kpAc，那么可得：

式中，ωm——邊頻的頻率間隔。

光調(diào)制通?？煞譃? 大類，分別是外調(diào)制與內(nèi)調(diào)制，其中，外調(diào)制的調(diào)制帶寬更寬、且調(diào)制速率更高，故而以外調(diào)制的應(yīng)用為主[6]。但外調(diào)制存在著一個(gè)較大的問(wèn)題，即：其內(nèi)部所集成的T 型偏置器（Bias-T），低頻成分最多只能做到40KHz，一旦信號(hào)頻率低于此值，就難以實(shí)現(xiàn)正常傳輸，信號(hào)或嚴(yán)重衰減，或完全無(wú)法通過(guò)，這樣一來(lái)，就會(huì)導(dǎo)致高速脈沖在光纖傳輸之后就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真的情況，已經(jīng)成為了制約高速脈沖無(wú)損傳輸?shù)募夹g(shù)難題。

3 高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法的設(shè)計(jì)

3.1 新型Bias-T的功能原理

為了能夠確保高速脈沖實(shí)現(xiàn)無(wú)損傳輸，本文設(shè)計(jì)了一種新型Bias-T，新型Bias-T 的特點(diǎn)是在不對(duì)鏈路性能造成影響的前提下，將直流(DC)偏置添加在RFIN高頻射頻信號(hào)之上，主要是為了能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)器供電及激光器供電。RFIN高頻射頻信號(hào)、偏置電感L1與輸入電容C1共同組成相移回路。若偏置電感L1越小，那么通過(guò)相移回路的信號(hào)頻率就會(huì)越大；若輸入電容C1越小，那么通過(guò)相移回路的信號(hào)頻率就會(huì)越大，反之亦然。新型Bias-T 的設(shè)計(jì)理念就是要讓赫茲級(jí)的低頻信號(hào)不會(huì)通過(guò)偏置電感L1流向VCC 端，只會(huì)通過(guò)輸入電容C1流向VCC 端，并且還可防止VCC 端的電源紋波通過(guò)偏置電感L1而串入到RFIN高頻射頻信號(hào)之中?；诶碚搶用鎭?lái)看，偏置電感L1、輸入電容C1應(yīng)該保持較大值，但實(shí)際應(yīng)用層面則不然，在C1高頻響應(yīng)與器件尺寸的制約之下還需做到綜合考慮，故新型Bias-T 綜合考慮上述因素來(lái)合理設(shè)置偏置電感L1、輸入電容C1。

3.2 高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法的基本原理

本文所設(shè)計(jì)的高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法的原理框圖如圖1 所示。由圖可知：無(wú)論是光接收機(jī)，還是光發(fā)射機(jī)，均加入了新型Bias-T，Bias-T 的主要功能在于合成直流的供電與交流的高速脈沖，并且有效降低二者的相互影響，Bias-T 可直接影響到光纖傳輸?shù)皖l信號(hào)的能力。

圖1：高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法的原理框圖

將一個(gè)新型Bias-T 加入到光發(fā)射端，高速脈沖信號(hào)會(huì)在經(jīng)過(guò)其之后再實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為光信號(hào)再傳輸?shù)焦饨邮斩?；?jīng)光適配器傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)，在光/電轉(zhuǎn)換后會(huì)再次通過(guò)一個(gè)新型Bias-T，而后轉(zhuǎn)為高速脈沖信號(hào)?；诟咚倜}沖信號(hào)的特性，光/電轉(zhuǎn)換器件可選擇響應(yīng)度高、電容低、阻抗性強(qiáng)、暗電流小的PIN 光電探測(cè)器。為了能夠讓PIN光電探測(cè)器獲得較低的反射損耗，可將其輸入阻抗設(shè)置為50Ω，以此來(lái)有效降低高速脈沖信號(hào)的非線性失真。將新型Bias-T 進(jìn)行頻率響應(yīng)仿真，仿真結(jié)果表明：3dB 的光纖傳輸帶寬可有效覆蓋10Hz～1000MHz 的高速脈沖信號(hào)，完全滿足高速脈沖無(wú)損傳輸?shù)囊?，不?huì)出現(xiàn)信號(hào)失真的現(xiàn)象。

4 硬件電路實(shí)現(xiàn)

4.1 高速運(yùn)放調(diào)理電路

傳統(tǒng)采用FPGA（Field Programmable Gate Array）邏輯器件所形成的脈沖信號(hào)，雖然脈寬合格，但是難以在幅值方面達(dá)到要求。所以，高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法采用高速運(yùn)放調(diào)理方案，即：通過(guò)差動(dòng)放大電路來(lái)調(diào)理信號(hào)幅值，使之形成符合要求的高速脈沖信號(hào)。

4.1.1 妥善選擇高速運(yùn)放

FPGA 輸出的原始信號(hào)，通常需要由差動(dòng)放大電路來(lái)予以有效調(diào)理，由于信號(hào)是高速信號(hào)，故而選擇高速運(yùn)放。對(duì)于高速運(yùn)放而言，其主要指標(biāo)之一就是壓擺率[7]，也可將其稱為運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率(SR)；運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率(SR)體現(xiàn)出運(yùn)放適應(yīng)信號(hào)變化速度的水平與能力。若運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率(SR)遠(yuǎn)低于信號(hào)，那么就會(huì)造成輸出信號(hào)難以在第一時(shí)間內(nèi)被調(diào)理；若運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率(SR)遠(yuǎn)高于信號(hào)，那么就會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)出現(xiàn)不必要的振蕩現(xiàn)象。如果信號(hào)的頻率越高、幅值越大，那么所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率(SR)也會(huì)越大。運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率通常與頻率f、幅度VPP是呈現(xiàn)出正比關(guān)系，如公式（5）所示：

高速脈沖信號(hào)的脈寬為 100 ns，那么所對(duì)應(yīng)的極限頻率則為10 MHz，由于高速脈沖信號(hào)兼容了豐富的高頻成分與低頻成分，故在調(diào)理時(shí)需考慮的諧波分量為5 次，幅度VPP為1.0 V，頻率f 為50 MHz，通過(guò)計(jì)算可得SR 指高達(dá)314 V/μs。在對(duì)幅度進(jìn)行選擇時(shí)，還需要考慮冗余現(xiàn)象，通常取2 倍以上的冗余，這樣一來(lái)，壓擺率至少要不低于628 V/μs。

指的是大學(xué)教師兼任企業(yè)的顧問(wèn)，或者企業(yè)的技術(shù)人員、專家兼任大學(xué)的講師。這種交流使企業(yè)和學(xué)?；ハ鄿贤ǎ餐芯拷鉀Q生產(chǎn)過(guò)程中遇到的技術(shù)難題。

放大器選用噪聲低、失真性小，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)放的AD9621，壓擺率為 1 200 V/μs，小信號(hào)與大信號(hào)模型的工作頻率分布為350 MHz 與130 MHz。AD9621 的壓擺率完全符合要求，可確保信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)失真輸出的現(xiàn)象。由于AD9621 采用+ 5 V 雙端供電的方式，所以可將退耦電容加入到大地與供電電源之間，以此來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行過(guò)濾，確保穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1.2 信號(hào)幅值的調(diào)理

采用差動(dòng)放大電路可有效調(diào)理信號(hào)幅值，并可將其調(diào)理至適宜的范圍之中。但是差動(dòng)電路通常會(huì)要求輸入電路的兩端對(duì)稱，換而言之，就是同向端到大地之間的等效電阻與反向端到大地之間的等效電阻是相等的，故而需要密切注意電阻匹配。與此同時(shí)，若差動(dòng)放大電路處于高度對(duì)稱的狀態(tài)，那么就會(huì)有較高的共模抑制比，既有利于抗外界干擾，又有利于對(duì)零點(diǎn)漂移進(jìn)行抑制。

4.1.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

高速脈沖信號(hào)在通過(guò)差動(dòng)放大電路輸出之后，會(huì)由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行二次輸出，而驅(qū)動(dòng)電路通常是由電壓跟隨器所組成。電壓跟隨器的作用較為重要，可讓高速脈沖信號(hào)100%進(jìn)入到采集設(shè)備之中，這樣一來(lái)，就可防止由于信號(hào)的輸出阻抗過(guò)高而出現(xiàn)不必要的損耗現(xiàn)象[8]?；诟咚倜}沖信號(hào)的特點(diǎn)，電壓跟隨器也選擇AD9621，可較好地達(dá)到輸入信號(hào)幅度與頻率的要求。

4.2 高速電子開(kāi)關(guān)電路

通過(guò)高速電子開(kāi)關(guān)也可形成高速脈沖信號(hào)源，換而言之，就是通過(guò)FPGA 邏輯器件所生成的控制信號(hào)來(lái)對(duì)高速電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效控制，繼而形成高速脈沖信號(hào)。在設(shè)計(jì)高速電子開(kāi)關(guān)電路之時(shí)，需要重點(diǎn)考慮其關(guān)斷時(shí)間與導(dǎo)通時(shí)間，主要原因在于：其決定了高速脈沖信號(hào)的下降沿時(shí)間與上升沿時(shí)間。本文所選用的高速電子開(kāi)關(guān)為導(dǎo)通電阻為2.5Ω 的ADG733 電子開(kāi)關(guān)，其關(guān)斷時(shí)間與導(dǎo)通時(shí)間分別為 10 ns、21 ns，符合要求，為高速脈沖信號(hào)光纖傳輸打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，采用具有低功耗、低噪聲、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力等特點(diǎn)的高速運(yùn)放AD818 來(lái)調(diào)理直流信號(hào)，將其幅值由原來(lái)的±5V 調(diào)理為±1V，并且將高速運(yùn)放AD818 作為高速電子開(kāi)關(guān)的輸入端。

ADG733 電子開(kāi)關(guān)既可支持雙端供電，又可支持單端供電，此處選擇用雙端供電。ADG733 電子開(kāi)關(guān)的地址輸入端數(shù)量為3 個(gè)，由于本文需對(duì)兩路視頻信號(hào)進(jìn)行模擬輸出，故切換通道選定為1、2 通道，其開(kāi)關(guān)切換是通過(guò)對(duì)地址輸入端值進(jìn)行邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ADG733 電子開(kāi)關(guān)由-1V 導(dǎo)通變?yōu)? 1 V 導(dǎo)通時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)形成信號(hào)上升沿；當(dāng)ADG733電子開(kāi)關(guān)由+ 1 V 導(dǎo)通變?yōu)?1V 導(dǎo)通時(shí)，則會(huì)實(shí)時(shí)形成信號(hào)下降沿。值得注意的是，在使用ADG733 電子開(kāi)關(guān)之時(shí)，需要提高開(kāi)/關(guān)速度，既可減少漏電電流與導(dǎo)通電阻，又可形成高速脈沖信號(hào)。此外，可將ADG733 電子開(kāi)關(guān)與高速運(yùn)算放大器連接在一起，以此來(lái)增強(qiáng)高速脈沖信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)性能。

4.3 消除反射

高速脈沖信號(hào)在源端反射的程度通常由（ZS-Z0）的差值來(lái)決定，其中，ZS為源端阻抗，Z0為傳輸線特性阻抗；同理，高速脈沖信號(hào)在負(fù)載端反射的程度則由（ZL-Z0）的差值來(lái)決定，其中，ZL為負(fù)載端阻抗。源端反射系數(shù)R1=（ZS-Z0）/（ZS+Z0），負(fù)載端反射系數(shù)R2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）。若源端反射系數(shù)R1與負(fù)載端反射系數(shù)R2為正時(shí)，那么原信號(hào)與反射信號(hào)處于同一方向；若源端反射系數(shù)R1與負(fù)載端反射系數(shù)R2為負(fù)時(shí)，那么原信號(hào)與反射信號(hào)處于反方向；若源端反射系數(shù)R1與負(fù)載端反射系數(shù)R2為+1 時(shí)，說(shuō)明信號(hào)的反射率為100%；若源端反射系數(shù)R1與負(fù)載端反射系數(shù)R2為0 時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)精確匹配了傳輸線的特性阻抗。

為了消除反射，本文將一個(gè)50Ω 的電阻與驅(qū)動(dòng)電路輸出端進(jìn)行串聯(lián)，其中，電阻的位置要與驅(qū)動(dòng)電路輸出端的位置盡量靠近，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳輸線的特性阻抗=電阻+驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗”。再次測(cè)量結(jié)果表明：輸出信號(hào)的波形已獲得較大改善，可判定為反射已基本得以消除，能夠正常使用。

5 信號(hào)幅度不穩(wěn)定、信號(hào)幅度過(guò)小及解決方法

5.1 信號(hào)幅度不穩(wěn)定及解決方法

本文所設(shè)計(jì)的高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法可有效解決了高速脈沖信號(hào)傳輸失真的問(wèn)題，但實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換之后所傳輸出來(lái)的信號(hào)存在著幅度不固定的問(wèn)題，且會(huì)隨著光接收機(jī)的接收光功率變化而變化。主要原因在于：在光纖傳輸距離不同、光纖熔接質(zhì)量不佳、光纖接頭連接損耗不確定等因素的制約下，較易導(dǎo)致接收光信號(hào)在光/電解調(diào)時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，進(jìn)而造成“輸出脈沖信號(hào)幅度/輸入脈沖信號(hào)幅度”的比例變化。為了確保比例恒定，本文在光/電轉(zhuǎn)換的前端增加光衰減器，如圖2 所示，通過(guò)光衰減器來(lái)對(duì)傳輸?shù)焦?電轉(zhuǎn)換的接收光功率進(jìn)行有效調(diào)整，以便可固定接收光功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)比例恒定。

圖2：改進(jìn)后的高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法原理框圖

5.2 信號(hào)幅度過(guò)小及解決方法

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換之后所傳輸出來(lái)的信號(hào)還存在著幅度過(guò)小的問(wèn)題，信號(hào)幅度只有信號(hào)源的八十分之一，嚴(yán)重影響到后端的處理與分析。有鑒于此，本文將8倍增益的放大器增加在末端（如圖2），再次開(kāi)展實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，由表可見(jiàn)：上升沿為5 ns 的高速脈沖信號(hào)在信號(hào)傳輸前的信號(hào)幅度為90.5ns，信號(hào)傳輸后的信號(hào)幅度為91.0ns；上升沿為10 ns 的高速脈沖信號(hào)在信號(hào)傳輸前的信號(hào)幅度為78.0ns，信號(hào)傳輸后的信號(hào)幅度為77.5ns，脈寬失真率小于5%，由此可知，在增加放大器之后，信號(hào)幅度過(guò)小的問(wèn)題得到了妥善的解決。

表1：高速脈沖信號(hào)傳輸前后的幅度對(duì)比

6 結(jié)論

（1）目前光調(diào)制以外調(diào)制的應(yīng)用為主，但外調(diào)制內(nèi)部所集成的Bias-T，低頻成分最多只能做到40KHz，一旦信號(hào)頻率低于此值，就難以實(shí)現(xiàn)正常傳輸，信號(hào)或嚴(yán)重衰減，或完全無(wú)法通過(guò)，這樣一來(lái)，就會(huì)導(dǎo)致高速脈沖在光纖傳輸之后就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真的情況，已經(jīng)成為了制約高速脈沖無(wú)損傳輸?shù)募夹g(shù)難題。

（2）為了能夠確保高速脈沖實(shí)現(xiàn)無(wú)損傳輸，設(shè)計(jì)了一種新型Bias-T，讓赫茲級(jí)的低頻信號(hào)不會(huì)通過(guò)偏置電感L1流向VCC 端，只會(huì)通過(guò)輸入電容C1流向VCC 端，并且還可防止VCC 端的電源紋波通過(guò)偏置電感L1而串入到RFIN高頻射頻信號(hào)之中。

（3）基于高性能高速脈沖信號(hào)光纖傳輸方法來(lái)看，無(wú)論是光接收機(jī)，還是光發(fā)射機(jī)，均加入了新型Bias-T，Bias-T 的主要功能在于合成直流的供電與交流的高速脈沖，并且有效降低二者的相互影響，Bias-T 可直接影響到光纖傳輸?shù)皖l信號(hào)的能力。仿真結(jié)果表明：3 dB 的光纖傳輸帶寬可有效覆蓋10 Hz～1000 MHz 的高速脈沖信號(hào)，完全滿足高速脈沖無(wú)損傳輸?shù)囊?，不?huì)出現(xiàn)信號(hào)失真的現(xiàn)象。

（4）針對(duì)信號(hào)幅度不穩(wěn)定的問(wèn)題，在光/電轉(zhuǎn)換的前端增加光衰減器，通過(guò)光衰減器來(lái)對(duì)傳輸?shù)焦?電轉(zhuǎn)換的接收光功率進(jìn)行有效調(diào)整，以便可固定接收光功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)比例恒定。針對(duì)信號(hào)幅度過(guò)小的問(wèn)題，將8 倍增益的放大器增加在末端。