PIN-TIA光電探測器光電流檢測電路的RLS去噪

舒斌 顏科 仲順順

摘要：在測量10 Gh/s PIN-TIA光電探測器Monitor引腳電流時，會受到外界環(huán)境噪聲以及內(nèi)部噪聲的影響，使得測量值夾雜噪聲，影響測量的準(zhǔn)確性。為了減少IO Gh/s PIN-TIA光電探測器Monitor引腳電流的測量誤差，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源對輸出電流信號的影響;設(shè)計50 Hz陷波器及高頻濾波器減少了50 Hz工頻信號的干擾以及對信號中混雜的高頻信號也一并進行了濾除。使用Multisum，Matlab軟件進行了仿真。結(jié)果證明經(jīng)過以上方法對噪聲進行處理后，能夠有效地降低噪聲對于10 Gb/s PIN-TIA光電探測器輸出電流的測量誤差，提高測量的精度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光電探測器;10 Gh/s PIN-TIA;噪聲分析;噪聲抑制;RLS濾波算法;仿真分析

中圖分類號：TN206-34

文獻標(biāo)識碼：A

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

1 光電探測電路噪聲的理論分析

1.1 光電探測器接收組件存在的主要噪聲

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

外部噪聲：主要由輻射源隨機波動、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系統(tǒng)所受到的電磁干擾等因素。在生產(chǎn)過程中，絕大部分為外部電源噪聲的高頻干擾以及50 Hz工頻信號對信號采集的干擾。

內(nèi)部噪聲：它是光電檢測器器件和檢測電路的固有噪聲，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產(chǎn)生熱噪聲，輸出的熱噪聲電壓與檢測電路同頻帶和絕對溫度具有很大關(guān)系。而暗電流噪聲或1/f噪聲幾乎存在于所有探測器中，一般說，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 光電探測器的平均噪聲電流

經(jīng)過上述對探測電路的噪聲分析可知，探測器的輸出噪聲主要為1/f噪聲、散粒噪聲以及熱噪聲，其噪聲電流的計算公式為[2]：

2 光電檢測電路噪聲抑制

2.1 硬件濾波——抑制50 Hz工頻干擾

在我國采用的是50 Hz頻率的交流電，所以在平時需要對信號進行采集處理和分析時，常會存在50 Hz的工頻干擾，對電流測量造成干擾。

由于測量的電流是信號經(jīng)過導(dǎo)線引入測量單元，對于工頻信號來說，這段導(dǎo)線相當(dāng)于“天線”，會撿拾工頻電磁波中的電磁場干擾，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。這種工頻信號的影響顯然對于測量的數(shù)值產(chǎn)生了較大的影響。

在小信號采集中，對于這種工頻信號經(jīng)常采用陷波器對頻率為50 Hz的信號進行抑制[4]，減弱工頻信號對信號數(shù)據(jù)采集的影響[5]。常見的陷波器有雙T單運放同向放大器、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值可獨立調(diào)節(jié)、特性穩(wěn)定等優(yōu)點，故在設(shè)計時選用雙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，可以看出其對于50 Hz信號有較好的抑制作用。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。對于此種噪聲不宜使用硬件濾波，因為硬件電路中的各種電子元器件都會產(chǎn)生噪聲，將給電路帶來額外的噪聲，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該噪聲進行濾除。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，旨在使期望信號與模型濾波器輸出之差的平方和達到最小，從而在迭代過程中采集到輸入信號的值時，采用遞歸形式求解最小值的方法，進而得出最優(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e1（k）以及噪聲信號x1（k），為輸入信號;參考輸入信號x（¨是與噪聲相關(guān)的信號，參考輸入信號x（k）經(jīng)過濾波算法后變?yōu)閥（k），由圖5可以看出，最后輸出的信號e（k）=x1（k）+e1（k） -y（k）。

3 仿真與分析

為了對比研究RLS在濾波方面相對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)濾波法對疊加了噪聲后的信號進行濾波。原始信號的采樣率為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有任何噪聲為基本恒定的值，如圖6所示?；殳B噪聲的信號波形如圖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，此時信號雜亂無章，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，相對于圖9所示的中值濾波波形，其波動范圍小，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)濾波相對于中值濾波依然能夠很好地還原出原始電流信號。

4 結(jié)語

通過分析光電探測器采集電路中的噪聲產(chǎn)生原因及其對電流信號的影響，設(shè)計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，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，增強了光電流檢測的準(zhǔn)確性。

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作者簡介：舒斌（1989-），男，江西贛州人，碩士，研究方向為信息器件制造。

顏科（1994-），男，湖南湘潭人，碩士，研究方向為信息器件制造。

仲順順（1993-），男，山東煙臺人，碩士，研究方向為信息器件制造。