一种高性能的高速脉冲信号光纤传输方法的分析与设计

侯浅奥

（中国传媒大学信息与通信工程学院 北京市 100024）

1 高速脉冲的特点

高速脉冲的波形频率成分较多，同时兼容了丰富的高频成分与低频成分，其传输距离通常在几百米到几十千米[1]。其最大特点在于脉冲非常快，大多只有数十纳秒，甚至在几纳秒的时间内就可上升，而下降时间则相对较长，往往会超过100 纳秒[2]。基于国内外文献[3-4]来看，高速脉冲的主要频谱成分基本处于900MHz 以下，若高速脉冲的上升沿时间不同，那么所对应的频谱最高频率也会有所差异，通常是呈反比关系，即：高速脉冲的上升沿时间越长，那么所对应的频谱最高频率越小，反之亦然。上升沿时间为10ns 的高速脉冲，其对应的频谱最高频率为800MHz，上升沿时间为2ns 的高速脉冲，其对应的频谱最高频率为900MHz。

为了有效减少传输损耗，传输介质以光纤为主，或直接将模拟信号调制为光信号，或数字化采样后再调制为光信号。由于高速脉冲信号的频率较高，但上升时间又较短，故而数字化采样的速率就会很高，再加上采样过程中不会对信号的微小波动进行完全反应，这样一来，就较易导致高速脉冲信号出现变形、失真等情况，故而只能通过模拟调制方式来实现光纤传输[5]。但若采用普通的模拟调制方式，低频成分只能达到数十兆赫兹，难以达到当前信号传输需求。当前探地雷达、超宽带冲击雷达等的应用极为广泛，均对高速脉冲信号的传输有着高可靠性、高稳定性的需求，现有的高速脉冲信号光纤传输方法难以满足需求。有鉴于此，本文针对探地雷达、超宽带冲击雷达等的技术需求，设计了一种高性能的高速脉冲信号光纤传输方法。

2 高速脉冲信号光纤传输难点分析

无论是光解调，还是光调制，其传输频率理论上来看均是从0 Hz 起始，在光调制/光解调的过程中，除了要对电信信号予以处理之外，还需要对调制后/解调前的光信号予以直流驱动。通常而言，激光调制以强度调制形式为主，激光载波的电场强度如公式（1）所示：

式中，kp——比例系数，a(t)——调制信号幅度。假定调制信号是单频余弦波，并且令强度调制系数mp=kpAc，那么可得：

式中，ωm——边频的频率间隔。

光调制通常可分为2 大类，分别是外调制与内调制，其中，外调制的调制带宽更宽、且调制速率更高，故而以外调制的应用为主[6]。但外调制存在着一个较大的问题，即：其内部所集成的T 型偏置器（Bias-T），低频成分最多只能做到40KHz，一旦信号频率低于此值，就难以实现正常传输，信号或严重衰减，或完全无法通过，这样一来，就会导致高速脉冲在光纤传输之后就会出现信号失真的情况，已经成为了制约高速脉冲无损传输的技术难题。

3 高性能高速脉冲信号光纤传输方法的设计

3.1 新型Bias-T的功能原理

为了能够确保高速脉冲实现无损传输，本文设计了一种新型Bias-T，新型Bias-T 的特点是在不对链路性能造成影响的前提下，将直流(DC)偏置添加在RFIN高频射频信号之上，主要是为了能够实现探测器供电及激光器供电。RFIN高频射频信号、偏置电感L1与输入电容C1共同组成相移回路。若偏置电感L1越小，那么通过相移回路的信号频率就会越大；若输入电容C1越小，那么通过相移回路的信号频率就会越大，反之亦然。新型Bias-T 的设计理念就是要让赫兹级的低频信号不会通过偏置电感L1流向VCC 端，只会通过输入电容C1流向VCC 端，并且还可防止VCC 端的电源纹波通过偏置电感L1而串入到RFIN高频射频信号之中。基于理论层面来看，偏置电感L1、输入电容C1应该保持较大值，但实际应用层面则不然，在C1高频响应与器件尺寸的制约之下还需做到综合考虑，故新型Bias-T 综合考虑上述因素来合理设置偏置电感L1、输入电容C1。

3.2 高性能高速脉冲信号光纤传输方法的基本原理

本文所设计的高性能高速脉冲信号光纤传输方法的原理框图如图1 所示。由图可知：无论是光接收机，还是光发射机，均加入了新型Bias-T，Bias-T 的主要功能在于合成直流的供电与交流的高速脉冲，并且有效降低二者的相互影响，Bias-T 可直接影响到光纤传输低频信号的能力。

图1：高性能高速脉冲信号光纤传输方法的原理框图

将一个新型Bias-T 加入到光发射端，高速脉冲信号会在经过其之后再实现电/光转换，转为光信号再传输到光接收端；经光适配器传输到光接收机，在光/电转换后会再次通过一个新型Bias-T，而后转为高速脉冲信号。基于高速脉冲信号的特性，光/电转换器件可选择响应度高、电容低、阻抗性强、暗电流小的PIN 光电探测器。为了能够让PIN光电探测器获得较低的反射损耗，可将其输入阻抗设置为50Ω，以此来有效降低高速脉冲信号的非线性失真。将新型Bias-T 进行频率响应仿真，仿真结果表明：3dB 的光纤传输带宽可有效覆盖10Hz～1000MHz 的高速脉冲信号，完全满足高速脉冲无损传输的要求，不会出现信号失真的现象。

4 硬件电路实现

4.1 高速运放调理电路

传统采用FPGA（Field Programmable Gate Array）逻辑器件所形成的脉冲信号，虽然脉宽合格，但是难以在幅值方面达到要求。所以，高性能高速脉冲信号光纤传输方法采用高速运放调理方案，即：通过差动放大电路来调理信号幅值，使之形成符合要求的高速脉冲信号。

4.1.1 妥善选择高速运放

FPGA 输出的原始信号，通常需要由差动放大电路来予以有效调理，由于信号是高速信号，故而选择高速运放。对于高速运放而言，其主要指标之一就是压摆率[7]，也可将其称为运放转换速率(SR)；运放转换速率(SR)体现出运放适应信号变化速度的水平与能力。若运放转换速率(SR)远低于信号，那么就会造成输出信号难以在第一时间内被调理；若运放转换速率(SR)远高于信号，那么就会导致输出信号出现不必要的振荡现象。如果信号的频率越高、幅值越大，那么所对应的运放转换速率(SR)也会越大。运放转换速率通常与频率f、幅度VPP是呈现出正比关系，如公式（5）所示：

高速脉冲信号的脉宽为 100 ns，那么所对应的极限频率则为10 MHz，由于高速脉冲信号兼容了丰富的高频成分与低频成分，故在调理时需考虑的谐波分量为5 次，幅度VPP为1.0 V，频率f 为50 MHz，通过计算可得SR 指高达314 V/μs。在对幅度进行选择时，还需要考虑冗余现象，通常取2 倍以上的冗余，这样一来，压摆率至少要不低于628 V/μs。

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放大器选用噪声低、失真性小，可实现高速运放的AD9621，压摆率为 1 200 V/μs，小信号与大信号模型的工作频率分布为350 MHz 与130 MHz。AD9621 的压摆率完全符合要求，可确保信号不会出现失真输出的现象。由于AD9621 采用+ 5 V 双端供电的方式，所以可将退耦电容加入到大地与供电电源之间，以此来对噪声进行过滤，确保稳定运行。

4.1.2 信号幅值的调理

采用差动放大电路可有效调理信号幅值，并可将其调理至适宜的范围之中。但是差动电路通常会要求输入电路的两端对称，换而言之，就是同向端到大地之间的等效电阻与反向端到大地之间的等效电阻是相等的，故而需要密切注意电阻匹配。与此同时，若差动放大电路处于高度对称的状态，那么就会有较高的共模抑制比，既有利于抗外界干扰，又有利于对零点漂移进行抑制。

4.1.3 驱动电路的设计

高速脉冲信号在通过差动放大电路输出之后，会由驱动电路进行二次输出，而驱动电路通常是由电压跟随器所组成。电压跟随器的作用较为重要，可让高速脉冲信号100%进入到采集设备之中，这样一来，就可防止由于信号的输出阻抗过高而出现不必要的损耗现象[8]。基于高速脉冲信号的特点，电压跟随器也选择AD9621，可较好地达到输入信号幅度与频率的要求。

4.2 高速电子开关电路

通过高速电子开关也可形成高速脉冲信号源，换而言之，就是通过FPGA 逻辑器件所生成的控制信号来对高速电子开关进行有效控制，继而形成高速脉冲信号。在设计高速电子开关电路之时，需要重点考虑其关断时间与导通时间，主要原因在于：其决定了高速脉冲信号的下降沿时间与上升沿时间。本文所选用的高速电子开关为导通电阻为2.5Ω 的ADG733 电子开关，其关断时间与导通时间分别为 10 ns、21 ns，符合要求，为高速脉冲信号光纤传输打下坚实基础。同时，采用具有低功耗、低噪声、强驱动力等特点的高速运放AD818 来调理直流信号，将其幅值由原来的±5V 调理为±1V，并且将高速运放AD818 作为高速电子开关的输入端。

ADG733 电子开关既可支持双端供电，又可支持单端供电，此处选择用双端供电。ADG733 电子开关的地址输入端数量为3 个，由于本文需对两路视频信号进行模拟输出，故切换通道选定为1、2 通道，其开关切换是通过对地址输入端值进行逻辑控制来实现。当ADG733 电子开关由-1V 导通变为+ 1 V 导通时，会实时形成信号上升沿；当ADG733电子开关由+ 1 V 导通变为-1V 导通时，则会实时形成信号下降沿。值得注意的是，在使用ADG733 电子开关之时，需要提高开/关速度，既可减少漏电电流与导通电阻，又可形成高速脉冲信号。此外，可将ADG733 电子开关与高速运算放大器连接在一起，以此来增强高速脉冲信号源的驱动性能。

4.3 消除反射

高速脉冲信号在源端反射的程度通常由（ZS-Z0）的差值来决定，其中，ZS为源端阻抗，Z0为传输线特性阻抗；同理，高速脉冲信号在负载端反射的程度则由（ZL-Z0）的差值来决定，其中，ZL为负载端阻抗。源端反射系数R1=（ZS-Z0）/（ZS+Z0），负载端反射系数R2=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）。若源端反射系数R1与负载端反射系数R2为正时，那么原信号与反射信号处于同一方向；若源端反射系数R1与负载端反射系数R2为负时，那么原信号与反射信号处于反方向；若源端反射系数R1与负载端反射系数R2为+1 时，说明信号的反射率为100%；若源端反射系数R1与负载端反射系数R2为0 时，说明已经精确匹配了传输线的特性阻抗。

为了消除反射，本文将一个50Ω 的电阻与驱动电路输出端进行串联，其中，电阻的位置要与驱动电路输出端的位置尽量靠近，以此来实现“传输线的特性阻抗=电阻+驱动电路的输出阻抗”。再次测量结果表明：输出信号的波形已获得较大改善，可判定为反射已基本得以消除，能够正常使用。

5 信号幅度不稳定、信号幅度过小及解决方法

5.1 信号幅度不稳定及解决方法

本文所设计的高性能高速脉冲信号光纤传输方法可有效解决了高速脉冲信号传输失真的问题，但实际测试过程中发现经光/电转换之后所传输出来的信号存在着幅度不固定的问题，且会随着光接收机的接收光功率变化而变化。主要原因在于：在光纤传输距离不同、光纤熔接质量不佳、光纤接头连接损耗不确定等因素的制约下，较易导致接收光信号在光/电解调时出现波动，进而造成“输出脉冲信号幅度/输入脉冲信号幅度”的比例变化。为了确保比例恒定，本文在光/电转换的前端增加光衰减器，如图2 所示，通过光衰减器来对传输到光/电转换的接收光功率进行有效调整，以便可固定接收光功率，进而实现比例恒定。

图2：改进后的高性能高速脉冲信号光纤传输方法原理框图

5.2 信号幅度过小及解决方法

实际测试过程中发现经光/电转换之后所传输出来的信号还存在着幅度过小的问题，信号幅度只有信号源的八十分之一，严重影响到后端的处理与分析。有鉴于此，本文将8倍增益的放大器增加在末端（如图2），再次开展实际测试，测试结果如表1 所示，由表可见：上升沿为5 ns 的高速脉冲信号在信号传输前的信号幅度为90.5ns，信号传输后的信号幅度为91.0ns；上升沿为10 ns 的高速脉冲信号在信号传输前的信号幅度为78.0ns，信号传输后的信号幅度为77.5ns，脉宽失真率小于5%，由此可知，在增加放大器之后，信号幅度过小的问题得到了妥善的解决。

表1：高速脉冲信号传输前后的幅度对比

6 结论

（1）目前光调制以外调制的应用为主，但外调制内部所集成的Bias-T，低频成分最多只能做到40KHz，一旦信号频率低于此值，就难以实现正常传输，信号或严重衰减，或完全无法通过，这样一来，就会导致高速脉冲在光纤传输之后就会出现信号失真的情况，已经成为了制约高速脉冲无损传输的技术难题。

（2）为了能够确保高速脉冲实现无损传输，设计了一种新型Bias-T，让赫兹级的低频信号不会通过偏置电感L1流向VCC 端，只会通过输入电容C1流向VCC 端，并且还可防止VCC 端的电源纹波通过偏置电感L1而串入到RFIN高频射频信号之中。

（3）基于高性能高速脉冲信号光纤传输方法来看，无论是光接收机，还是光发射机，均加入了新型Bias-T，Bias-T 的主要功能在于合成直流的供电与交流的高速脉冲，并且有效降低二者的相互影响，Bias-T 可直接影响到光纤传输低频信号的能力。仿真结果表明：3 dB 的光纤传输带宽可有效覆盖10 Hz～1000 MHz 的高速脉冲信号，完全满足高速脉冲无损传输的要求，不会出现信号失真的现象。

（4）针对信号幅度不稳定的问题，在光/电转换的前端增加光衰减器，通过光衰减器来对传输到光/电转换的接收光功率进行有效调整，以便可固定接收光功率，进而实现比例恒定。针对信号幅度过小的问题，将8 倍增益的放大器增加在末端。