基于APD的高灵敏度大气激光通信接收机系统设计
王平;耿天文;伞晓刚;高世杰;吴志勇
【摘 要】为了满足大气激光通信系统对接收端高灵敏度的要求,通过分析APD和接收机的温度电压特性,以及电压和温度的波动对接收机灵敏度的影响,设计了一种大气激光通信接收机,包括低纹波APD偏压控制电路、APD温度控制电路和主放大器电路等.实验结果表明,偏置电压为46.35V、温度为290K、误码率为10-9时,接收机灵敏度达到-39.1dBm,满足通信系统要求. 【期刊名称】《光通信技术》步进式开水机
【年(卷),期】2015(039)012
【总页数】4页(P51-54)
【关键词】激光通信;接收机;灵敏度;APD
【作 者】王平;耿天文;伞晓刚;高世杰;吴志勇
【作者单位】中国科学院大学,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033
【正文语种】中 文
活跃ip扫描器
【中图分类】TN929.11
大气激光通信是指利用激光作为信息载体在大气环境中进行通信的通信方式［1］。在长距离通信时，激光通信系统的接收端所接收的信号具有功率小、信噪比低的特点，这要求接收机系统拥有较高的灵敏度。因此接收机中的光电探测器需要采用高灵敏度、低噪声的雪崩二极管（APD）［1-6］。APD作为信号接收器件虽然具有高灵敏度的优点，但是温度和电压影响其增益及噪声，进而影响接收机灵敏度，因此需要对APD偏置电压和工作温度进行控制［6］。现有接收机系统多采用偏置电压对温度变化进行补偿的方式进行电压和温度的控制，但是这种方式并不能使APD工作在最佳的工作状态。为此，本文分析了电压和温度对APD雪崩增益以及对接收机灵敏度的影响，并基于此设计了大气激光通信接收机，主
知识竞赛系统
要包括低纹波电压控制电路、精确温度控制电路和主放大器电路。
1.1 接收机的组成
接收机的原理图如图1所示。APD对输入光进行光电转换产生光生电流，前置放大器将光生电流转换为电压信号，并进行初步放大。目前前置放大器主要采用集成跨阻放大器（TIA），本APD集成了跨阻放大器。由于前置放大器放大倍数较小，且输入信号随机性较大，前置放大器输出功率起伏较大，主放大器对前置放大器输出信号进行再次放大，并对信号整形，得到后端处理电路可以处理的信号。 超前支架
1.2 APD信号增益特性
雪崩增益表征了APD对初级光生电流的放大能力，用M来表示。雪崩增益M与偏置电压和击穿电压有关。当偏置电压不变时，APD雪崩增益随温度的升高而降低，在温度确定时，雪崩增益随偏置电压的增大而增大。
1.3 接收机灵敏度分析
探测灵敏度是指满足误码率要求下，接收机所要求的最小接收功率。它是衡量接收机性能的重要指标。APD雪崩增益的改变会引起接收机灵敏度的改变，存在一个最佳雪崩增益（Mopt）使得接收机灵敏度最高，为了使接收机灵敏度最高，需要使APD增益稳定在最佳增益处。由以上分析可知为了保证接收机的灵敏度，需要调节偏置电压以及温度，使APD工作在最佳增益处。同时为了保证APD增益的稳定性，需要降低偏置电压以及温度的纹波。
基于对APD特性以及接收机灵敏度的分析，本文对大气激光通信接收机各部分电路进行了设计。主要设计了低纹波APD偏置电压电路、高精度温度控制电路和主放大器电路。
2.1 低纹波偏置电压电路的设计
APD正常工作的偏置电压为40～50V，电源电压为5V，为了保证APD正常工作，需要对电源电压进行升压处理。本文采用LT3482作为升压芯片，设计了一种电压可调的低纹波APD偏置电压控制电路。由于APD工作在击穿电压附近，APD工作时，输入光功率过大等情形会造成穿过APD电流过大使APD损坏，基于此，在电路中加入了电流限制功能。图2为偏置电压电路原理图。
LT3482是一款专门用于提供APD偏置电压的开关型升压芯片，其输入电压为2.5～16V之间，内部含有升压电荷泵，输出电压可高达90V。由于开关频率（1.1MHz）确定，输出信号噪声频率确定，便于滤波。芯片采用电感器为基础的升压拓扑结构保证了输入电压不会受到到开关噪声的影响。在该芯片工作时输出电压无需任何附加滤波，就可保持低于100μV的纹波。
如图2所示，LT3482与外围电路组成了低纹波电压输出部分。SW与PUMP之间连接0.1μF电容启动芯片内部电荷泵；nSHDN为芯片开关管脚，当nSHDN电压为低电平时，芯片停止工作；CTRL为输出电压控制管脚；FB为电压反馈管脚为电压输出脚。输出电压为端电压的两倍，通过设置CTRL端电压，控制端输出电压。
为了进一步降低输出电压纹波，使用C1、C2对5V电源进行滤波为芯片提供准确的供电电压。电感L1滤除开关噪声，使用LTspice进行仿真，当L1电感为10μH时，输出电压纹波最小，因此选用10μH电感。C7与C8对输出电压进行滤波，R6与C9组成RC低通滤波器，对输出电压进行滤波，进一步降低了输出电压的纹波。测试表明，当设定电压为46.35V时，电压纹波小于0.01V。
ADR370与R18、R19构成分压网络。ADR370为变压芯片，提供2.048V电压，通过调节R18阻值，设置CTRL管脚电压。放大器U2、U3与MOS管Q1构成了电流限制部分。当APD电流较小时，V2＞V1，U2输出为正，Q1导通，U3输出为正，LT3482正常工作；当APD电流过大时，U2输出为负，Q1关闭，U3输出为负，LT3482停止工作。
2.2 温度控制电路设计
此APD使用二极管作为温度传感器，二极管的导通电压随温度的升高线性降低，二极管在不同温度下的导通电压代表当前温度信息。半导体制冷是一种基于珀尔帖效应的技术，当制冷器中通过直流电流时，半导体一端温度会降低，另一端温度升高，若将电流方向改变，便可实现相反的功能。本文所使用半导体制冷器，其驱动电压为0～2V，驱动电流0～2A。本文所设计的温度控制电路，通过控制半导体制冷器的电压，实现温度的精确控制。电路主要包括温度采集部分、温度设定部分、PID控制器和电压输出部分。原理图如图3所示。
温度设定部分和采集部分分别将设定温度信息与APD当前温度信息传送到PID控制器，PID控制器对信息进行处理，给出控制信号到LT3479的控制端，实现PID控制过程。LT3479根
据控制信号输出相应的电压。美容加湿器
传感器与放大器构成温度采集部分，为了减小传感器的热效应引起的温度变化，传感器使用10μA电流源驱动，放大器对传感器输出电压进行放大，温度采集部分的输出反映当前温度，放大器输出连接到PID控制器。电位计为温度设定器，设定电压连接到PID控制器
控制过程由模拟PID控制器实现，由比例积分电路构成。与数字PID控制器相比，模拟PID控制器具有控制稳定性好、精度高、反应速度快、成本低和结构简单的优点。
驱动电路由LT3479以及与之配合的外围电路组成，LT3479是一款具有软启动功能的开关型控压芯片，具有短路保护功能，提供正、负输出，可以通过外部电阻设置开关频率，输出电流可达3A，能够为半导体制冷器提供精确的电压和稳定的电流。
当设定电压与传感器输出电压相差较大时，TEC端电压较大，TEC快速工作。当设定电压于与传感器输出电压相差较小时，TEC端电压较小，此时TEC缓慢工作，积分环节保证了温度的稳定性。通过这种模拟PID控制方式，实现了对温度的精确、实时、快速和抖动小的控制。测试表明，当APD正常工作时，温度波动小于0.2K。
2.3 主放大器
目前主放大器主要有限幅放大器和自动增益控制电路（AGC）两种。AGC放大器的工作原理是根据信号的平均幅度对放大器的一些电路参数进行调节，改变放大器的增益，实现输出信号幅度的稳定。限幅放大器的工作原理是当输入信号幅度达到一定的电平时放大器输出信号达到限幅状态，输出确定电平。与AGC相比，限幅放大器具有工作速率高、功耗小和抑制信号起伏能力强的特点。本文采用限幅放大器MAX3747，设计了接收系统主放大器。MAX3747工作频率为155MHz～3.2GHz，支持多种工作电平，具有信号丢失检测功能，输入信号幅度2mVp-p时，误码率可达10-12，是一款高性能的限幅放大器。
在实验室内，对不同温度和电压下的接收机灵敏度进行测试，测试系统原理图如图4所示。
误码仪作为信号源发出PRBS伪随机码，经强度调制器转换为经过调制的光信号，衰减器对光信号功率进行调节，调节后的光进入接收机，接收机将恢复后的电信号回传误码仪，进行误码检测。设定误码率为10-9，输入光波长为1550nm，带宽为1GHz，误码统计时间为10分钟，通过调整APD偏置电压和温度，以及输入光功率，测试接收机在不同工作条件下的灵敏度，结果如图5所示。
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