基于小波变换的雪崩光电二极管信号检测方法
基于雪崩光电二极管的激光测距放大电路[发明专利]
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710554691.3(22)申请日 2017.07.10(71)申请人 南京理工大学地址 210094 江苏省南京市孝陵卫200号(72)发明人 钱惟贤 高青松 顾国华 陈钱 杨锦清 李之秀 蔡贵霞 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心32203代理人 吴茂杰(51)Int.Cl.G01S 7/486(2006.01)(54)发明名称基于雪崩光电二极管的激光测距放大电路(57)摘要本发明公开一种基于雪崩光电二极管的激光测距放大电路，包括一级放大芯片、二级放大芯片，还包括后极与-150V电源相连、前极与一级放大芯片的2号端口相连的雪崩光电二极管(APD)；一级放大芯片的6号端口通过串联的一级输出电阻(Rs )和二级输入电阻(Ri1)，与二级放大芯片的2号端口相连；二级放大芯片的1号端口通过第一输出电阻(Ro1)与输出地端(OUT N)相连，所述二级放大芯片的7号端口通过第二输出电阻(Ro2)与输出相端(OUT P)相连。
本发明的基于雪崩光电二极管的激光测距放大电路，带宽宽、增益高，可以大大提高激光测距的精确度。
权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 107271987 A 2017.10.20C N 107271987A1.一种基于雪崩光电二极管的激光测距放大电路，包括一级放大芯片、二级放大芯片，其特征在于：还包括雪崩光电二极管(APD)，所述雪崩光电二极管(APD)的后极与-150V电源相连，其前极与一级放大芯片的2号端口相连；还包括一端接地、另一端与一级放大芯片的3号端口相连的第一接地电容(Cc1)、第二接地电容(Cc2)和接地电阻(RC)；还包括一端接地、另一端与一级放大芯片的4号端口相连的第三滤波电容(Cb3)和第四滤波电容(Cb4)，所述一级放大芯片的4号端口还与-5V电压相连；所述一级放大芯片的2号端口与6号端口之间还串联一级反馈电阻(Rf)；还包括一端接地、另一端与+5V电压相连的第二滤波电容(Cb2)和第一滤波电容(Cb1)；所述一级放大芯片的7号端口也与+5V电压相连；所述一级放大芯片的6号端口通过串联的一级输出电阻(Rs)和二级输入电阻(Ri1)，与二级放大芯片的2号端口相连；所述二级放大芯片的2号端口与其1号端口之间串联第一二级反馈电阻(Rfb1)；所述二级放大芯片的1号端口通过第一输出电阻(Ro1)与输出地端(OUT N)相连，还包括第一优化电阻(Ropt1)，其一端接地，另一端接在第一输出电阻(Ro1)与输出地端(OUT N)之间；还包括一端接地、另一端接5V电源的第五滤波电容(Cb5)，所述二级放大芯片的4号端口也与5V电源相连；所述二级放大芯片的6号端口通过依次串联的二级输入电阻(Ri2)和平衡电阻(Rs1)接地；所述二级放大芯片的6号端口与其7号端口之间串联第二二级反馈电阻(Rfb2)；所述二级放大芯片的7号端口通过第二输出电阻(Ro2)与输出相端(OUT P)相连，还包括第二优化电阻(Ropt2)，其一端接地，另一端接在第二输出电阻(Ro2)与输出相端(OUT P)之间；所述二级放大芯片的9号端口通过第七滤波电容(Cb7)与其8号端口相连并接地，二级放大芯片的9号端口通过第六滤波电容(Cb6)与其10号端口相连并接地。
第六章基于小波变换的故障诊断方法2
傅立叶分析的实质在于将一个任意的函数f(t)表示 为具有不同频率的谐波函数的线性叠加。即一族 标准函数 {eit R} 的加权求和，从而将对原来函 数的研究转化为对这个叠加的权系数的研究：
f (t) 1 g ()eitd
1988年，Daubechies构造了具有有限支集的正 交小波基。在美国Pure＆Appl.Math.发表一篇长达 87页的论文，被公认是小波分析的经典文献。
1989年，Mallat在多分辨率分析基础上，构造了 Mallat算法。为此，Mallat于1989年荣获IEEE论文 奖。
1990年，崔锦泰和王建忠构造了基于样条函数的 单正交小波函数。
短时傅里叶变换 Fg f (, ) 大致反映了f(t)在时刻τ 时， 频率为ω 的“信号成分”的相对含量。
这样，信号在窗函数上的展开就可以表示为在
[ , ]、[ , ] 这一区域内的状态，
并把这一区域称为窗口， δ和ε分别称为窗口的时宽 和频宽，表示了时－频分析中的分辨率，窗宽越小则 分辨率越高。
小波变换是一种能够在时间－频率两域对信号进行 分析的方法，具有可以对信号在不同范围、不同的 时间区域内进行分析，对噪声不敏感，能够分析到 信号的任意细节等优点，在信号处理领域获得越来 越广泛的应用，被誉为“数学显微镜”。
小波分析和Fourier分析
傅立叶变换是一个十分重要的工具，无论是在一般 的科学研究中，还是在工程技术的应用中，它都发 挥着基本工具的作用。
小波与小波变换
定义12： 我们称满足条件
ˆ () 2
0 ˆ () 2
0
d
基于小波变换的集成电路内部缺陷检测方法
基于小波变换的集成电路内部缺陷检测方法马鸽;廖沛鑫;李致富;刘贵云;陈海荣【摘要】With the development of multi-function, high precision and high integration density of the integrated circuits (IC), integrated multi-layer packaging technology attracts much attention. Some existing surface defect detection methods and functional tester are infeasible for the internal defects in multi-layer packaging. X-ray detector can penetrate packaged components and yield projective images that contain internal defects, which provides a very effective means to tackle IC internal defect detection and high-reliability production of IC. However, X-ray images of IC exhibit characteristics of low gray level, low contrast and contain very small fine features, resulting in extreme challenges for internal defect detection. In this paper, considering the multi-resolution analysis of wavelet, a Wavelet transform based internal defect detection method for IC is proposed. Firstly, a wavelet homomorphic filtering method is adopted to preprocess IC X-ray images, resulting in improvement of image contrast. Then, wavelet modulus maximum method is chosen to extract the effective edge of internal defects. Experimental results demonstrate that the edge details of internal defects are clear and complete, which provides a basis for precision of internal defect detection and the quality of integrated circuit package.%随着集成电路向多功能、高精密、高集成度的发展, 集成化多层封装技术成为关键, 而传统的表面缺陷检测和功能性测试方法对内部缺陷无法实现有效检测.X射线可通过透射成像直观地呈现元器件的内部缺陷, 为极大规模集成电路产品的高可靠性生产提供了有效的检测手段.然而, 集成电路的X射线图像灰度水平低、对比度低、有效特征细小, 难以实现有效的检测.针对该问题文章设计了一种基于小波变换的集成电路内部缺陷检测方法.该方法利用小波的多分辨率分析特点, 采用小波同态滤波方法对集成电路的X射线图像进行预处理, 提高图像的对比度, 进而采用小波模极大值方法提取缺陷的有效边缘供给工业检测判断.实验结果表明, 该方法提取的缺陷边缘清晰、数量完整, 为保证内部缺陷检测精度、提高集成电路封装质量提供依据.【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(017)006【总页数】6页(P35-40)【关键词】集成电路X射线检测;小波变换;同态滤波;边缘检测【作者】马鸽;廖沛鑫;李致富;刘贵云;陈海荣【作者单位】广州大学机械与电气工程学院, 广东广州 510006;广州大学机械与电气工程学院, 广东广州 510006;广州大学机械与电气工程学院, 广东广州 510006;广州大学机械与电气工程学院, 广东广州 510006;广州大学机械与电气工程学院, 广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TN876作为国民经济和国防建设的重要支柱之一，集成电路产业成为衡量一个国家或地区科技实力的重要标志.随着极大规模集成电路前工序关键技术向22 nm工艺的快速发展，球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)、倒装焊(Flip-chip Bonding，FCB)和3D封装已经发展成为高集成度、高密度封装的三大关键技术.致密化3D互联封装电子系统密度大、性能高、封装成本低，有力地推动了高端电子产品的飞速发展，同时，多层芯片的叠装互联也对封装测试工艺提出了更高的要求，尤其对多层封装内部缺陷检测的高精确性和高可靠性也提出了更高技术挑战.目前，针对集成电路封装和组装的测试方式主要分为表面缺陷检测和电气功能性测试2类，具体包括人工目检、自动光学检查AOI(Automatic Optical Inspection)、功能测试(Functional Tester)、飞针测试和针床测试ICT(In circuit tester)等[1].但这些方法无法满足当前极大规模集成电路内部缺陷检测的目的和发展需求，具体表现在：(1)高密度封装内部缺陷不可见.以倒装焊技术为例，其焊球凸点法、热压焊法、导电胶粘接法等3种电气连接方式均涉及到倒装芯片凸点制造工艺，而凸点的连接形式及状态在封装过程中不可见.(2)在封装过程中，由于焊盘与空气的长期接触，导致焊盘发生氧化，从而在连接点产生缺陷：例如,焊点连接的缝隙及裂痕、焊点与焊线连接处氧化断开、内部气泡空洞过多过密、裸片与连接界面之间断开、导线间压焊不牢固等.(3)集成电路多层封装过程中的压力经常导致焊盘硅片产生微小裂痕，而裂纹一旦产生便会快速扩展从而发生断裂；多层封装层与层之间导电胶连接的胶体也会因工艺不均匀等产生气泡，进而影响元器件的封装特性.以上凸点连接、焊点连接裂缝、虚焊、连结点断裂、硅片裂痕、胶体及焊点内部气泡空洞等均为多层封装的内部缺陷，无法用AOI等表面缺陷检测技术来进行判断.而传统的电气功能性测试尽管能够测试元器件功能是否正常，却无法定位缺陷位置及类型.同时，电气功能性测试对检测人员的技术水平具有依赖性，需要检测人员对被测对象的功能及连接方式有明确认知，给高端芯片封装内部缺陷检测带来了新的难题.X射线具有穿透元器件成像的能力，因集成电路内部元器件不同材质、密度、厚度对X射线的吸收特性不同，导致最后到达探测器时的射线能量不同，从而完成元器件内部结构的透射成像[2-3].其中，焊锡膏、导线为金属材质，对X射线吸收能力强，成像为圆形或条形的低灰度值区域；而气泡空洞、导线断裂部分对X射线吸收能力弱，成像为高灰度值区域.若焊点出现虚焊则相应的焊点位置无法提取边缘；若焊点内部有气泡缺陷，则在低灰度值焊点内部出现多个灰度值较高的圆形区域，从而可提取到气泡边缘信息；若导线断裂，则无法提取完整的导线边缘信息，从而判断导线断裂.因此，通过集成电路X射线成像可直观地呈现出元器件的内部缺陷，为高端芯片封装过程提供了非常有效的检测手段[4-5].然而，集成电路多由硅、金属薄片、线以及焊点组合而成，此类材质对X射线的吸收率较大，使得X射线图像呈现出灰度水平低的特点；另一方面，随着集成电路向多功能、微型化发展，集成电路元器件尺寸微小、层与层间距微小，X射线出射衰减率小，使得图像呈现出细节缺陷与背景对比度低的特点[6-7].以上集成电路灰度水平低、对比度低的特点对细小特征的识别造成严重影响，极易造成封装检测的误检和漏检，对集成电路产品工业生产的可靠性及产品质量带来损害.针对以上问题，本文设计了一种基于小波变换的集成电路X射线内部缺陷检测系统及方法.实验结果表明该方法对集成电路封装过程中的气泡缺陷能够进行有效的识别.1 基于小波变换的同态滤波方法同态滤波是一种广泛应用于信号和图像处理的技术，因其在对比度和噪声去除上的有效性，被广泛应用于图像去雾、内窥图像增强等领域[8-10].而小波变换具有多分辨率分析的特点，能够突出图像的局部化特征，从而改善傅立叶变换全局分析在图像去噪和边缘保持上的局限性.因此，本文采用基于小波变换的同态滤波方法对集成电路的微聚焦X射线图像进行预处理[11].同态滤波首先将集成电路X射线图像转化为照度和反射率的卷积形式，进而对照度和反射率分别进行滤波器的设计，能够在保持图像对比度不变的前提下实现噪声的滤除.同时，结合小波变换的多分辨率分析特点，保留低分辨率下的全部小波信号信息以及高分辨率下的边缘与细节部分信息，从而避免图像失真现象的出现. 用I(x,y)来表示空间域上的集成电路X射线图像，则有I(x,y)=i(x,y)*r(x,y)(1)其中，i(x,y)为图像照度分量，r(x,y)则为反射率分量.基于小波变换的同态滤波方法步骤如下：(1)对I(x,y)进行对数变换，将其转换为2个加性分量的叠加，即ln(I(x,y))=ln(i(x,y))+ln(r(x,y))(2)(2)对变换后的图像进行小波变换，得到变换后频率域的图像，即WT[ln(I(x,y))]=WT[ln(i(x,y))]+WT[ln(r(x,y))](3)其中，WT[ln(i(x,y))]为图像经过小波分解后的低频率段，代表图像的照度信息，WT[ln(r(x,y))]则表示小波分解后的高频率段，代表反射率函数.(3)基于集成电路X射线图像混合噪声强烈、灰度水平低、对比度低的特点，需要对图像的低频率段和高频率段分别进行滤波设计.通过阈值选择不同使得滤波器达到图像细节保留与噪声去除的目的.主要表现在低频部分设置较大的阈值，增大低频分量的灰度动态范围，从而保证多数图像信息能够得到有效保留；在高频部分设置较小的阈值，从而减少高频噪声分量的动态范围，有效滤除高频噪声，即设计一个频域滤波器H(u,v)如下：G(x,y)=H(x,y)·WT[ln(I(x,y))]=Hi(x,y)·WT[ln(i(x,y))]+Hr(x,y)·WT[ln(r(x,y))](4)其中，G(x,y)为同态滤波后的图像.Hi(x,y)为低频段滤波，Hr(x,y)为高频段滤波.(4)将滤波后的图像进行小波逆变换得到对数图像，接着取指数变换，得到小波同态滤波后的结果f(x,y)如下：f(x,y)=exp(WT-1G(x,y))(5)2 单尺度小波模极大值边缘检测集成电路内部缺陷检测的目的是通过X射线透射成像快速精确地获得其内部缺陷的信息，从而保证工业生产应用的准确性和可靠性.鉴于集成电路元器件特征细小的特点，如何在X射线图像中精确识别内部缺陷边缘信息尤为重要.图像的边缘信息经常反映为图像信号的模极大值[12-13]，因此，结合小波变换在时域和频域上的多分辨率分析特点，本文采用单尺度小波模极大值边缘检测方法，具体如下：(1)选定具有良好局部特征的平滑二维高斯函数θ(x,y)，满足：(6)对平滑二维高斯函数分别在x和y方向求偏导数pdx和pdy，则有：(7)(8)这里x和y方向的偏导数pdx和pdy即为小波函数.(2)对本文第二部分小波同态滤波后的图像f(x,y)在一定的尺度s下进行变换得到：WTx(f(x,y))=f(x,y)*pdx(x,y)(9)WTy(f(x,y))=f(x,y)*pdy(x,y)(10)(3)求取图像函数f(x,y)在小波变换之后的每一个像素点的梯度大小和幅角，(11)(12)其中,G(f(x,y))为梯度模值，A(f(x,y))为幅角，表明梯度的方向，即图像边缘的方向.图像的模极大值是梯度模在梯度方向的局部极大值，即图像的边缘点.(4)比较每一个像素点的幅值与梯度，检测出在一定的幅角范围内梯度模的极大值点，把符合以上特征的点集合起来，存储在集合ALLEdge(x,y)里面.(5)设定阈值T，对ALLEdge(x,y)里面的点进行筛选，若模值大于T，则该像素点为边缘点，予以提取保留.3 实验结果及其分析为验证本文方法在集成电路X射线内部缺陷检测应用上的有效性，对集成电路封装的气泡缺陷和导线连接形式进行实验验证.本文采用均值滤波、中值滤波、高斯低通滤波和小波同态滤波4种滤波方法，分别对集成电路的X射线图像进行滤波去噪，进而分别采用标准的Canny算子和单尺度小波模极大值方法进行边缘信息提取，通过组合实验来验证本文方法的有效性.实验设备为Macbook pro，Intel i7处理器、16G内存，64位Windows7操作系统、Matlab R2016a.首先，采用均值滤波、中值滤波、高斯低通滤波和小波同态滤波4种滤波方法，分别对焊盘气泡X射线图像进行滤波去噪增强处理，结果见图1.对比发现，图1(b)和1(d)所示均值滤波和高斯低通滤波结果平滑噪声性能较好，但过于平滑导致边缘细节模糊化，对于后续边缘检测带来困难.图1(c)所示的中值滤波结果边缘清晰，但出现了分片光滑现象，混淆背景和缺陷边缘.图1(e)所示的小波同态滤波结果对比度有明显提高，边缘细节清晰，有利于主观判断气泡缺陷及边缘提取.为更加清晰地显示滤波方法的实验效果，本文放大显示了图(1)中的方框部分，见图2.进一步验证了小波同态滤波结果气泡边缘清晰更有利于识别的优越性.图1 焊盘气泡X射线图像原图及滤波结果图Fig.1 X-ray image and its filter results of bonding pad with void defects图2 图(1)方框部分放大图Fig.2 Enlarged figure of the boxes in Fig.1为进一步验证本文方法的有效性，采用经典的Canny边缘检测算子对以上滤波结果进行边缘提取，以期得到完整的气泡边缘为工业检测提供判断依据.同时，采用单尺度小波模极大值边缘检测方法对以上滤波结果进行对比试验，实验结果见图3.边缘检测算子阈值统一选择为0.13.横向对比图3(a)和3(b)、3(c)和3(d)、3(e)和3(f)以及3(g)和3(h)，显然在相同阈值、相同滤波条件下，图3左侧的Canny边缘检测算子能够检测出气泡缺陷的边缘，但抗噪性能较差，导致将噪声识别为边缘，影响检测精度.而图3右侧所示的单尺度小波模极大值边缘检测结果更为精确地提取了气泡缺陷边缘信息，抗噪声的鲁棒性更优.纵向对比发现，图3左侧在相同的Canny边缘检测算子条件下，图3(c)所示的中值滤波结果噪声较少，但气泡边缘有粘连，导致方框所示部分气泡与背景边缘无法辨识.其他3种方法则抗噪性能较差，无法清晰辨识焊盘气泡缺陷与噪声.图3右侧在相同的单尺度小波模极大值边缘检测算子条件下，图3(d)和(f)所示的实验结果中气泡缺陷只有5个且边缘不完整，极易造成漏检.图3(b)中尽管检测出的气泡缺陷较之增多，但仍然不够完整.而图3(h)所示的检测结果气泡边缘清晰、缺陷数量完整，为工业检测提供更为可靠的判断依据.另一方面，各方法计算时间均保持在1 s上下，可满足工业应用的快速性要求.因此，本文设计的基于小波同态滤波和单尺度小波模极大值的集成电路内部缺陷检测方法效果更优.图3 图1中各滤波结果的边缘检测图Fig.3 Edge detection results of each image in Fig.1为更进一步验证本文方法的有效性，针对集成电路中的焊点及导线连接图像进行了实验验证，滤波结果见图4.显然地，图4(e)所示的小波同态滤波结果图像对比度更高，焊点气泡缺陷及导线连接更为清晰，若出现导线断裂则可直观地进行判断.而图4(c)和图4(d)所示的中值滤波和高斯低通滤波结果在去除噪声的同时导致右侧方框边框内的导线边缘过于平滑，难以判断导线连接是否存在焊接不牢、断裂等.同时，图4中左侧方框边框内的微小气泡缺陷在图4(b)～图4(d)中均被平滑掉了，无法直观观察到，从而导致误判.而图4(e)的小波同态滤波结果则通过提高图像对比度获得了完整的微小气泡.图4 焊点及导线连接X射线图像原图及滤波结果图Fig.4 X-ray image and its filter results of BGA solder joints and conductor jointing图5给出了图4中各滤波结果的边缘检测图.横向对比发现，相同的滤波条件下，单尺度小波模极大值方法优于Canny边缘检测方法，左侧Canny边缘检测算子抗噪能力较差，无法有效突出导线连接情况.图5(c)所示的结果可有效识别导线连接情况，但左侧方框内的微小气泡缺陷丢失.纵向对比图5右侧4幅图像发现，图5(d)和5(f)右侧方框部分因过于平滑导致导线边缘不完整，极易造成导线断裂的误判，同时左侧方框内的微小气泡丢失，造成漏判.图5(b)中导线相对完整，但微小气泡边缘不完整，图5(h)则提取出完整的气泡和导线边缘，为集成电路内部缺陷精确检测提供依据.图5 图4中各滤波结果的边缘检测图Fig.5 Edge detection results of each image in Fig.44 结论本文在分析集成电路X射线成像特点的基础上，结合小波变换的多分辨率特点，提出了一种基于小波变换的集成电路内部缺陷检测方法.该方法首先采用小波同态滤波对X射线图像进行滤波增强变换，获得对比度高、边缘清晰的滤波结果；其次采用小波模极大值边缘检测方法提取内部缺陷边缘信息供检测判断.实验结果表明，该方法检测气泡缺陷边缘清晰、数量完整、导线连接形式清晰直观，能够为工业检测提供更为可靠的判断依据.但该方法的阈值选择暂时以实验人员依据图像灰度值凭经验进行选择，后期将开展自适应阈值的设计工作研究.参考文献：【相关文献】[1]SHAO J, DU D, CHANG B, et al. 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School of Electronic Science and Engineering , National University of Defense Technology , Changsha , Hunan 410073 , China
Abstract Pulse position modulation ( PPM) is the most often used modulation technique in space laser communications. As avalanche photodiode detector ( APD) has high gain , high sensitivity and fast response , it is a likely candidate to detect laser signals for providing space laser communications needs. This paper discusses the characteristics and sorts of noises in the APD signal detecting subsystem , as the PPM channel is considered in the space laser communication system. Based on the ability of achieving topical characteristics of signals by the wavelet transform , a method of APD signal detecting based on the wavelet analysis is proposed. Four different threshold limit2selecting methods are applied to choose the wavelet coefficient for signal2recovering. A primary simulation experiment and some analyses are also done. The results show that the adaptive threshold values selecting algorithm is the best one. It can mitigate the effect of the intensive background noise to improve the performance of the APD signal detecting system. Key words signal detect ; space laser communication ; pulse position modulation channel ; avalanche photodiode detector ; detection noise ; wavelet transform
1 引 言
接收机信号检测技术是空间激光通信中的关键 技术之一 。研究表明 [1 ] , 为了在空间信道中实现有 效传输 ,系统需要采用高功率的激光发射机 。脉冲
收稿日期 :2002212211 ; 收到修改稿日期 :2003201227
位置调制 ( PPM) 有着非常好的平均功率效率 , 目前 的空间激光通信系统大多采用脉冲位置调制激光发 射机 。对应脉冲位置调制激光发射机 , 需要开发与 其相适应的高性能脉冲位置调制接收机 。 雪崩光电二极管 ( APD) 具有增益高 ( 固有增益
) ,女 ,浙江宁波人 ,浙江省医药高等专科学校讲师 ,在职硕士研究生 ,主要从事小波理论和应用 、 作者简介 : 华卫令 (1969 —
医学中的数学基础等方面的研究 。E2mail :herry-ma @hotmail. com © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
图 1 脉冲位置调制调制雪崩光电二极管探测系统模型
Fig. 1 APD detecting system model with PPM modulation
成两种基本形式 :1) 存在于任何一种天线视场中的 漫射天空背景辐射 ;2) 不连续光源即点源 ,如星体 、 行星 、 太阳和其他类似物 ,它们比较局部化但强度比 较高 ,既可以在视场内 ,又可以在视场外 。背景辐射 决定了信道的动态时变特性 , 表现为接收光功率的 随机起伏 ,一般采用高性能的滤光器加以抑制 。深 空中 ,背景辐射噪声的影响严重 ,一般采用原子滤光 器 。探测器噪声分为散弹噪声 、 电路噪声 ( 热噪声 ) 和光电倍增噪声 。散弹噪声计数过程由强度计数过 程支配 [3 ] ,接收机工作在散弹噪声极限条件下可以 有效地改善接收机输出的瞬时信噪比 SNR[3 ] , 此时 电路噪声可以忽略 。为了达到这一条件 , 接收机接 收的平均信号功率必须适当地超过电路噪声电平 。 而满足这一点非常困难 , 目前实现散弹噪声极限条 件的有效方案是采用高增益的光电倍增器件 。 文献 [ 1 ] 中给出了脉冲位置调制信道雪崩光电 二极管光电探测输出信号的模型 , 当光强为 λ( t ) 时 , Ts 时间内雪崩光电二极管吸收的平均光子数为 η Ts λ( t ) d t n - = ∫ ν0 h 其中 , h 为普朗克常数 ,ν为激光频率 ,η为探测器的 量子效率 , 即入射光子的吸收率 。 实际吸收的光子数 服从泊松分布 。 给定平均吸收光子数条件下雪崩光 电二极管产生的电子数 m 的条件概率分布来自 McIntyre2Conradi 分 布 [1 ] , 后 来 形 成 了 如 下 的 连 续 Webb 分布函数 [1 ] 近似
华卫令 , 马东堂 , 魏急波
1 2 2
(1 浙江省医药高等专科学校基础部 , 浙江 宁波 315100 ; 2 国防科技大学电子科学与工程学院 , 湖南 长沙 410073)
摘要 空间激光通信中的常用调制方式是脉冲位置调制 ( PPM) ,雪崩光电二极管 ( APD) 具有高增益 、 高灵敏度和响 应速度快的特点 ,因而成为空间激光通信中的首选信号探测器件 。针对空间激光通信的脉冲位置调制信道 , 分析 了空间光通信系统中雪崩光电二极管探测噪声的特点和类别 ,根据小波变换具有提取信号局部特征的能力 ,提出 了一种基于小波变换的雪崩光电二极管信号检测方法 。采用四种不同的阈值选择算法选取小波系数以恢复信号 , 并进行了初步的仿真实验和分析 。结果表明 ,自适应阈值选择算法取得的信号恢复结果最佳 , 可有效减弱强背景 噪声的影响 ,提高雪崩光电二极管信号检测系统的性能 。 关键词 信号检测 ; 空间激光通信 ; 脉冲位置调制信道 ; 雪崩光电二极管探测器 ; 探测噪声 ; 小波变换 中图分类号 TN 929. 1 文献标识码 A
第 31 卷 第4期 2004 年 4 月 文章编号 : 025827025 (2004) 0420465204
中 国 激 光 CHINESE JOURNAL OF LASERS
Vol. 31 , No. 4 April , 2004
基于小波变换的雪崩光电二极管 信号检测方法
极管输出端上的噪声服从独立的高斯分布[1 ] , 所以 每个脉冲位置调制时隙上探测器信号的统计概率密 度服从 Webb2Gaussian 分布
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- T
T
≤ Pt
( 1)
式中 , Pt 为发射机平均功率的极限值 。一种典型的 二进制脉冲位置调制调制雪崩光电二极管探测系统 模型如图 1 所示 。 雪崩光电二极管信号检测的噪声类型主要有背 景辐射噪声和探测器噪声两类 。 背景辐射源可以分
p( m | n - ) =
1
2 2πn - G F
・1+
m - Gn n - GF/ ( F - 1)
4 期 华卫令 等 : 基于小波变换的雪崩光电二极管信号检测方法
2 )| n p( x | n - ) = Σ < ( x ,μ m ,σ ) p ( m
m =0
467
∞
( 3)
j 是φ 2 ( x ) 的傅里叶变换 。令函数 χ( x ) 的傅里叶变
2 其中 , < ( x ,μ m ,σ ) 是均值为 μ m = mq + Is Ts , 方差为 2 2 σ = [ 2 qIs + ( 4 kT/ R ) B T s ] 的 高 斯 概 率 密 度 函
j j 换满足 Σ φ ^ ( 2 ω) χ ^ ( 2 ω) = 1 , 则 f ( x ) 就可以从它
j=- ∞
+∞
的二进小波变换中恢复
j f ( x ) = Σ W 2 jf ( x ) 3 χ 2 ( x)
数 。 q 为电子电量 , k 为玻耳兹曼常数 , T 为等效噪 声温度 , Is 为雪崩光电二极管表面漏电流 , B 为单 边噪声带宽 。雪崩光电二极管表面漏电流不被雪崩 光电二极管倍增 , 被看作直流常量 。相反暗电流 Ib 会被雪崩光电二极管放大 , 被视为背景辐射的一部 分 。正如文献 [ 1 ] 所述 , ( 3) 式的近似并没有取得预 想的精确近似结果 。 综合上述分析 , 脉冲位置调制信道中雪崩光电 二极管探测器的输出信号 ( 含噪声 ) 近似为 Webb2 Gaussian 分布 , 不具有周期性 。当雪崩光电二极管 平均增益 G 较大时 , 在信号平均功率点 ( 信号判决 点) 附近 , 噪声趋于加性高斯白噪声 , 具有平稳性 。 而且 ,无法精确描述雪崩光电二极管探测器输出信 号的波形和到达时间 。现在的关键问题是 : 如何设 计图 1 中的光电检测处理器 , 以从雪崩光电二极管 输出的低信噪比 、 非平稳信号中恢复出原始信号 ?