一種新型自適應(yīng)光纖功率計的設(shè)計與實現(xiàn)

彭向偉 張 強

(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

光功率計作為光學(xué)基本的測量設(shè)備，通常被用來測試光通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測光功率分配及傳輸特性以及監(jiān)測通信故障的指示等參數(shù)［1］。光纖功率計是用來測量光纖功率值大小的儀表，它可以與穩(wěn)定的輸出光源配合使用測量光纖的傳輸損耗以及光學(xué)元件的傳輸及插入損耗等［2］。傳統(tǒng)的光纖功率計檢測設(shè)備因其價格偏高、測量線性低、接口類型少等缺點，不利于現(xiàn)代光纖檢測人員的高素質(zhì)培養(yǎng)及綜合通信系統(tǒng)的連接使用。

鑒于以上缺點，對光纖功率計性能的改進(jìn)需要完成信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲、通信及線性度測試分析等功能，因而要求處理器具有較高的速度。ARM9具有豐富的片內(nèi)資源、較快的數(shù)據(jù)處理速度以及高度網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)勢，采用ARM9作為主控制器在數(shù)據(jù)處理及存儲方面較傳統(tǒng)處理器有較大的提高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

光纖功率計的硬件電路設(shè)計主要包括光電轉(zhuǎn)換、信號放大、低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及功率顯示等部分［3］。測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 光纖功率計測試系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the test system in OFPM

1.1 光電轉(zhuǎn)換電路

光/電轉(zhuǎn)換器采用InGaAs-PIN光電探測器作為光探頭，其功能是把輸入光功率轉(zhuǎn)化成輸出電壓。在穩(wěn)定光波長下，光/電傳感器具有較高的響應(yīng)度和靈敏度，測量光波長范圍為1100～1700 nm，故能很好地滿足光纖信號(1310，1550)nm的檢測和轉(zhuǎn)換［4］。由于輸入光信號與輸出電信號的函數(shù)關(guān)系可以是線性的或者是對數(shù)的，且線性光電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和輸入光功率的平均值成正比，故可以在光電探測器電流輸出端外接采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的電壓信號［5－6］。

1.2 程控信號放大電路

光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和I/V變換之后轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的電壓信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)過由高精度、低噪聲的前置寬帶運放與量程轉(zhuǎn)換芯片組成的程控放大電路后輸出，具有線性對應(yīng)關(guān)系的電壓信號［7］。前置放大電路采用超低失調(diào)、超低溫漂、高增益、高輸入阻抗、高精度的斬波穩(wěn)零式運放Op-37C。量程轉(zhuǎn)換芯片選用CD4051B，通過控制器對CD4051B模擬信道開關(guān)A、B、C的自動量程選擇控制來實現(xiàn)程控信號放大［8－9］。

1.3 低通濾波設(shè)計

在實際應(yīng)用中，一般的濾波電路往往不能夠同時在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面同時達(dá)到要求。根據(jù)實際的需要和多次的仿真測試，設(shè)計了四階巴特沃斯低通濾波器。巴特沃斯低通濾波器具有每倍頻6 dB的衰減率，四階巴特沃斯低通濾波器則有每倍頻24 dB的衰減率，且該濾波器通帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線最為平滑，阻帶以外逐漸下降為負(fù)無窮等，滿足自適應(yīng)系統(tǒng)中的濾波要求［10］。

1.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用AD7352。該器件內(nèi)置兩路ADC，每個ADC之前均有一個低噪聲、寬帶寬的采樣保持電路，可處理高達(dá)110 MHz的輸入頻率。AD7352采樣電路如圖2所示。

圖2 AD7352前端采樣保持電路Fig.2 Sample and hold circuit of AD7352

從圖2可以看出，AD7352電路可將輸入的正弦波信號轉(zhuǎn)換為相位角相差180°的差分信號，并輸入A/D芯片處理。差分輸入信號的方式可以提高信號精度，減小共模誤差干擾。

1.5 數(shù)據(jù)處理、接口及顯示部分

利用S3C2440A微處理器對采集到的信號進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)字信號進(jìn)行浮點、對數(shù)等運算，再將得到的光信號的功率值送上位機界面顯示。主控制器同時對CD4051B模擬信道開關(guān)、USB接口、數(shù)據(jù)存儲模塊和測試系統(tǒng)的其他擴展模塊進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)處理模塊如圖3所示。

圖3 ARM數(shù)據(jù)處理模塊Fig.3 ARM data processing module

接口設(shè)計采用USB通信接口。傳統(tǒng)串口的傳輸速率僅為10～100 kbit/s，達(dá)不到系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且很多設(shè)備終端并沒有串行口，且USB接口支持即插即用、傳輸速率高、使用方便。因此，自適應(yīng)控制系統(tǒng)接口部分采用USB接口方式進(jìn)行通信［11］。

數(shù)據(jù)顯示模塊采用上位機進(jìn)行顯示并使用USB口與測試板進(jìn)行通信控制信號采集與轉(zhuǎn)化、切換功率值的顯示方法等。隨著發(fā)射光強度的不斷變化，上位機可將所得到的功率計數(shù)值繪制成響應(yīng)曲線，并對自適應(yīng)光纖功率計的精度和線性度做出分析。該方法對功率值的檢測更加直觀和簡潔，也能更好地滿足光纖通信監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計概要

本設(shè)計軟件可劃分為上位機應(yīng)用程序及接口模塊、下位機程序模塊、滑動濾波模塊和最小二乘法算法模塊四部分。

①上位機應(yīng)用程序及接口模塊。該模塊使用VC6.0作為開發(fā)環(huán)境、C++語言進(jìn)行界面的設(shè)計與編寫，其主要完成數(shù)據(jù)顯示、接口通信、命令交換等功能。

②下位機模塊。利用ADS軟件作為開發(fā)環(huán)境、C語言作為編程語言編寫驅(qū)動，使用H-JTAG硬件仿真器實現(xiàn)在線調(diào)試。下位機程序主要用于對模擬開關(guān)的選擇、A/D轉(zhuǎn)換的控制、數(shù)據(jù)處理及存儲、FIFO數(shù)字濾波的控制以及和上位機的通信等。

③軟件滑動平均濾波模塊。該模塊使用S3C2440A內(nèi)部自帶的64 B的FIFO發(fā)送和接收緩沖區(qū)，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行入隊處理。這樣每進(jìn)行一次測量，就可以得到一個新的算術(shù)平均值，從而可以降低轉(zhuǎn)換誤差和隨機誤差［12］。

滑動平均濾波的數(shù)學(xué)描述為:

式中:xn－m+1～xn共m個采樣值為當(dāng)前采樣到的數(shù)據(jù)樣本;yn為第 n次采樣后滑動濾波算法的輸出結(jié)果［13］。

④最小二乘法算法部分。利用最小二乘法擬合原理對輸入功率和輸出功率值進(jìn)行曲線擬合，通過擬合曲線可以分析自適應(yīng)控制系統(tǒng)的線性度、測量精度等參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)軟件測試流程

系統(tǒng)軟件測試流程如圖4所示。

圖4 軟件測試流程圖Fig.4 The flowchart of software test

測試系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作。當(dāng)上位機發(fā)來開始測試命令后，控制器開始對輸入的信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換及顯示處理等工作。

3 精度校準(zhǔn)及自適應(yīng)控制分析

光纖功率計非線性度的校準(zhǔn)方法主要有兩種:一種是采用標(biāo)準(zhǔn)光纖功率計比較法進(jìn)行校準(zhǔn);另一種是采用疊加法進(jìn)行校準(zhǔn)［14］。采用疊加法進(jìn)行校準(zhǔn)時，硬件電路較復(fù)雜且測試時間較長，故測試方法采用標(biāo)準(zhǔn)光纖功率計比較法進(jìn)行定標(biāo)。

自適應(yīng)控制將主要從硬件電路設(shè)計和軟件算法兩方面進(jìn)行分析。

①精度校準(zhǔn)電路設(shè)計。通過分光計將光信號按照1∶1的分路方式分配到測試光功率計和標(biāo)準(zhǔn)光功率計上，在標(biāo)準(zhǔn)點(如 －10 dBm，即0.1 mW)進(jìn)行對比。其中，標(biāo)準(zhǔn)的高精度線性光纖功率計在1550 nm波長時，功率為1 W ～10 MW，不確定性(K=1)小于0.002 dB［15］。差值量通過反饋校正之后可通過程序控制模擬開關(guān)信道選擇輸入信號量程，將光功率的輸入穩(wěn)定在適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

②自適應(yīng)控制軟件設(shè)計。測試系統(tǒng)可在光波長為1550 nm波長段選取不同光強點作為測量對象。在－60～0 dBm范圍內(nèi)對該系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性、測量精度、線性度等幾個方面進(jìn)行比較分析，從而確定該系統(tǒng)方案的可行性。

自適應(yīng)軟件測試流程如圖5所示。

圖5 最小二乘法擬合測試流程圖Fig.5 Fitting test flowchart of the least squares method

③自適應(yīng)控制硬件設(shè)計。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7352前端采樣電路2.048 V參考電平端連接一個電壓跟隨器構(gòu)成反饋比較電路，與輸入差分信號的一個引腳進(jìn)行電壓比較，防止輸入信號發(fā)生跳變時引起較大的誤差。該電路設(shè)計可將輸入信號穩(wěn)定在一個較小的范圍之內(nèi)，提高了信號校正自適應(yīng)能力。

4 試驗數(shù)據(jù)測試分析

4.1 線性度測試

使用1 kHz穩(wěn)定調(diào)制光源、62.5/125 μm多模光纖及GT322D型InGaAs-PIN光電探測器，在1550 nm光波長下選取典型測試點進(jìn)行測試，輸入輸出響應(yīng)線性度測試曲線如圖6所示。

圖6 輸入輸出響應(yīng)線性度測試曲線圖Fig.6 The test curve of input and output response linearity

設(shè)輸出光功率y與輸入光功率x的對應(yīng)線性關(guān)系為y=ax+b+c，其中a、b分別為響應(yīng)曲線斜率和截距，c為測量誤差。

根據(jù)最小二乘法原理:

對式(2)中a、b求偏導(dǎo)數(shù)均為0，可得以下方程式:

將輸入不同采樣點測試數(shù)據(jù)代入式(3)、式(4)，進(jìn)行計算可得擬合曲線為:

通過擬合曲線可以看到，輸入標(biāo)準(zhǔn)光功率值與測試輸出光功率值具有很好的線性度關(guān)系。

4.2 精度測試

在－60～－5 dBm的范圍內(nèi)，對標(biāo)準(zhǔn)輸入光纖功率值和測試光纖功率值進(jìn)行對比，利用誤差計算公式Δ =(X標(biāo)準(zhǔn)－X測量)/X測量計算測量誤差，如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)光纖功率計精度誤差測試圖Fig.7 The test chart for accuracy and error of the adaptive optical fiber power meter

從圖7可以看出，除－10 dBm的測試點之外，其他測試點誤差都小于1%。這表明該設(shè)計在測試精度設(shè)計方面也同樣適用。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于ARM［16］的具有自適應(yīng)光能力的光纖功率計的設(shè)計原理與方法，通過軟硬件結(jié)合的方式對輸入信號進(jìn)行處理，既提高了測量精度，又增強了信號輸入自適應(yīng)能力。測試表明，該方法具有較好的輸入輸出線性度和較低的測量誤差。這說明該方法在光纖功率計測量精度和自適應(yīng)能力提高設(shè)計方面具有一定的參考和使用價值。

［1］Amemiya K，Mukai S，F(xiàn)ukuda D.Wave length dependence of nonlinearity of optical fiber power meters［C］//2011 The Institution of Engineering and Technology，IET Optoelectronics Press，2011:62 －67.

［2］Du Tingting，Wan Xiong，Zhang Zhimin，et al.Analysis of the interference signal of the distributed optical fiber sensing based on DSP［C］//The InternationalSymposium on Photonicsand Optoelectronics，Optics and Photonics，2013:122 －125.

［3］祖曉明，王紅茹，趙長有.精密光纖功率計的設(shè)計［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，35(3):15 －17.

［4］Su C，Chen L K，Cheung K W.Theory of burst-mode receiver and its applications in optical multiaccess networks［J］.Light Technology，1997，15(4):590 －606.

［5］Brian A，Yi X.Resonant thermal detector for use as an optical power meter［J］.Fiber-optics＆Photonics，2011(2):255 － 258.

［6］Xu W H，Lin J C，Rong W B.A method of fiber optic power measurement based on thermoelectric cooling module［C］//3rd International Symposium on Instrumentation Science and Technology，2004:884 －887.

［7］何成強，陳舜兒，彭煜，等.EPON光功率計系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.光通信技術(shù)，2012，4(9):30 －31.

［8］李長俊，江明珠，徐慶富.微功耗光功率計的研制與線性處理［J］.光通信技術(shù)，2009，33(9):45 －48.

［9］徐波.一種通用光功率計的實現(xiàn)原理［J］.電子質(zhì)量，2006(5):3－8.

［10］趙曉群，張潔.巴特沃斯低通濾波器的實現(xiàn)方法研究［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報，2013(1):72－75.

［11］鐘昌錦，白利文，余志強，等.基于ATmega128的高速高精度光功率計的設(shè)計［J］.廣西通信技術(shù)，2012(1):30 －32.

［12］顧興志.穩(wěn)定光源與光纖功率計的研制［D］.重慶:重慶大學(xué)，2004.

［13］周航慈.嵌入式系統(tǒng)軟件中的常用算法［M］.2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010:81.

［14］李艷輝，陳亞娟.光纖功率計非線性度校準(zhǔn)方法及不確定度評定［J］.計測技術(shù)，2005，25(2):39 －41.

［15］Mukai S，Amemyia K，Endo M.High-precision linearity standard for high-power optical-fiber power meters［C］//Japan:IEEE，2008:288－289.

［16］王應(yīng)莉.基于DSP+ARM架構(gòu)的視頻處理系統(tǒng)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2007.