一種新型自適應光纖功率計的設計與實現

彭向偉 張 強

(重慶郵電大學工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

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

鑒于以上缺點，對光纖功率計性能的改進需要完成信號采集、數據轉換、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具有豐富的片內資源、較快的數據處理速度以及高度網絡化等優勢，采用ARM9作為主控制器在數據處理及存儲方面較傳統處理器有較大的提高。

1 系統硬件設計

光纖功率計的硬件電路設計主要包括光電轉換、信號放大、低通濾波、A/D轉換、數據處理及功率顯示等部分［3］。測試系統原理框圖如圖1所示。

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

1.1 光電轉換電路

光/電轉換器采用InGaAs-PIN光電探測器作為光探頭，其功能是把輸入光功率轉化成輸出電壓。在穩定光波長下，光/電傳感器具有較高的響應度和靈敏度，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的檢測和轉換［4］。由于輸入光信號與輸出電信號的函數關系可以是線性的或者是對數的，且線性光電轉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

光信號經過光電轉換和I/V變換之后轉換成了相應的電壓信號，轉換后的電壓信號經過由高精度、低噪聲的前置寬帶運放與量程轉換芯片組成的程控放大電路后輸出，具有線性對應關系的電壓信號［7］。前置放大電路采用超低失調、超低溫漂、高增益、高輸入阻抗、高精度的斬波穩零式運放Op-37C。量程轉換芯片選用CD4051B，通過控制器對CD4051B模擬信道開關A、B、C的自動量程選擇控制來實現程控信號放大［8－9］。

1.3 低通濾波設計

在實際應用中，一般的濾波電路往往不能夠同時在幅頻和相頻響應兩方面同時達到要求。根據實際的需要和多次的仿真測試，設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，且該濾波器通帶內頻率響應曲線最為平滑，阻帶以外逐漸下降為負無窮等，滿足自適應系統中的濾波要求［10］。

1.4 A/D 轉換電路

模數轉換芯片選用AD7352。該器件內置兩路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 數據處理、接口及顯示部分

利用S3C2440A微處理器對采集到的信號進行處理，并將處理后的數字信號進行浮點、對數等運算，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、USB接口、數據存儲模塊和測試系統的其他擴展模塊進行控制。數據處理模塊如圖3所示。

圖3 ARM數據處理模塊Fig.3 ARM data processing module

接口設計采用USB通信接口。傳統串口的傳輸速率僅為10～100 kbit/s，達不到系統所要求的數據傳輸速率，而且很多設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，自適應控制系統接口部分采用USB接口方式進行通信［11］。

數據顯示模塊采用上位機進行顯示并使用USB口與測試板進行通信控制信號采集與轉化、切換功率值的顯示方法等。隨著發射光強度的不斷變化，上位機可將所得到的功率計數值繪制成響應曲線，并對自適應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控系統的實際需求。

2 軟件系統設計

2.1 設計概要

本設計軟件可劃分為上位機應用程序及接口模塊、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上位機應用程序及接口模塊。該模塊使用VC6.0作為開發環境、C++語言進行界面的設計與編寫，其主要完成數據顯示、接口通信、命令交換等功能。

②下位機模塊。利用ADS軟件作為開發環境、C語言作為編程語言編寫驅動，使用H-JTAG硬件仿真器實現在線調試。下位機程序主要用于對模擬開關的選擇、A/D轉換的控制、數據處理及存儲、FIFO數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內部自帶的64 B的FIFO發送和接收緩沖區，對轉換后的數據進行入隊處理。這樣每進行一次測量，就可以得到一個新的算術平均值，從而可以降低轉換誤差和隨機誤差［12］。

滑動平均濾波的數學描述為:

式中:xn－m+1～xn共m個采樣值為當前采樣到的數據樣本;yn為第 n次采樣后滑動濾波算法的輸出結果［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行曲線擬合，通過擬合曲線可以分析自適應控制系統的線性度、測量精度等參數。

2.2 系統軟件測試流程

系統軟件測試流程如圖4所示。

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

測試系統上電后首先進行系統初始化工作。當上位機發來開始測試命令后，控制器開始對輸入的信號進行放大、濾波、轉換及顯示處理等工作。

3 精度校準及自適應控制分析

光纖功率計非線性度的校準方法主要有兩種:一種是采用標準光纖功率計比較法進行校準;另一種是采用疊加法進行校準［14］。采用疊加法進行校準時，硬件電路較復雜且測試時間較長，故測試方法采用標準光纖功率計比較法進行定標。

自適應控制將主要從硬件電路設計和軟件算法兩方面進行分析。

①精度校準電路設計。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準光功率計上，在標準點(如 －10 dBm，即0.1 mW)進行對比。其中，標準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信道選擇輸入信號量程，將光功率的輸入穩定在適當的范圍。

②自適應控制軟件設計。測試系統可在光波長為1550 nm波長段選取不同光強點作為測量對象。在－60～0 dBm范圍內對該系統設計的穩定性、測量精度、線性度等幾個方面進行比較分析，從而確定該系統方案的可行性。

自適應軟件測試流程如圖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自適應控制硬件設計。模數轉換芯片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成反饋比較電路，與輸入差分信號的一個引腳進行電壓比較，防止輸入信號發生跳變時引起較大的誤差。該電路設計可將輸入信號穩定在一個較小的范圍之內，提高了信號校正自適應能力。

4 試驗數據測試分析

4.1 線性度測試

使用1 kHz穩定調制光源、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行測試，輸入輸出響應線性度測試曲線如圖6所示。

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

設輸出光功率y與輸入光功率x的對應線性關系為y=ax+b+c，其中a、b分別為響應曲線斜率和截距，c為測量誤差。

根據最小二乘法原理:

對式(2)中a、b求偏導數均為0，可得以下方程式:

將輸入不同采樣點測試數據代入式(3)、式(4)，進行計算可得擬合曲線為:

通過擬合曲線可以看到，輸入標準光功率值與測試輸出光功率值具有很好的線性度關系。

4.2 精度測試

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

圖7 自適應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%。這表明該設計在測試精度設計方面也同樣適用。

5 結束語

本文提出了一種基于ARM［16］的具有自適應光能力的光纖功率計的設計原理與方法，通過軟硬件結合的方式對輸入信號進行處理，既提高了測量精度，又增強了信號輸入自適應能力。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能力提高設計方面具有一定的參考和使用價值。

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