一种新型自适应光纤功率计的设计与实现

彭向伟 张 强

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

0 引言

光功率计作为光学基本的测量设备，通常被用来测试光通信网络、监测光功率分配及传输特性以及监测通信故障的指示等参数［1］。光纤功率计是用来测量光纤功率值大小的仪表，它可以与稳定的输出光源配合使用测量光纤的传输损耗以及光学元件的传输及插入损耗等［2］。传统的光纤功率计检测设备因其价格偏高、测量线性低、接口类型少等缺点，不利于现代光纤检测人员的高素质培养及综合通信系统的连接使用。

鉴于以上缺点，对光纤功率计性能的改进需要完成信号采集、数据转换、存储、通信及线性度测试分析等功能，因而要求处理器具有较高的速度。ARM9具有丰富的片内资源、较快的数据处理速度以及高度网络化等优势，采用ARM9作为主控制器在数据处理及存储方面较传统处理器有较大的提高。

1 系统硬件设计

光纤功率计的硬件电路设计主要包括光电转换、信号放大、低通滤波、A/D转换、数据处理及功率显示等部分［3］。测试系统原理框图如图1所示。

图1 光纤功率计测试系统原理框图Fig.1 Block diagram of the test system in OFPM

1.1 光电转换电路

光/电转换器采用InGaAs-PIN光电探测器作为光探头，其功能是把输入光功率转化成输出电压。在稳定光波长下，光/电传感器具有较高的响应度和灵敏度，测量光波长范围为1100～1700 nm，故能很好地满足光纤信号(1310，1550)nm的检测和转换［4］。由于输入光信号与输出电信号的函数关系可以是线性的或者是对数的，且线性光电转换器的输出电压和输入光功率的平均值成正比，故可以在光电探测器电流输出端外接采样电阻，将电流信号转换为具有一定频率的电压信号［5－6］。

1.2 程控信号放大电路

光信号经过光电转换和I/V变换之后转换成了相应的电压信号，转换后的电压信号经过由高精度、低噪声的前置宽带运放与量程转换芯片组成的程控放大电路后输出，具有线性对应关系的电压信号［7］。前置放大电路采用超低失调、超低温漂、高增益、高输入阻抗、高精度的斩波稳零式运放Op-37C。量程转换芯片选用CD4051B，通过控制器对CD4051B模拟信道开关A、B、C的自动量程选择控制来实现程控信号放大［8－9］。

1.3 低通滤波设计

在实际应用中，一般的滤波电路往往不能够同时在幅频和相频响应两方面同时达到要求。根据实际的需要和多次的仿真测试，设计了四阶巴特沃斯低通滤波器。巴特沃斯低通滤波器具有每倍频6 dB的衰减率，四阶巴特沃斯低通滤波器则有每倍频24 dB的衰减率，且该滤波器通带内频率响应曲线最为平滑，阻带以外逐渐下降为负无穷等，满足自适应系统中的滤波要求［10］。

1.4 A/D 转换电路

模数转换芯片选用AD7352。该器件内置两路ADC，每个ADC之前均有一个低噪声、宽带宽的采样保持电路，可处理高达110 MHz的输入频率。AD7352采样电路如图2所示。

图2 AD7352前端采样保持电路Fig.2 Sample and hold circuit of AD7352

从图2可以看出，AD7352电路可将输入的正弦波信号转换为相位角相差180°的差分信号，并输入A/D芯片处理。差分输入信号的方式可以提高信号精度，减小共模误差干扰。

1.5 数据处理、接口及显示部分

利用S3C2440A微处理器对采集到的信号进行处理，并将处理后的数字信号进行浮点、对数等运算，再将得到的光信号的功率值送上位机界面显示。主控制器同时对CD4051B模拟信道开关、USB接口、数据存储模块和测试系统的其他扩展模块进行控制。数据处理模块如图3所示。

图3 ARM数据处理模块Fig.3 ARM data processing module

接口设计采用USB通信接口。传统串口的传输速率仅为10～100 kbit/s，达不到系统所要求的数据传输速率，而且很多设备终端并没有串行口，且USB接口支持即插即用、传输速率高、使用方便。因此，自适应控制系统接口部分采用USB接口方式进行通信［11］。

数据显示模块采用上位机进行显示并使用USB口与测试板进行通信控制信号采集与转化、切换功率值的显示方法等。随着发射光强度的不断变化，上位机可将所得到的功率计数值绘制成响应曲线，并对自适应光纤功率计的精度和线性度做出分析。该方法对功率值的检测更加直观和简洁，也能更好地满足光纤通信监控系统的实际需求。

2 软件系统设计

2.1 设计概要

本设计软件可划分为上位机应用程序及接口模块、下位机程序模块、滑动滤波模块和最小二乘法算法模块四部分。

①上位机应用程序及接口模块。该模块使用VC6.0作为开发环境、C++语言进行界面的设计与编写，其主要完成数据显示、接口通信、命令交换等功能。

②下位机模块。利用ADS软件作为开发环境、C语言作为编程语言编写驱动，使用H-JTAG硬件仿真器实现在线调试。下位机程序主要用于对模拟开关的选择、A/D转换的控制、数据处理及存储、FIFO数字滤波的控制以及和上位机的通信等。

③软件滑动平均滤波模块。该模块使用S3C2440A内部自带的64 B的FIFO发送和接收缓冲区，对转换后的数据进行入队处理。这样每进行一次测量，就可以得到一个新的算术平均值，从而可以降低转换误差和随机误差［12］。

滑动平均滤波的数学描述为:

式中:xn－m+1～xn共m个采样值为当前采样到的数据样本;yn为第 n次采样后滑动滤波算法的输出结果［13］。

④最小二乘法算法部分。利用最小二乘法拟合原理对输入功率和输出功率值进行曲线拟合，通过拟合曲线可以分析自适应控制系统的线性度、测量精度等参数。

2.2 系统软件测试流程

系统软件测试流程如图4所示。

图4 软件测试流程图Fig.4 The flowchart of software test

测试系统上电后首先进行系统初始化工作。当上位机发来开始测试命令后，控制器开始对输入的信号进行放大、滤波、转换及显示处理等工作。

3 精度校准及自适应控制分析

光纤功率计非线性度的校准方法主要有两种:一种是采用标准光纤功率计比较法进行校准;另一种是采用叠加法进行校准［14］。采用叠加法进行校准时，硬件电路较复杂且测试时间较长，故测试方法采用标准光纤功率计比较法进行定标。

自适应控制将主要从硬件电路设计和软件算法两方面进行分析。

①精度校准电路设计。通过分光计将光信号按照1∶1的分路方式分配到测试光功率计和标准光功率计上，在标准点(如 －10 dBm，即0.1 mW)进行对比。其中，标准的高精度线性光纤功率计在1550 nm波长时，功率为1 W ～10 MW，不确定性(K=1)小于0.002 dB［15］。差值量通过反馈校正之后可通过程序控制模拟开关信道选择输入信号量程，将光功率的输入稳定在适当的范围。

②自适应控制软件设计。测试系统可在光波长为1550 nm波长段选取不同光强点作为测量对象。在－60～0 dBm范围内对该系统设计的稳定性、测量精度、线性度等几个方面进行比较分析，从而确定该系统方案的可行性。

自适应软件测试流程如图5所示。

图5 最小二乘法拟合测试流程图Fig.5 Fitting test flowchart of the least squares method

③自适应控制硬件设计。模数转换芯片AD7352前端采样电路2.048 V参考电平端连接一个电压跟随器构成反馈比较电路，与输入差分信号的一个引脚进行电压比较，防止输入信号发生跳变时引起较大的误差。该电路设计可将输入信号稳定在一个较小的范围之内，提高了信号校正自适应能力。

4 试验数据测试分析

4.1 线性度测试

使用1 kHz稳定调制光源、62.5/125 μm多模光纤及GT322D型InGaAs-PIN光电探测器，在1550 nm光波长下选取典型测试点进行测试，输入输出响应线性度测试曲线如图6所示。

图6 输入输出响应线性度测试曲线图Fig.6 The test curve of input and output response linearity

设输出光功率y与输入光功率x的对应线性关系为y=ax+b+c，其中a、b分别为响应曲线斜率和截距，c为测量误差。

根据最小二乘法原理:

对式(2)中a、b求偏导数均为0，可得以下方程式:

将输入不同采样点测试数据代入式(3)、式(4)，进行计算可得拟合曲线为:

通过拟合曲线可以看到，输入标准光功率值与测试输出光功率值具有很好的线性度关系。

4.2 精度测试

在－60～－5 dBm的范围内，对标准输入光纤功率值和测试光纤功率值进行对比，利用误差计算公式Δ =(X标准－X测量)/X测量计算测量误差，如图7所示。

图7 自适应光纤功率计精度误差测试图Fig.7 The test chart for accuracy and error of the adaptive optical fiber power meter

从图7可以看出，除－10 dBm的测试点之外，其他测试点误差都小于1%。这表明该设计在测试精度设计方面也同样适用。

5 结束语

本文提出了一种基于ARM［16］的具有自适应光能力的光纤功率计的设计原理与方法，通过软硬件结合的方式对输入信号进行处理，既提高了测量精度，又增强了信号输入自适应能力。测试表明，该方法具有较好的输入输出线性度和较低的测量误差。这说明该方法在光纤功率计测量精度和自适应能力提高设计方面具有一定的参考和使用价值。

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