基于STM32的偏振相关损耗测量系统设计

徐宏宇，刘 潇

(沈阳航空航天大学 研究生院，辽宁 沈阳 110136)

基于STM32的偏振相关损耗测量系统设计

徐宏宇，刘 潇

(沈阳航空航天大学 研究生院，辽宁 沈阳 110136)

设计了一种基于ST公司Cortex-M4内核的ARM系列产品STM32F407ZG偏振相关损耗测量系统，包括系统设计理论、软硬件设计结构及实现方法。光通过偏振控制器调整偏振态，通过待测物后送往后续的光电转换模块，经放大过滤到达A/D采集模块，最后送往主控单元M4进行处理完成测量。

偏振相关损耗；STM32F407ZG；偏振控制器；测量系统

0 引言

偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss, PDL)是针对光存在偏振的情况下，通过光无源器件后，引起光功率值的变化。由于信号在传输过程中偏振不仅仅存在于光纤网络内，还会沿着光纤链路不断地增长，给传输质量带来严重影响，而且当某个光无源器件的PDL在系统内功率波动较大时，会使系统的比特错误率增大，因此对偏振相关损耗的测量变得非常必要。

1 偏振相关损耗理论分析

偏振相关损耗的基本定义式如下：

PDL=10log(Pmax/Pmin)

(1)

单位为dB，其中Pmax是光通过全部偏振态后的功率最大值，Pmin是光通过全部偏振态后的功率最小值。

光是一种横波，从光的波动来分析偏振相关损耗。当光以入射角θ1从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质中，折射角为θ2。又因为光是电磁波，则假定s是振动方向平行于入射面的电矢量，p是振动方向垂直于入射面的电矢量，设ts是s方向光能量的复振幅透射系数，tp是p方向的复振幅透射系数。由波动光学理论可得如下公式：

(2)

(3)

由上式可知ts与tp不相等，则会产生偏振相关损耗。由PDL基本定义可得单一界面产生的偏振相关损耗为：

PDL=-20log[cos(θ1-θ2)]

(4)

由折射定律n1sin(θ1)=n2sin(θ2)可得到θ1的表达式，则可推出：

PDL=-20log{cos[θ1-arcsin(n1sinθ1/n2)]}

(5)

由式(5)可知PDL主要与光入射角和光学界面两边媒质折射率相关，为进一步分析其与入射角的关系，对式(5)求θ1偏导得：

(6)

从以上分析可得偏振相关损耗PDL会随着入射角的增大而增大，与其成正比。同时由式(5)知PDL还与两媒质折射率差值Δn有关，差值越大，偏振相关损耗越大。由式(5)可知，在知道光无源器件的折射率、入射端面角度等参数下，可以在理论上估计其偏振相关损耗的理论极限值。

2 偏振相关损耗测量方案

IEC：2009(E)61300-3-2规定了两种测试偏振相关损耗的方法，分别为全状态扫描法和mueller矩阵法[1-2]。

2.1 全状态扫描法

全状态扫描法又分为步进扫描法和时间扫描法。步进扫描法是控制偏振控制器沿着设定的轨迹在邦加球上扫描，扫描方式有经线步进纬线扫描或纬线步进经线扫描两种。完成扫描后找到光功率最大值和最小值，即可得到PDL。但对于测量精确度要求较高的场合下，其测试的步距变小，测试点数大大增加，也增加了测试时间。时间扫描法与步进扫描法基本类似，主要区别是给偏振控制器发送一条扫描时间长度的控制指令，让偏振控制器在规定时间内产生各种偏振态的光，但不知道偏振态数量和偏振方向。其重复性不如步进扫描法，且与时间连接比较紧密，扫描时间越长精度越高，重复性越好。

2.2 mueller矩阵法

mueller矩阵法是利用了其与邦加球有很好的对应关系，利用此方法只需要用到光的4个偏振态结合mueller矩阵以及数学中求极值公式即可得到被测件的偏振相关损耗。其公式为：

(7)

其中m11、m21、m31、m41为mueller矩阵第一列的元素，只需求得mueller矩阵的第一列元素即可求得PDL。这种方法能够实现快速测量，但容易受到光源稳定性和偏振态的影响。

本文根据以上测试方法的优缺点，对偏振控制器的控制进行改变，改变其扫描步长及扫描时间，使输出的偏振光尽可能地落在椭圆偏振态，对于特定波长的PDL，既缩短了测试时间，又使得测试方案简单易操作，而且对偏振态稳定性的依赖降低，同时降低了对偏振控制器控制的复杂度，测量误差比较小。

3 系统设计理论

偏振相关损耗(PDL)测试系统[3]主要由光源、偏振控制器、光功率计模块[4-5]、A/D转换模块及MCU等组成。图1为系统框架图。

图1 系统框架图

光功率计模块包括光电探测器、放大器和A/D转换模块。通过改变偏振控制器[6-7]对光纤的压力调整偏振态，得到不同状态的偏振光，通过待测物经光电转换、仪表放大过滤，送往A/D转换模块，最后经过DMA送往MCU处理显示。

4 硬件电路设计

4.1 偏振控制电路设计

对偏振控制器的精确控制是整个系统的关键部分，设计采用STM32控制步进电机及外围驱动电路控制偏振控制器，步进电机能够对速度和位置精确控制，且没有累计误差,因此能够准确地得到所需的偏振态。其电路连接如图2所示。

图2 电机与驱动器连接电路原理图

4.2 前置放大电路设计

偏振光经过光电探测器转换后的光电流比较微弱，需要进行放大后才能够送给A/D转换模块进行处理。在这里使用噪声比较低、价格相对便宜的CAN型OP放大器LF356H作为前置放大电路器件，其特性如下：

(1)电流—电压变换增益为1 V/μA;

(2)振幅—频率特性：在100 kHz时，-3 dB以内最大输出电压±10 V，其电路如图3所示。

图3 前置放大电路原理图

经过前置放大电路[8-9]以后由于输出电压比较小，信号比较微弱，还需经过第二级放大电路放大。本设计采用可编程增益仪表放大器[10-11]AD8253进行第二级放大，其具有GΩ级输入阻抗、低输出噪声、低失真特性，能很好地驱动高采样速率的模数转换器(ADC)，使其成为ADC驱动器的绝佳选择，并且其可实现1、10、100、1 000放大量程的切换，可根据输入信号大小来切换量程。

4.3 主控电路和A/D电路

综合考虑成本，主控芯片性能以及系统低功耗、可靠性、准确性等，主控电路采用ST公司的STM32F407最小系统，为使电路最大程度地集成化，减少外围电路，则A/D转换电路采用STM32F407自带的A/D转换芯片。

主控芯片电路图如图4所示。

图4 主控芯片电路原理图

图4是本次设计系统的主控芯片，工作电压为5 V，其外围连接了一些LED,用于指示程序正在运行。

STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有19个通道，这些通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，其最大转换速率可达2.4 MHz。该性能能够很好地满足设计要求，而且为电路设计和后续的软件编程带来方便。

5 系统软件设计

图5 软件系统流程图

信号经过硬件电路采集以后，需要软件部分进行处理显示，软件部分程序流程图如图5所示。在A/D采集前系统应判断输入信号是否在A/D可采集的范围内，若不是，系统需调整AD8253的放大倍数来使信号符合A/D采集信号大小，此部分由系统自动识别判断。然后根据前面所给出的公式计算出光功率，并根据PDL公式计算出偏振相关损耗。

采用1 310 nm的DFB稳定光源进行测试，得到不同测试次数下PDL的数据如表1所示。

由表1可知此测量系统能很好地完成PDL的测试，且误差比较小，满足测量精度。

表1 PDL测试结果

6 结论

基于STM32F4的偏振相关损耗测量系统，依靠偏振控制器改变光的输出偏振态，能够很好地测量出光通过无源器件后偏振相关损耗。而且STM32F4在速度、功耗、成本等方面表现出其自身的优势，自带ADC使设计简单化，而且能够扩展丰富外设。

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The design of polarization dependent loss measurement system based on STM32

Xu Hongyu，Liu Xiao

(Graduate School, Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136, China )

The polarization dependent loss measurement system is designed based on Cortex-M4 ARM core STM32F407ZG of the company of ST, including system design theory, hardware and software design and implementation method. The polarization state of the light is adjusted by polarization controller, and then sends to the subsequent photoelectric conversion module through the object under test,then reaches A/D acquisition module after amplification filter, finally sends to the main control unit of the M4 for processing to complete measurements.

polarization dependent loss; STM32F407ZG; polarization controller; measurement system

TP913.7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.010

徐宏宇，刘潇. 基于STM32的偏振相关损耗测量系统设计[J].微型机与应用，2017,36(1)：32-34.

2016-07-05)

徐宏宇(1965-)，男，本科，副教授，主要研究方向：电子技术与应用。

刘潇(1989-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：信号获取与处理。E-mail:924587811@qq.com。