［嚴建平］

1 引言

隨著光通信技術高速發(fā)展，光通信領域也發(fā)生相應改變，并在光通信數(shù)據(jù)領域開始形成各種類型測試系統(tǒng)。多通道光測試系統(tǒng)是針對光通信設備、光器件生產(chǎn)和工程應用的需要而開發(fā)的一種多通道光信號測試系統(tǒng)。它是集成了偏振控制器、光功率采集儀、回波損耗測試儀、多通道光源為一體的綜合性測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用精確的數(shù)據(jù)采集技術和軟件校準技術，結合友好的控制界面軟件，可方便快捷的測試器件的光偏振相關損耗（PDL）、光插入損耗（IL）、光回波損耗（RL），并輸出1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm五個波長的光源。系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)具有高精確性特點，非常適應于光信號測試和光通信技術領域的使用和推廣。

2 硬件設計與實現(xiàn)

多通道光測試系統(tǒng)通過STM32F103微處理器管理與控制著偏振控制模塊、光功率采集模塊、光回波損耗測試模塊、多通道光源模塊、以太網(wǎng)接口及界面軟件，每個模塊都具有相應的功能，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 STM32F103微處理器

STM32F103系列微處理器是第一款基于ARMv7-M結構體系的32位標準精簡指令集（RISC）處理器。具有極高的代碼效率，在常用8位和16位系統(tǒng)的存儲空間上極大發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能特點。該系列微處理器內(nèi)置高達128 K字節(jié)的Flash存儲器和20 K字節(jié)的SRAM，工作頻率為72 MHz，具有豐富的通用I／O端口。作為最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現(xiàn)微控制單元（MCU）的需要縮減引腳的數(shù)目降低了功耗，提供了低成本的平臺、卓越的計算性能及先進的中斷響應系統(tǒng)。STM32F103微處理器外圍電路原理圖如圖2所示。

圖2 STM32F103微處理器外圍電路原理圖

STM32F103微處理器主要特點如下：

（1）2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間（多達16個輸入通道），轉(zhuǎn)換范圍為O～3.6 V，具有雙采樣和保持功能，內(nèi)部嵌入有溫度傳感器。

（2）多達51個快速I／O端口，所有I／O口均可以映像到16個外部中斷，幾乎所有端口都允許5 V信號輸入。

（3）串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口。

（4）具有2個DMA控制器，共12個DMA通道，其中DMA1有7個通道，DMA2有5個通道，它支持的外設包括定時器、SPI、ADC、USART和L2C。

（5）具有多方式通信接口：USB、12C、SPI、CAN、USART異步串行接口。

（6）具有7個定時器。

STM32F103微處理器是意法半導體公司生產(chǎn)的單片機，該單片機性能穩(wěn)定、可靠性高，在工業(yè)控制領域擁有出色的表現(xiàn)。STM32F103微處理器初始化代碼如下：

2.2 偏振控制技術方案

描述偏振態(tài)的主要方法有兩種：瓊斯復矢量法、斯托克斯矢量法。正如一個矢量矢徑描述以及幾何描述一樣，瓊斯復矢量法相當于利用復矢量對偏振進行矩陣描述，而斯托克斯矢量法則是利用邦加球?qū)ζ襁M行幾何描述。

R．C．Jones在1941年提出的一種偏振態(tài)表示方法稱為瓊斯矩陣法。假定非圓非正規(guī)光波導只有橫向分量，所以它們可用只有兩個分量的矩陣表述，稱之為瓊斯矢量，即：

由于Jones矢量不能描述非偏振光和部分偏振光，因此Stokes在1852年引入一組參量來描述偏振光，以它們作為元素的四維矢量稱之為斯托克斯（Stokes）矢量。定義Stocks矢量S如圖3所示。

圖3 邦加球上偏振態(tài)的Stokes矢量表圖

偏振控制器應用萊特索斯公司生產(chǎn)的光纖擠壓型偏振控制器，主要由4個光纖擠壓器組成偏振態(tài)調(diào)整器件。啟動后，光纖擠壓器快速變化，擠壓光纖，當光纖在某一方向受壓時，被擠壓段產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，通過彈光效應來產(chǎn)生相位延遲。各通道的控制電壓與相位變化均呈線性關系，對四個光纖擠壓器輸入-9～+9 V之間的三角波或正弦波信號，偏振控制器可以將任意輸入偏振態(tài)改變?yōu)樗璧妮敵銎駪B(tài)。啟動偏振控制器后，在起偏時間內(nèi)記錄好通道路的最小光功率值與最大光功率值，兩者相對比，對數(shù)值為偏振相關損耗PDL。

2.3 光功率采集技術方案

光功率采集部分最大能由64通道光功率集成采集板組成，可對64個被測光通道進行監(jiān)測。工作原理如下：輸入光進入光探測器PD后轉(zhuǎn)換為電流，由程控運放將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換與放大。I/V轉(zhuǎn)換電路圖如圖4所示。

圖4 I／V轉(zhuǎn)換電路圖

電壓信號放大后，由程控濾波器濾去干擾信號，再送至A／D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字信號，最終由STM32F103微處理器進行數(shù)據(jù)處理。STM32F103微處理器可根據(jù)光功率的大小自動設置量程和濾波器狀態(tài)，完成光功率的采集。

2.4 光回波損耗測試方案

回波損耗是指光束在光纖內(nèi)傳輸時大多數(shù)的光束從光纖的輸出端輸出，而有一小部分的光束沿輸人端反射回去?；夭〒p耗就是衡量這些反射光功率大小的參量。

RL=-10lg（P'/P1）

其中，P1是光纖輸入端功率，P’為沿一端返回的光功率，輸出的回光功率(Return Beam Power)越大，回波損耗越小。對于光纖而言回波損耗越大,光學性能越優(yōu)良。

系統(tǒng)采用纏繞方式進行回波損耗測試。對校準件的回波損耗測試如下：將標準光跳線的一端插入設備的測試接口，另一端在纏繞棒纏繞5圈以上，此時可得到反射光功率P’，將該值作為基準值，該操作也是對設備自校準，目的是消除分光比誤差、自身插入損耗和系統(tǒng)其它非理想狀態(tài)對測量結果造成的影響。在標準線上接人被測光器件可測試出該器件的反射光功率，有了這兩個值便可得出器件的回波損耗。

2.5 多通道光源輸出技術方案

系統(tǒng)配置了1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm等五個常用波長光源（波長可以任意配選）。激光器為半導體DFB封裝，DFB封裝激光器具有調(diào)制速率高、發(fā)散角較小、光譜窄，特別適用于長距離通信等優(yōu)點。電路應用多個LM358雙運算放大器芯片及三極管組成五路并列穩(wěn)定電壓及電流回路，單路驅(qū)動電路設計如圖5所示。

圖5 單路驅(qū)動電路設計圖

LM358為塑封8引線雙列貼片式，具有特性如下：內(nèi)部頻率補償，差模輸入電壓范圍寬,輸出電壓擺幅大（0至Vcc～1.5 V），等于電源電壓范圍，共模輸入電壓范圍寬、包括接地，直流電壓增益高（約100 dB）,單位增益頻帶寬（約1 MHz），電源電壓范圍寬、單電源（3～30 V）、雙電源（±1.5～±15 V），低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，低功耗電流，低輸入偏流。單路驅(qū)動電路設計圖中L1-和D1-分別接上DFB激光器的LD和PD引腳。驅(qū)動電路設計保證了5通道光源具有高穩(wěn)定性輸出。

圖6 HR601680的電路圖

2.6 以太網(wǎng)接口方案

STM32F103微處理器、以太網(wǎng)芯片KSZ8721BLI、網(wǎng)絡變壓器HR601680的電路連接圖如圖6所示。STM32F103微處理器與網(wǎng)絡水晶接頭連接的時候，需把HR601680中心抽頭接到了3.3 V電源上。

在發(fā)送信號時，HR601680將STM32F103發(fā)送的數(shù)據(jù)通過耦合濾波，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與所在網(wǎng)絡相符的電平，最后通過網(wǎng)口水晶接頭的TX發(fā)送出去；接收信號時，網(wǎng)絡信號通過HR601680差模耦合電路和電磁感應原理把來自信號電平轉(zhuǎn)換成能被芯片所識別的電平。圖中的TXP2、TXM2、RXP2、RXM2分 別接 到 STM32F103微處理器的以太網(wǎng)模塊對應管腳，RX+、RX-、TX+、TX-分別接到RJ45對應管腳。

3 系統(tǒng)控制界面軟件實現(xiàn)

按照多通道光測試系統(tǒng)測試辦法接上設備，連接上電腦后通過系統(tǒng)軟件對里面相關的參數(shù)進行配置及操作，界面軟件啟動后運行如圖7所示。

圖7 界面軟件圖

界面軟件由VC編寫，界面友好，操作易懂，能同時進行多通道光功率、回波損耗、偏振采集測試。界面軟件測試結束后，將自動儲存測試設備的型號及編號、測試時間、測試數(shù)據(jù)等信息。測試過程中隨時通過點擊數(shù)據(jù)管理按鍵進行數(shù)據(jù)查看及打印輸出，數(shù)據(jù)管理圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)管理圖

4 技術指標

測試系統(tǒng)是集光源、光功率采集、回波測試儀和偏振控器為一體的綜合測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要技術指標如表1所示。

5 應用情況

系統(tǒng)里面采用模塊化設計，具有更高的光源穩(wěn)定度，更精確的回波損耗、插入損耗、偏振損耗，以及更為豐富的測試模式和軟件應用功能。多通道光測試系統(tǒng)補充了國內(nèi)市場和多功能一體化測試模式技術方面的空白，極大的提高了光學測試指標的測試效率，同時針對一些需求多功能指標測試給出了良好的解決方案。

表1 技術指標

6 結束語

本設計能實現(xiàn)最大64通道的光測試系統(tǒng)，能高穩(wěn)定輸出5通道光源及快速測試偏振相關損耗、回波損耗、插入損耗，具有測試效率高、測試數(shù)據(jù)精準、操作易懂等優(yōu)點。系統(tǒng)已廣泛應用于光通信測試中，并在實際應用中取得良好效果。