謝利如 榮國光

（上海交通大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200240）

1.引言

隨著PON網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的不斷提高，光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍越來越廣，數(shù)量也逐漸增多，這必然需要相應(yīng)的專用測試儀表，以提高光網(wǎng)絡(luò)測試及排除故障的效率，傳統(tǒng)的光學(xué)儀表測試效率比較低下，不夠方便智能，比如傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)損耗鏈路測試中應(yīng)用的是光源計(jì)、光功率計(jì)、光纖對講機(jī)、光衰減計(jì)等儀表來完成測試，由于這些儀表均為分離的，操作繁瑣，不能按標(biāo)準(zhǔn)格式存儲數(shù)據(jù)，這給測試者帶來諸多不便，極大降低了測量效率，本文中設(shè)計(jì)的多功能光衰減測試儀解決了上述問題，它是集合以上多種儀表功能于一體的光纖網(wǎng)絡(luò)鏈路損耗測試專用儀表，其具備雙機(jī)配合損耗量測及數(shù)據(jù)傳輸功能，光對講機(jī)功能，光功率量測和光源計(jì)功能，光功率量測試動態(tài)范圍為+3～-60dB，精度在0.1dBm以內(nèi)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵器件型號選取

本文設(shè)計(jì)的是一款便攜式儀表，主要由電池供電(也可以外接直流電源)，對功耗要求較高，所以選用NXP（恩智浦）LPC2888處理器，它一款基于ARM7的微控制器，能夠采用單電池、USB或已校準(zhǔn)的1.8V和3.3V供電，非常適合于要求低功耗和高性能的便攜式應(yīng)用。

光源發(fā)射電路部分選擇半導(dǎo)體激光器(LD)做為發(fā)光的關(guān)鍵器件,因?yàn)槠渚哂芯酃馓匦院?，體積小，重量輕，效率高，壽命超過一萬小時(shí)等特點(diǎn)。當(dāng)前選用的光源工作波長為1310nm和 1550nm，故采用 InGaAsP/InP材料 (波長范圍 1100～1700nm)構(gòu)的 ML725B45F（1310nm）和 ML925B45F（1550nm）的半導(dǎo)體激光器。

光探測電路部分選用光電二極管作為光接收器件，PIN光電二極管靈敏度高，頻帶寬，附加噪聲小，特性不因外界條件而改變，不需要高壓電源等特點(diǎn)更適合本設(shè)計(jì)的需要，根據(jù)所用光源波長選擇InGaAs材料制作的PD-1100雙波長窗口光電二極管。

2.2 系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

EEROM外部存儲器控制模塊保存系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有一些關(guān)鍵參數(shù)，比如工作模式，測量門限，參考值等，開機(jī)后首先從中讀取參數(shù)配置。液晶模塊選用ARCHOS(愛可視)3.5寸屏FG030530DNSWBG01 LCD屏。為便于與上位機(jī)系統(tǒng)和其他控制其間通訊，系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)有鍵盤和USB接口；儀表之間通過UART端口轉(zhuǎn)后的光纖信號進(jìn)行通訊。LPC2888芯片內(nèi)部集成了安全數(shù)字（SD）/多媒體卡（MMC）存儲卡接口模塊，可支持高達(dá)2G容量的SD卡，本設(shè)計(jì)中選用1G容量的SD卡作為測試數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，可存儲量測數(shù)據(jù)5000條以上。芯片內(nèi)部集成了1個5通道輸入、10位分辨率的逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，我們選用其中的第一組作為光功率量測應(yīng)用，第二組作為電池電量偵測應(yīng)用。芯片內(nèi)部集成了帶增益控制的16位立體聲A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，這個16位的ADC和DAC能被應(yīng)用為同步采樣的立體聲電路，這里我們把這組A/D和D/A轉(zhuǎn)換器作為語音通訊中外接麥克風(fēng)和耳機(jī)應(yīng)用。

2.3 LD驅(qū)動電路

R1，R2，這兩個電阻起到分壓功能，使Q1的基極有個基準(zhǔn)門檻電壓，當(dāng)OP放大器輸出的電壓值高于這個門檻電壓加上Q1管BE節(jié)的電壓和才會導(dǎo)通，這樣對于Q1管的導(dǎo)通控制更加合理。

運(yùn)放反饋電阻R3的取值要注意不能使放大器的放大倍數(shù)飽和，否則光反饋的功能將消失。電阻R2阻值的選取原則是使LD工作在最佳狀態(tài)(當(dāng)OP運(yùn)放輸出高電平的時(shí)，LD輸出的電流為典型值)。

圖2 LD驅(qū)動電路

輸出的光強(qiáng)度隨Ui信號的變化而變化，LD發(fā)射的激光反饋到Vref電路，從而保證OP放大器輸出信號的準(zhǔn)確性。

2.4 光信號接收電路

2.4.1 前置放大電路原理

由于PIN輸出的信號非常微弱，只有零點(diǎn)幾個毫安，所以為了使之達(dá)到后置采樣電路所要求的電平，必須要進(jìn)行信號放大，對前置放大電路的要求為低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力，這對放大電路的關(guān)鍵元件運(yùn)放的要求非常高，這里通過對比考量，我們選用OP07A集成運(yùn)放，因?yàn)槠溆懈煤玫妮斎肫煤洼斎胧д{(diào)的特性，這意味著運(yùn)放具有更低的噪聲，也就更適合用于微弱信號檢測。

2.4.2 光信號檢測電路原理分析

光電檢測信號電路采用差動閥值二值化處理電路，如下圖所示，圖中電壓比較器的“-”輸入端接入能夠調(diào)整的閥值電壓Uth。由于電壓比較器的特性可知，當(dāng)輸入的光電信號使同相輸入端的電壓U+高于固定電位Uth時(shí)，比較器輸出高電平，即為1；當(dāng)?shù)陀陂y值Uth時(shí)，不管其值如何接近于Uth，其輸出都為低電平，即為0.

其中R0和R1設(shè)定為所需的參數(shù)上述電路還具有放大功能，輸出電壓為

應(yīng)用差動閥值檢測電路的好處是Uo輸出的信號準(zhǔn)確性不受基準(zhǔn)電壓Uth波動的影響，因?yàn)镽3和R4接點(diǎn)出的電壓變化和Uth的變化是一致的，同時(shí)Uth可以取到VCC/2的幅度，很小的Ui就能被判定出來，這樣使信號的判定更加靈敏和準(zhǔn)確。

2.5 光功率量測電路

由于前端光電二極管輸出的電流信號很小，這里我們應(yīng)用對數(shù)放大器將微小的電流信號放大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流信號向電壓信號的轉(zhuǎn)換，本文中選用AD8304芯片作為核心器件設(shè)計(jì)了專用的寬帶低噪聲對數(shù)放大電路，可對信號實(shí)施對數(shù)壓縮的非線性放大，能使信號的動態(tài)范圍更寬，信號層次更加豐富。

圖3 差動閥值法二值化處理電路

對數(shù)放大器AD8304單片集成電路是一個中低頻光信號量測的專用芯片,其工作電壓為3～5.5V,測量光功率范圍0～80dB，輸入光電流范圍100pA～10mA。AD8304芯片有專門的光電二極管接口，由內(nèi)部提供光電二極管的偏置電壓，使用方便，并且內(nèi)部集成了溫度補(bǔ)償電路，提高了轉(zhuǎn)換精度。

圖4 AD8304應(yīng)用原理圖

由于本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是AD轉(zhuǎn)換器為處理器內(nèi)部集成的10位AD轉(zhuǎn)換器，量測電壓范圍為0～3v之間。應(yīng)用上述電路模型和參數(shù)設(shè)置VLOG輸出電壓的對數(shù)斜率為62.5mV/decade,通過調(diào)節(jié)RA和RB的阻值，可以調(diào)節(jié)VOUT輸出電壓的范圍，以適應(yīng)AD電壓的需要，由于AD8304芯片量測范圍為80dB，共有8個decade，所以VLOG輸出電壓范圍為0～0.5v，這個電壓范圍對AD處理器來講范圍太小，必須進(jìn)行電壓范圍放大以滿足AD更大的量測范圍來保持更高的分辨率，由上圖可知這個內(nèi)部緩沖放大器的放大倍數(shù)公式為：G=1+RA/RB，為了進(jìn)一步提高AD量測值的分辨率這里選擇六倍放大倍數(shù)，取RA=7.68k、RB=1.54k，這樣輸出電壓范圍為0～3v之間，非常符合AD轉(zhuǎn)換器的需要。

實(shí)際軟件應(yīng)用動態(tài)范圍設(shè)定為3dBm～-60dBm，小于-60dbm后的輸入光非常微弱，容易受到外部的干擾，使得量測的線性度變差，因此在軟件算法中舍棄-60dBm以后的部分?jǐn)?shù)據(jù),然后設(shè)定為小于-60dBm的值均顯示-60dBm；實(shí)驗(yàn)測試在3dBm～-60dBm這個范圍內(nèi)誤差小于0.1dbm，測試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示：

表5 實(shí)測絕對誤差曲線

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主副機(jī)的輸入和輸出兩端分別接入兩根光纖，雙向模式下主機(jī)會每隔3s對從機(jī)發(fā)送一個連接檢測指令，如果通訊正常，從機(jī)會回送一個反饋指令，表示連接正常，當(dāng)按鍵觸發(fā)進(jìn)入量測流程的時(shí)候，檢測功能將暫時(shí)停止，待量測完成后此功能將重新啟動；雙機(jī)參考值及損耗量測過程由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)在量測過程中按鍵將被鎖定，所有動作均由主機(jī)通過通訊流程控制，頁面也在主機(jī)的控制下進(jìn)行聯(lián)動切換，儀表的主流程圖和雙向量測流程圖如圖6所示。

1310波長和1550波長流程類似，在損耗量測前會進(jìn)行一次參考值量測，之后的損耗測試為量測值與參考值的差值，損耗界面將顯示量測的結(jié)果。

圖6 雙機(jī)量測主流程圖

4.結(jié)論

多功能光損耗測試儀集合了光源計(jì)，光功率計(jì)，光對講機(jī)及光數(shù)據(jù)傳輸功能于一體，在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)損耗量測及測試結(jié)果自動存儲功能，并也可以用做光纖對講機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)端通話，亦可用于測試光纖語音通訊質(zhì)量，適合PON網(wǎng)絡(luò)測試應(yīng)用，實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)多臺分離儀表測試方法效率明顯提高。

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