徐宏宇，劉 瀟

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 研究生院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

基于STM32的偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐宏宇，劉 瀟

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 研究生院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

設(shè)計(jì)了一種基于ST公司Cortex-M4內(nèi)核的ARM系列產(chǎn)品STM32F407ZG偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。光通過(guò)偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)，通過(guò)待測(cè)物后送往后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)放大過(guò)濾到達(dá)A/D采集模塊，最后送往主控單元M4進(jìn)行處理完成測(cè)量。

偏振相關(guān)損耗；STM32F407ZG；偏振控制器；測(cè)量系統(tǒng)

0 引言

偏振相關(guān)損耗(Polarization Dependent Loss, PDL)是針對(duì)光存在偏振的情況下，通過(guò)光無(wú)源器件后，引起光功率值的變化。由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中偏振不僅僅存在于光纖網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，還會(huì)沿著光纖鏈路不斷地增長(zhǎng)，給傳輸質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響，而且當(dāng)某個(gè)光無(wú)源器件的PDL在系統(tǒng)內(nèi)功率波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的比特錯(cuò)誤率增大，因此對(duì)偏振相關(guān)損耗的測(cè)量變得非常必要。

1 偏振相關(guān)損耗理論分析

偏振相關(guān)損耗的基本定義式如下：

PDL=10log(Pmax/Pmin)

(1)

單位為dB，其中Pmax是光通過(guò)全部偏振態(tài)后的功率最大值，Pmin是光通過(guò)全部偏振態(tài)后的功率最小值。

光是一種橫波，從光的波動(dòng)來(lái)分析偏振相關(guān)損耗。當(dāng)光以入射角θ1從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)中，折射角為θ2。又因?yàn)楣馐请姶挪?，則假定s是振動(dòng)方向平行于入射面的電矢量，p是振動(dòng)方向垂直于入射面的電矢量，設(shè)ts是s方向光能量的復(fù)振幅透射系數(shù)，tp是p方向的復(fù)振幅透射系數(shù)。由波動(dòng)光學(xué)理論可得如下公式：

(2)

(3)

由上式可知ts與tp不相等，則會(huì)產(chǎn)生偏振相關(guān)損耗。由PDL基本定義可得單一界面產(chǎn)生的偏振相關(guān)損耗為：

PDL=-20log[cos(θ1-θ2)]

(4)

由折射定律n1sin(θ1)=n2sin(θ2)可得到θ1的表達(dá)式，則可推出：

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

(5)

由式(5)可知PDL主要與光入射角和光學(xué)界面兩邊媒質(zhì)折射率相關(guān)，為進(jìn)一步分析其與入射角的關(guān)系，對(duì)式(5)求θ1偏導(dǎo)得：

(6)

從以上分析可得偏振相關(guān)損耗PDL會(huì)隨著入射角的增大而增大，與其成正比。同時(shí)由式(5)知PDL還與兩媒質(zhì)折射率差值Δn有關(guān)，差值越大，偏振相關(guān)損耗越大。由式(5)可知，在知道光無(wú)源器件的折射率、入射端面角度等參數(shù)下，可以在理論上估計(jì)其偏振相關(guān)損耗的理論極限值。

2 偏振相關(guān)損耗測(cè)量方案

IEC：2009(E)61300-3-2規(guī)定了兩種測(cè)試偏振相關(guān)損耗的方法，分別為全狀態(tài)掃描法和mueller矩陣法[1-2]。

2.1 全狀態(tài)掃描法

全狀態(tài)掃描法又分為步進(jìn)掃描法和時(shí)間掃描法。步進(jìn)掃描法是控制偏振控制器沿著設(shè)定的軌跡在邦加球上掃描，掃描方式有經(jīng)線步進(jìn)緯線掃描或緯線步進(jìn)經(jīng)線掃描兩種。完成掃描后找到光功率最大值和最小值，即可得到PDL。但對(duì)于測(cè)量精確度要求較高的場(chǎng)合下，其測(cè)試的步距變小，測(cè)試點(diǎn)數(shù)大大增加，也增加了測(cè)試時(shí)間。時(shí)間掃描法與步進(jìn)掃描法基本類似，主要區(qū)別是給偏振控制器發(fā)送一條掃描時(shí)間長(zhǎng)度的控制指令，讓偏振控制器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生各種偏振態(tài)的光，但不知道偏振態(tài)數(shù)量和偏振方向。其重復(fù)性不如步進(jìn)掃描法，且與時(shí)間連接比較緊密，掃描時(shí)間越長(zhǎng)精度越高，重復(fù)性越好。

2.2 mueller矩陣法

mueller矩陣法是利用了其與邦加球有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用此方法只需要用到光的4個(gè)偏振態(tài)結(jié)合mueller矩陣以及數(shù)學(xué)中求極值公式即可得到被測(cè)件的偏振相關(guān)損耗。其公式為：

(7)

其中m11、m21、m31、m41為mueller矩陣第一列的元素，只需求得mueller矩陣的第一列元素即可求得PDL。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量，但容易受到光源穩(wěn)定性和偏振態(tài)的影響。

本文根據(jù)以上測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)偏振控制器的控制進(jìn)行改變，改變其掃描步長(zhǎng)及掃描時(shí)間，使輸出的偏振光盡可能地落在橢圓偏振態(tài)，對(duì)于特定波長(zhǎng)的PDL，既縮短了測(cè)試時(shí)間，又使得測(cè)試方案簡(jiǎn)單易操作，而且對(duì)偏振態(tài)穩(wěn)定性的依賴降低，同時(shí)降低了對(duì)偏振控制器控制的復(fù)雜度，測(cè)量誤差比較小。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

偏振相關(guān)損耗(PDL)測(cè)試系統(tǒng)[3]主要由光源、偏振控制器、光功率計(jì)模塊[4-5]、A/D轉(zhuǎn)換模塊及MCU等組成。圖1為系統(tǒng)框架圖。

圖1 系統(tǒng)框架圖

光功率計(jì)模塊包括光電探測(cè)器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換模塊。通過(guò)改變偏振控制器[6-7]對(duì)光纖的壓力調(diào)整偏振態(tài)，得到不同狀態(tài)的偏振光，通過(guò)待測(cè)物經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、儀表放大過(guò)濾，送往A/D轉(zhuǎn)換模塊，最后經(jīng)過(guò)DMA送往MCU處理顯示。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 偏振控制電路設(shè)計(jì)

對(duì)偏振控制器的精確控制是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)采用STM32控制步進(jìn)電機(jī)及外圍驅(qū)動(dòng)電路控制偏振控制器，步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)λ俣群臀恢镁_控制，且沒(méi)有累計(jì)誤差,因此能夠準(zhǔn)確地得到所需的偏振態(tài)。其電路連接如圖2所示。

圖2 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接電路原理圖

4.2 前置放大電路設(shè)計(jì)

偏振光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的光電流比較微弱，需要進(jìn)行放大后才能夠送給A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。在這里使用噪聲比較低、價(jià)格相對(duì)便宜的CAN型OP放大器LF356H作為前置放大電路器件，其特性如下：

(1)電流—電壓變換增益為1 V/μA;

(2)振幅—頻率特性：在100 kHz時(shí)，-3 dB以內(nèi)最大輸出電壓±10 V，其電路如圖3所示。

圖3 前置放大電路原理圖

經(jīng)過(guò)前置放大電路[8-9]以后由于輸出電壓比較小，信號(hào)比較微弱，還需經(jīng)過(guò)第二級(jí)放大電路放大。本設(shè)計(jì)采用可編程增益儀表放大器[10-11]AD8253進(jìn)行第二級(jí)放大，其具有GΩ級(jí)輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，能很好地驅(qū)動(dòng)高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，使其成為ADC驅(qū)動(dòng)器的絕佳選擇，并且其可實(shí)現(xiàn)1、10、100、1 000放大量程的切換，可根據(jù)輸入信號(hào)大小來(lái)切換量程。

4.3 主控電路和A/D電路

綜合考慮成本，主控芯片性能以及系統(tǒng)低功耗、可靠性、準(zhǔn)確性等，主控電路采用ST公司的STM32F407最小系統(tǒng)，為使電路最大程度地集成化，減少外圍電路，則A/D轉(zhuǎn)換電路采用STM32F407自帶的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

主控芯片電路圖如圖4所示。

圖4 主控芯片電路原理圖

圖4是本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片，工作電壓為5 V，其外圍連接了一些LED,用于指示程序正在運(yùn)行。

STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有19個(gè)通道，這些通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)2.4 MHz。該性能能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求，而且為電路設(shè)計(jì)和后續(xù)的軟件編程帶來(lái)方便。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 軟件系統(tǒng)流程圖

信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件電路采集以后，需要軟件部分進(jìn)行處理顯示，軟件部分程序流程圖如圖5所示。在A/D采集前系統(tǒng)應(yīng)判斷輸入信號(hào)是否在A/D可采集的范圍內(nèi)，若不是，系統(tǒng)需調(diào)整AD8253的放大倍數(shù)來(lái)使信號(hào)符合A/D采集信號(hào)大小，此部分由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別判斷。然后根據(jù)前面所給出的公式計(jì)算出光功率，并根據(jù)PDL公式計(jì)算出偏振相關(guān)損耗。

采用1 310 nm的DFB穩(wěn)定光源進(jìn)行測(cè)試，得到不同測(cè)試次數(shù)下PDL的數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知此測(cè)量系統(tǒng)能很好地完成PDL的測(cè)試，且誤差比較小，滿足測(cè)量精度。

表1 PDL測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

基于STM32F4的偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)，依靠偏振控制器改變光的輸出偏振態(tài)，能夠很好地測(cè)量出光通過(guò)無(wú)源器件后偏振相關(guān)損耗。而且STM32F4在速度、功耗、成本等方面表現(xiàn)出其自身的優(yōu)勢(shì)，自帶ADC使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，而且能夠擴(kuò)展豐富外設(shè)。

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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，劉瀟. 基于STM32的偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)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：電子技術(shù)與應(yīng)用。

劉瀟(1989-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)獲取與處理。E-mail:924587811@qq.com。