本科毕业设计论文 智能化光时域反射仪的设计研究.doc

学 号： 题目类型： 论文 (设计、论文、报告)桂林理工大学guilin university of technology本科毕业设计(论文)题目： 智能化光时域反射仪的设计研究 （本论文版权为学校所有，若要引用，请注明出处 ） 学 院： 信息科学与工程学院 专业(方向)： 信息检测 班 级： 电信08-3班 学 生： 屠晨晨 指导教师： 陆绮荣 2012 年 5月 14日桂林理工大学本科毕业设计论文摘 要光纤通信是以光波作载波以光纤为传输媒介的通信方式。光纤通信有传输频宽，通信容量大，传输距离远，损耗小，抗电磁干扰能力强等优点而成为现代主要的通信方式之一。随着光纤通信的迅猛发展，光纤测试技术也成为光纤通信中很重要的一项技术。其中光时域反射仪是光纤测试领域使用频率很多的一块仪表，由于它可以测量光纤的长度，光纤的链路衰减以及故障点的准确定位，具有测试时间短，速度快，准确度高等优点而广泛的使用于光缆线路的施工和维护中。然而现在的光时域反射仪都是专用仪表，价格昂贵，功能单一，扩展性差。利用虚拟仪器技术可以很好地解决这些问题。本文采用虚拟仪器技术对光时域反射仪进行设计研究。研究的内容有：光时域反射仪工作原理，硬件电路设计，虚拟仪器程序设计，瑞利散射，菲涅尔反射以及光在光纤中传输时产生的背向散射光来获取衰减信息的基本原理。通过设计研究得出结论：基于虚拟仪器技术的光时域反射仪的精度可以达到很高，满足光纤通信系统的测试。另外，由于虚拟仪器技术基于计算机平台，可以很方便的扩展各种功能，可以实现采集信息的处理、存储以及网络传输，体现了光时域反射仪智能化的特点。关键词：光时域反射仪；虚拟仪器；瑞利散射；菲涅尔反射design and reseach of intelligent optical time domain reflectometer student:tu chen-chen teacher:lu qi-rongabstract：optical fiber communication based on light waves for the carrier and the optical fiber as the transmission medium of communication.the advantages of optical fiber communication is wide transmission frequency bandwidth, large transmission capacity, long transmission distance, low loss and strong ability of anti-electromagnetic interference to become one of the modern major communication. with the rapid development of optical fiber communication, fiber optic testing technology has also become a very important technology in the optical fiber communication . among this,the otdr has high using frequency in the field of fiber optic test,as it can measure the length of the optical fiber, optical fiber link attenuation and the exact location of the point of failure and has the advantages of short test time,fast test speed, high test accuracy,so it has widely used in the construction and maintenance of fiber optic cable line. however, the otdr are special instruments, they are expensive, single function, poor scalability. the virtual instrument technology can solve these problems.this paper is designing and studying the otdr with virtual instrument technology. the content of the study has otdr work study,hardware circuit design,virtual instrument program design,rayleigh scattering, fresnel reflection and the backward scattered that generated in the transmission of light in optical fibers to obtain the attenuation informations work.concluded through the research:the otdrs accuracy can reach very high base on virtual instrument technology, meet the test of optical fiber communication system. in addition, the virtual instrument technology based on computer platform, can easily expand the various functions,can achieve collection of information processing, storage and network transmission, reflecting theintelligent features of the otdr.key words：otdr;virtual instrument; rayleigh scattering; fresnel reflection目 次摘要abstract 1 引言 12 瑞利散射和菲涅尔反射 32.1 瑞利散射 3 2.2 菲涅尔反射 32.3 背向散射 53 光时域反射仪的工作原理 63.1 光纤中的散射与反射 63.2 测试光波长 73.3 脉冲宽度与脉冲周期 73.4 动态范围 83.5 采样分辨率 84 硬件电路设计 94.1 脉冲产生电路 94.2 激光器电路 10 4.2.1 半导体激光器介绍 10 4.2.2 激光器电路设计 10 4.2.3 电压跟随器 124.3 光环型器 124.4 光电检测器13 4.4.1 pin光电二极管 13 4.4.2 前置放大器 14 4.4.3 光电检测器电路设计 14 4.4.4 接收机的动态范围 175 虚拟仪器设计 19 5.1 虚拟仪器介绍 195.2 虚拟仪器数据采集卡 195.3 虚拟仪器程序设计 19 5.3.1 数字滤波器设计 19 5.3.2 公式节点 20 5.3.3 数据捆绑 21 5.3.4 属性节点 22 5.3.5 虚拟仪器整体设计235.4 光时域反射仪信号仿真 256 总结 28致谢 29参考文献 30iv1 引言光纤通信作为现代通信技术的主要通信方式之一，有着传输距离远、频带宽、容量大、抗电磁干扰能力强等优点。随着光纤通信技术的不断成熟，设备成本的不断降低，光纤通信将会全面取代现有的以金属导线为媒介的通信方式成为有线通信的主流。所以如何在生产、施工、使用和维护中对光纤测试正成为一项重要的技术。目前，对光纤测试常用仪表有光功率计、稳定光源、光万用表、光时域反射仪(otdr)和光故障定位仪。而光时域反射仪则是光纤测试技术中使用频率很多的一块仪表，它可测量光纤长度、光纤的链路衰减、接头衰减和故障定位，具有测试时间短、速度快、精度高等优点。所以光时域反射仪是光纤通信的重要仪表，在科研、生产、施工、维护等光通信邻域发挥着至关重要的作用。然而，光时域反射仪都是专用的仪表，价格比较昂贵，功能单一，扩展新差。而虚拟仪器技术有如下的优点：1）性能高 虚拟仪器技术是在pc技术的基础上发展起来的，所以它具有pc技术的优点，包括强大的处理器和文件管理，既能够实时的进行复杂的数学计算，又能够快速的进行文件的存储。此外，得益于互联网技术的快速发展，虚拟仪器可以将采集的数据信息通过互联网快速的传输的各个电脑，也可以实现远程操控。体现了虚拟仪器智能化的发展方向。2）扩展性强ni公司出品的虚拟仪器是将软件和硬件分开，硬件部分负责信号的放大和模数转换，软件部分负责信号的处理和分析，数据采集卡则是软件和硬件的桥梁，它负责将采集到的信号进行模数转换送给软件进行分析。通过将软硬件分开，使得虚拟仪器具有很强的灵活性。如果硬件电路性能不高，只需更改硬件电路；如果软件设计的功能不是很多，信号处理的算法不是很完善，那么只需对软件进行更改就行了，而无需调整硬件电路，使虚拟仪器的扩展性非常强。3）开发时间少首先，ni公司的labview使用的是图形化的编程语言，使用起来很方便，无需编写大量的程序，只需将几个图形化的控件和函数连接起来就可以实现相同的功能，极大的缩短了研发人员的编程时间。又由于虚拟仪器扩展性强，只需更改相应的部分就能够使系统进行升级，也极大地缩短了研发人员的研发时间。所以虚拟仪器具有开发时间少的优点。4）无缝集成由于现在产品的功能越来越多，趋向于复杂化，如果只是对专用的仪器进行功能的扩展，那么就要花费的大量的时间重新定制软件和硬件结构。而ni的虚拟仪器软件平台为硬件电路提供了多个标准的i/o接口，能够将多个测量设备连接到一个虚拟仪器平台中，使虚拟仪器功能的扩展简单快捷，达到了无缝集成的效果。 以上这些优点，解决了现有光时域反射仪的不足之处，同时也使光时域反射仪具备了计算机智能化的特点。本文采用虚拟仪器技术对光时域反射仪进行设计研究。对光时域反射仪的设计研究分为三个部分，一个部分为工作原理的研究，一部分为硬件电路设计，一部分为虚拟仪器程序设计。此外，论文还分析了瑞利散射，菲涅尔反射以及光在光纤中传输时产生的背向散射光来获取衰减信息的基本原理。硬件电路设计包括光时域反射仪的脉冲产生电路，半导体激光器，光耦合器，光电检测器和信号放大电路。虚拟仪器程序设计包括光时域反射仪的模数转换模块，信号处理模块和显示模块。2 瑞利散射和菲涅尔反射2.1 瑞利散射 当光通过不均匀介质时，它会偏离原来的方向而向四周传播，这种现象称为光的散射。有很多原因造成介质的光学均匀性不均匀，一种是在空间中悬浮的质点，如烟、雾、灰尘，它们使光产生散射；一种是介质中分子密度的不均匀性导致介质折射率的变化，从而产生光的散射1。散射分为两种，一种是线性散射，一种是非线性散射。线性散射指的是入射光经过介质发生散射时没有新频率的散射光产生。而非线性散射指的是散射光除了入射光的频率外，还有新的频率的散射光产生。瑞利散射就属于线性散射，它散射的粒子的大小在1/51/10光波长以下。在光纤通信中，瑞利散射是最强的自发散射的过程，它是由于光纤在制造的过程中造成的局部密度不均匀性和成分不均匀性引起的，由于这些不均匀性的尺寸要比光波长要小，所以产生瑞利散射。 瑞利散射具有如下的主要特点： a.散射光强与入射光波长四次方成反比，即 （3-1）上式就是瑞利散射定律公式。 b.散射光强随观察方向而改变，散射光强与观察方向之间的关系为 （3-2）式中为观察方向与入射方向之间的夹角，是垂直于入射方向上即=/2时散射光的强度1。由公式（3-2）可知，当=-时，即为背向散射。它为光强度的两倍。2.2 菲涅尔反射当光线从一种介质入射到另一种介质时，会产生反射光和折射光。当光线入射到两个介质的分界面时，有一部分光会被反射，回到原来的介质中传播，叫做光的反射。而光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生偏折，叫做光的折射。假设光线由介质n1入射到介质n2中（n1n2)，1为入射光与法线的夹角，2为折射光与法线的夹角，3为反射光与法线的夹角，光的折射与反射示意图如图1所示。可以得出光的折射公式 （3-3）图1 光的折射与反射示意图 从图中可以看出：当光线从光密介质n1入射到光疏介质n2时，折射角比入射角大。当2=/2时，1即为一临界角。当入射角1大于临界角时，那么入射光就会在两个介质的分界面产生全反射，而没有折射光产生。光纤就是通过这一原理使光在光纤中传输，由于入射光发生全反射时能量损耗非常的微小，所以光在光纤中传输的距离非常远。 菲涅尔反射指的是反射/折射与入射光之间的关系。简单的讲，就是入射光垂直于表面时，反射较弱，而当入射光非垂直表面时，夹角越小，反射越明显。在真实世界中，除了金属之外，其它物质均有不同程度的“菲涅尔效应”。 菲涅尔反射强度与两种媒质的相对折射率的平方成正比。一束能量为p0的光，由媒质1（折射率为nl）进入媒质2（折射率为n2）产生的反射光光强为p1，则菲涅尔反射光强有如下关系式 （3-4）根据公式（3-4）可知，当光线入射到折射率不同的两个介质时，会发生菲涅尔反射。两个介质的折射率偏差越大，那么菲涅尔反射越强。2.3 背向散射引起光纤损耗的原因有很多，大体可以分为两类。一类为光纤材料引起的，主要有吸收损耗和散射损耗。吸收损耗主要有红外和紫外吸收损耗，oh离子吸收损耗，金属离子吸收损耗。散射损耗主要有瑞利散射损耗，波导散射损耗和非线性散射损耗。一类为光纤在使用过程中弯曲造成的，当光纤的弯曲度大于一定的曲率半径时就会有一部分光从光纤中泄露出来引起损耗。吸收损耗和散射损耗为光纤损耗的主要因素，它们都使入射光进行了不同程度的衰减。假设入射光pi经过距离为l的介质后，透射光的光功率为po。其中为光纤的衰减系数，那么入射光与透射光的关系为 （3-5）当入射光po由光纤端口注入到距离为l的光纤后，产生瑞利散射，其中产生的背向散射反向传输回到光纤端口，此时的背向散射光功率为pb。假设此光纤的背向散射系数为s，光纤的衰减系数为，那么背向散射光功率与入射光功率的关系为2 （3-6）“2”指的是入射光经瑞利背向散射返回到光纤端口之间走过的距离为2l。 对pb取对数作为光纤链路图纵坐标，单位为dbm。光信号从光纤端口进入，经距离为l的光纤后产生背向散射回到光纤端口的时间t和距离l之间的关系为2 （3-7）其中，c：光在真空中的传播速度（3108m/s）。n：光纤纤芯折射率，通常为1.4682。t：一束光由注入端开始到回到起点的时间。 根据公式（3-7）可知，当对光纤端口发出一个很短的光脉冲，并在此刻开始记录背向散射光的时间，就可以知道背向散射光功率对应的光纤的距离，作为光纤链路图的横坐标，从而可以显示该光纤的背向散射曲线。3 光时域反射仪的工作原理光时域反射仪的英文名称为optical time domain reflectometer，简写为otdr。光时域反射仪用到的光学理论主要有瑞利散射和菲涅尔反射，这种测量方法由m.barnoskim和m.jensen 在1976年发明的。当光时域反射仪工作时，首先发出一个很窄的脉冲信号，脉冲信号由激光器变换成光脉冲经光耦合器注入到光纤中。由于光纤在制造过程中存在局部密度不均匀性和成分不均匀性，而这些不均匀性会对光脉冲产生瑞利散射，其中背向散射光会返回光纤的初始端口经光耦合器送到光电检测器。光电检测器将光信号转换成微弱的电信号经放大器放大处理和模数转换后，将数字信号输送给信号处理单元进行信号处理和分析，然后将曲线和分析的结果显示在显示器上。由于一次测量产生的误差比较大，通常都是由脉冲信号发生器发出多个脉冲，对光纤进行多次测量求平均值来消减随机误差从而使测量精度满足要求3。otdr原理框图如图2。脉冲信号发生器信号处理与链路分析 光纤光耦合器激光器光电检测器放大器模数转换器图2 otdr原理框图 在测试中，一些参数也影响着光时域反射仪的性能。它们有瑞利散射和菲涅尔反射，测试光波长，脉冲宽度，动态范围和采样分辨率。3.1 光纤中的散射与反射由于光纤中存在瑞利散射和菲涅尔反射，所以光时域反射仪能将反射回来的光功率记录下来形成光纤链路图。瑞利背向散射光能量级别很低，又由于光纤内部杂质的散射和吸收使瑞利背向散射光不断地衰减，所以在 otdr 轨迹中显示为倾斜向下的直线。由菲涅尔反射公式（3-4）可知，当光到达折射率突变的位置时，有很大一部分光被反射回去，产生菲涅尔反射。在光纤中产生菲涅尔反射的原因是由于在光纤中存在连接器、机械接头、光纤断裂或打开的连接器。菲涅尔反射光要比瑞利背向散射光的能级高得多，在otdr轨迹中以尖峰的形式表现出来。所以菲涅尔反射通常用来检测光纤链路的事件点。图3说明了产生菲涅尔反射的不同连接。图3 (1) 机械接头、(2) 光纤适配器和(3) 打开的连接器产生的菲涅尔反射3.2 测试光波长 在otdr中，测试光波长通常为1310nm和1550nm。根据瑞利散射公式（3-1）可知：波长越短，瑞利散射的光功率就越强，所以1310nm波长的曲线会比1550nm波长的曲线高，动态范围好。但是在测试长距离光纤时，由于1310nm产生的瑞利散射比较大，衰减也随之变大，形成的曲线就不清晰。所以在长距离测试的时候宜采用1550nm作为测试波长，普通的短距离测试选取1310nm为宜4。3.3 脉冲宽度与脉冲周期脉冲宽度指的是激光所发出的光脉冲的宽度。它是由脉冲信号发生器来决定的。通常脉冲宽度与激光的能量成正比。激光的脉冲宽度越宽，激光所携带的能量就越大，那么激光传输的距离就越远，测量的曲线就越清晰，适合于检测长距离的光纤。而激光的脉冲宽度越窄，那么激光所携带的能量就越小，经过长距离的传输后产生的背向散射就会衰减很多，很容易淹没到噪声当中使曲线模糊不清，所以窄的脉冲宽度不适合于测试长距离的光纤，但是窄的脉冲宽度的激光会使事件盲区和衰减盲区减小，使测试结果更加精确，所以在测量短距离的光纤时，应选用窄的脉冲宽度。脉冲周期要比脉冲宽度的时间要长的多。根据公式（3-7）可知，当时间t为一定值时，对应的的测量长度也就固定了。如果t为脉冲周期，那么测量长度就是光时域反射仪最大测量量程。因为如果光纤大于这一长度时，背向散射光还没有完全返回到光纤初始端时，就有下一个光脉冲入射到光纤中，会对背向散射光产生极大地干扰，使测量的数据与真实值有很大的区别。所以脉冲周期决定了光时域反射仪的最大量程。3.4 动态范围光纤链路图的动态范围指的是在一次测量中背向散射开始与噪声峰值间的功率损耗比。目前有两种定义动态范围的方法： 1.峰值法：它由背向散射开始测到噪声的峰值。2. snr=1法：这里动态范围测到噪声的均方根值为止，显然这种测量方法的动态范围要比峰值法要高。 光时域反射仪的动态范围指的是光接收机的动态范围。光接收机的动态范围是指光接收机最小输入光功率和最大允许光功率之间的变化范围。由公式（3-6）可以看出，当光接收机的动态范围越大，测量光纤的距离也就越长。3.5 采样分辨率采样分辨率指的是两个连续采样点之间的距离。采样分辨率是由模数转换器的采样速率决定的。模数转换器的采样速率越高，采样分辨率越好。当采样分辨率越高时，两个连续采样点之间的距离也就越小，描绘的光纤链路图的信息也就越丰富，可以从光纤链路图中察看到距离很小的事件点，使光时域反射仪的故障查找能力大大提高。图4显示了不同采样分辨率的图形。 a) b)图4 不同采样分辨率的图形：a) 5 米分辨率，b) 15 米分辨率。 4 硬件电路设计4.1 脉冲产生电路脉冲产生电路由at89s52单片机电路构成。单片机电路产生周期为1ms的脉冲信号，脉冲宽度为1us。此时，此时光时域反射仪的最大测量时间为1ms，设定光纤纤芯折射率n=1.4682，由公式（3-7）可得，光时域反射仪最大量程约为100km。脉冲信号如图5。图5 脉冲信号 脉冲产生电路如图6。该单片机电路采用24mhz晶振，一个机器周期为0.5us，可满足设计要求。开关s1控制单片机工作，当按下开关s1时，单片机启动，p2.7脚向激光器电路发出周期性的脉冲，同时p2.6脚向虚拟仪器接口发出启动电平，让虚拟仪器开始工作，记录此时的光功率及对应的时间。当p2.7脚不再产生脉冲信号时，那么p2.6脚向虚拟仪器发出停止电平，使虚拟仪器停止工作。 图6 脉冲产生电路 4.2 激光器电路4.2.1 半导体激光器的介绍 半导体激光器(semiconductor laser)又称激光二极管(laser diode)是光纤通信中最主要的光源。激光器的种类有很多，按照结构分类，有法布里-珀罗型激光二极管，分布反馈激光二极管和分布bragg反射器激光二极管，量子阱激光器和垂直腔面发射激光器。半导体激光器按泵浦方式不同,可以分为注入式激光器、光泵激光器和电子束泵浦激光器。由于注入式激光器偏置电压小，很容易受激辐射，并且它可以直接通过改变输入电流来改变光功率，调制过程简单，因此这种激光器使用很广泛。半导体激光器的伏安特性曲线与发光二极管的伏安特性曲线非常类似，具有单向导通，反向截止的特征。所以半导体激光器在电路中应该正向偏置才能发光。半导体激光器的正向偏置电压大约在1v2v之间。半导体激光器的p-i曲线如图7。p指的是半导体激光器发射的光功率，i指的是半导体激光器的注入电流。当注入的电流比较小时，半导体激光器自发辐射，发出的是荧光，其特点是光谱范围宽，横向光束角度大。当注入的电流大于某一个值时，激光器开始受激辐射，发出激光，这个电流值称为阀值电流，符号为ith。激光的特点是光谱范围窄，横向光束角度小，为510度。所以，要想使半导体激光器发出激光，其注入的电流一定要大于阀值电流。图7 半导体激光器的p-i曲线 4.2.2 激光器电路设计 由于电注入式半导体激光器有上述优点，所以本文选用电注入式半导体激光器。由第3章测试光波长的分析可知，当选用量程为100km测量光纤时，测试光波长应选用1550nm这样激光在光纤中传输衰减比较小，产生的图形清晰，所以选用激光器的波长为1550nm。本文选用深圳市奥普徕斯科技有限公司opls-ld1550fp1cwf/g型号的半导体激光器，其参数如表1。 表1 半导体激光器(opls-ld1550fp1cwf/g)的工作参数参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出光功率poif=ith+20ma1mw阀值电流ithcw6ma工作电流ifcw40ma工作电压voif=iop1.11.5v光谱宽度cw，p024nm中心波长cif=iop153015501570nm上升/下降时间ti/tfif=i0.30.5ns相对噪声强度rin-150db由表1可知，该半导体激光器工作电压的典型值为1.1v，此时半导体激光器的输出光功率为1mw，它的注入电流为26mv。设置半导体激光器的电源电压为+5v，根据欧姆定理得，它的串联电阻为150。为了保护激光器避免受到反向电压的损坏，激光器并联一个反向二极管。激光器电路原理图如图8。图8 激光器电路原理图4.2.3 电压跟随器电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，满足后一级的电路的性能指标。又由于输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，即输入电压不受后级电路的影响；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压也不受后级电路阻抗影响。这一特点使电压跟随器具有电压隔离的功能。由于脉冲产生电路输出电流小，带负载能力差，所以在脉冲产生电路和激光器电路之间加一个电压跟随器作为缓冲级，提高电路带负载能力。同时，电压跟随器具有隔离的功能，可以隔离前后级电路的影响，使激光器发出的光脉冲更加的稳定。本文选用ad8038作为电压跟随器的运放，它的频带宽度为100mhz，供应电压为312v，满足设计要求。4.3 光环形器光环行器是一种多端口输入/输出的非互易型光无源器件，具有光信号沿规定的顺序端口正向传输导通、反向禁止的特性5。由于光环形器的性能好，所以很适合用在光时域反射仪当中。 在光时域反射仪中，用到的光器件有半导体激光器，光环形器和pin光电二极管。通过光环型器，可以使入射光和反射回来的光有效地隔离。光时域反射仪光器件的连接和光信号传输方向如图9。半导体激光器光环路器pin光电二极管光纤 图9 光时域反射仪光器件的连接和光信号传输方向4.4 光电检测电路4.4.1 pin光电二极管光电检测器主要是由半导体材料构成，它能感应光照的强度转换成电信号，从而实现光电转换。目前主要用的光电检测器为光电二极管，它分为pn结光电二极管和肖特基光电二极管。pn结光电二极管有两种，一种为pin光电二极管，一种为apd光电二极管。apd光电二极管具有雪崩效应，能使原信号光电流发生倍增，从而使接收机灵敏度增加6。但是光电流发生倍增的同时，会使噪声电流同时倍增，不利于信号的检测，同时apd的反向偏置电压很高7，达到45v以上，电路实现起来困难，所以本文不用apd光电二极管作为光电检测器的检测部件。pin光电二极管虽然没有雪崩效应，但是pin光电二极管灵敏度也很高，响应时间短，偏置电压低，电路设计简单。所以本文选用pin光电二极管作为光电检测器的检测部件。 本文选择的pin光电二极管是深圳市奥普徕斯科技有限公司opls-ipd075s型号的光电二极管，它的工作参数如表2。表2：pin光电二极管（opls-ipd075s)的工作参数参数符号测试条件最小值典型值最大值单位反向电压vr30v正向电流if10ma光纤波长范围9001700nm饱和光功率psvr=-5v3dbm暗电流idvr=-5v0.6na响应度respvr=-5v,=1550nm0.900.95a/w-3dbm带宽bwri=502.00ghz电容ctvr=-5v,f=1mhz0.7pf4.4.2 前置放大器 由于pin光电二极管检测出的光电流十分的微弱，而放大器在放大的过程中也会引入新的噪声，这就要求前置放大器的噪声低，增益大，从而提高整个电路的信噪比。前置放大器有三种不同的连接方式：低阻抗连接，高阻抗连接，互阻抗连接6。虽然互阻抗连接电路设计比较复杂，但是它具有宽频带，低噪声，高灵敏度，大动态范围等优点，所以本文选用互阻抗连接设计前置放大器。4.4.3 光电检测器电路设计光电检测电路如图10。本文选用的运放为ad645，它是一个低噪声，高精度的fet放大器。由于它具有低的输入电流，低的电压漂移和低的噪声电压，使它通常使用在光电二极管应用的前置放大器中。由于输入光信号为0时,实际电路输出信号不一定为0v，所以要对放大器进行失调电压调整,通过在调零端子1脚和5脚之间接入一个电位器r3调整失调电压8。首先使将pin光电二极管取下，将输入端短接，这时输入信号为零，通过调整电位器r3，使电路输出端对地电压为零,此时可以将运放ad645产生的电压偏差调整到最小。由于减小了ad645的电压漂移，减小了系统误差，从而使接收机的准确度大大提高。图10 光电检测电路原理图输出电压的公式： （4-1）其中： =光电二极管输出电流； =光电二极管响应度； =反馈电阻的值； =入射到光电二极管表面的光功率。该运算放大器是运算放大电路的基础上在反馈电阻上并联一个电容构成一个反向输入一阶有源低通滤波器9。它具有低通滤波器的特征，可以滤除采集信号中的高频成分，并对有用信号进行放大，使输出信号更加稳定，精确。当光照射光电二极管时，会产生光电流，从pin光电二极管的n级流向p级，根据运算放大器虚断的原理，也会从电压输出脚6脚到运算放大器的2脚产生一个反馈电流，不计电容，可以算出输出电压与的关系： （4-2）带上电容进行计算，就可以把运算放大器看成一个一阶有源低通滤波器。那么输出电压与有如下关系： （4-3）将上式化简可得： （4-4）由于，带入公式（4-4）中，得： （4-5）由公式（4-5）可知，该有源一阶低通滤波器的截止频率 （4-6）然而由于运放内部本身有电容影响，根据ad645的运放资料可知它的实际截止频率应为26hz，如图11。图11 ad645实际截止频率图12描绘了ad645前置放大电路有滤波器和没有滤波器的电压噪声谱密度的变化。in是运放p极噪声，en是运放n极噪声，is和if是光电二极管光电流和运放反馈电流的噪声。图12 ad645前置放大电路有滤波器和没有滤波器的电压噪声频谱密度的变化4.4.4 接收机的动态范围 光接收机的动态范围是在保证系统的误码率指标要求下，光接收机最小输入光功率pmin和最大允许光功率pmax的变化范围，一般在工程上用二者（dbm描述）之差来表示1。由于运放ad645提供的工作电压为15v，由此可知当运放的输出端电压为15v时，输出电压达到饱和，此时对应了接收机的最大允许光功率pmax。根据公式（4-1）可得，pin光电二极管的输入光功率 （4-7）计算得，最大允许光功率为1.58nw。将它转换为分贝毫瓦得-58dbm。最小输入光功率指的是输入的光功率与噪声相当，小于这个值将无法分辨出来而视作噪声处理，这个临界值叫做最小输入光功率。要想得到最小输入光功率，就要对噪声电压进行测量。噪声测量的方法有两种，一种是电压表测量，一种是示波器测量。由于示波器频谱范围宽，灵敏度高，能显示微弱的噪声信号，所以本文选用示波器测量接收机的噪声。“测量时，将被测信号通过ac耦合方式送入示波器的垂直通道，调整垂直灵敏度和扫描速度，得到一条水平移动的亮线，这条亮线垂直方向的长度乘以示波器的垂直灵敏度就是被测噪声电压的峰-峰值”3。将测量的噪声电压带入公式（4-7）中，即可得出该接收机的最小输入光功率pmin。光接收机最大允许光功率pmax和最小输入光功率pmin换成对数形式相减，就是该接收机的动态范围。假设该接收机的最小输入光功率为-80dbm,可以得出该接收机的动态范围为22db。5 虚拟仪器设计5.1 虚拟仪器简介虚拟仪器是在计算机平台的基础上，嵌入一个数据采集卡，再配备相应的软件就构成了一个完整的虚拟仪器系统。数据采集卡充当了信号接口及数据采集的功能。当信号通过数据采集卡时，就将模拟的信号转变成为数字信号，以便就计算机处理。虚拟仪器软件有很多种，我使用的是ni公司的labview软件。它采用了图形化的编程语言，内置了各种功能的函数及控件，极大地简化了工程人员的设计时间，缩短研发周期。labview软件的设计包括虚拟仪器前面板的设计和虚拟仪器流程图的设计。“前面板是用户界面，由输入、输出控制和显示三部分构成，它模拟真实仪器的前面板，流程图是图形化的源代码，是虚拟仪器测试功能软件的图形化表述”10。通过虚拟仪器程序设计，可以实现对采集信号的处理和分析，得到我们想要的数据。这也体现了虚拟仪器的灵活性，通过设计不同的虚拟仪器程序就可以得到各种数据，而不用更改硬件资源。本文设计光时域反射仪的数据采集模块，信号处理模块，图形显示模块就是通过虚拟仪器来完成的。5.2 虚拟仪器的数据采集卡本文使用的数据采集卡是ni usb-6009数据采集卡。它的输入分辨率是14位，最大的采样频率是48ks/s。根据奈奎斯特定理，奈奎斯特频率为离散信号系统采样频率的一半，即24khz。如果信号频率低于奈奎斯特频率，那么采样的信号可以完整的恢复成原始信号，如果信号频率高于奈奎斯特频率，那么就会出现混叠现象，导致恢复出的原始信号失真10。虽然该采集卡的采样点数比较低，但对于验证性实验还是足够的。ni usb-6009数据采集卡模拟信号端子的2端口（ai0）和1端口（gnd）接光电检测电路的ni_1脚和地。ni usb-6009数据采集卡数字信号端子的17端口（p0.0）和32端口（gnd）接单片机control脚和信号地，当control脚发出一个启动信号到虚拟仪器的数据采集卡时，虚拟仪器开始工作，记录此时的光功率和对应的时间，从而绘制出光纤的属性图，当control脚发出停止电平时，虚拟仪器停止工作。5.3 虚拟仪器程序设计5.3.1 数字滤波器设计由于采集到的信号比较微弱，相对来说，噪声电平就比较大，所以需要用数字滤波器来对采集到的数字信号进行滤波。数字滤波器有两种，一种是巴特沃斯滤波器，一种是切比雪夫滤波器。由于巴特沃斯低通滤波器的幅度响应在通带内具有最平坦的特性，且在通带和阻带内幅度特性是单调变化的11，所以本文选用数字巴特沃斯滤波器对信号进行滤波。巴特沃斯滤波器的程序设计如图13。其中0指的是滤波器的类型为低通滤波器，48000指的是滤波器的采样频率为48ks/s。26指的是低通滤波器的截止频率。4指的是巴特沃斯滤波器的阶数为4阶。图13 巴特沃斯滤波器的程序设计5.3.2 公式节点由于虚拟仪器数据采集卡采集的是电压信号，还应该将电压信号转换为光功率。这就要用到虚拟仪器的公式节点法。在公式节点框图边设置输入变量，输出变量，在框图中输入输出变量与输入变量的关系式，就可以得出光功率。根据公式（4-1）可得光功率。 （5-1）然后在对光功率取对数，减去最小输入光功率-80dbm,就可以确定该点的光功率对应纵坐标的值。 （5-2）为了避免重复使用公式节点框，可以直接在公式节点框中输入纵坐标的值与输入电压的关系式。公式节点框如图14。图14 公式节点框在输入公式时应注意，公式中每一个变量都应该与输入变量或输出变量相对应，乘方用“*”表示，以10为底的对数用函数log（）表示。输入完公式，应在公式后面输入分号。此时，就将采集的电压信号转换成纵坐标的值供波形图显示。由于采集的信号是数组数据，如果要对数组数据进行信号处理，那么就要加上for语句，然后在数据输入输出端口改成隧道输入输出形式，那么就可以对数组数据进行处理。48指的是每次采集的数据有48个采样点。5.3.3 数据捆绑在虚拟仪器中，波形都是以数字波形的形式表达的。它是一个簇类型，包括了数字波形的起始时间to，时间间隔dt,波形数据y和属性。所以，单单输入一组纵坐标的数据时无法在波形图中显示波形。要想显示数据，必须用到数据捆绑。在数据捆绑最上面的一个框输入起始时间，中间一个框输入时间间隔，最下面一个框输入波形数据。时间间隔指的是每两个采样点之间的时间，也就是采样周期。 由于本论文是要显示光纤链路的属性图，所以横坐标不是时间，而是长度。那么在上面的一个框中应输入光纤的起始长度为0m。在中间一个框中应输入长度间隔，即每两个采样点之间对应的距离。这款数据采集卡的采样频率为48ks/s，那么它的采样周期为21us，即两个采样点之间相隔的时间为21us。由公式（3-7）可得，两采样点之间对应的距离为2.15km。在最下面一个方框中连接经公式节点框出来的纵坐标的值，此时，就得到一个波形数据。将波形数据输入到波形图中，就可以将光纤链路图显示出来。数据捆绑流程图如图15。图15 数据捆绑流程图5.3.4 属性节点当波形数据处理好后，就要将波形送入波形图进行显示。如果想对波形进行水平放大、垂直放大更仔细的观察光纤链路图，那么就要对波形图进行属性节点的设置。属性节点是虚拟仪器对控件属性设置的专用函数。通过它，可以用程序的方法去设置某一控件的属性，从而使控件在程序运行时可以自由的调整。在本文的程序中，我就使用了属性节点对波形图的属性进行设置，在程序运行时可以通过调节垂直放大和水平放大旋钮来改变波形图横轴和纵轴的量程，从而实现对光纤链路图放大和缩小。属性节点