（电路与系统专业论文）光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现.pdf

摘要 通过使用光网络性能监测仪对网络信道中心波长漂移、功率变化以及光信噪 比等参数的监测，可以得到光纤链路劣化情形以及设备运行状况的信息，达到网 络状态先期预警、故障定位等目的，目前作为新型网络监测设备光网络性能监测 仪还有许多亟待解决的问题需要研究。 本论文以上海市科委光科技重点项目“智能化光网络性能监测仪( o p m ) 研 究与开发”为背景，主要包括了作者完成的o p m 相关仪器化和智能化方面的研究 工作，具体内容有：完成了o p m 相关电路的设计和测试，包括光电信号转换及 前置放大电路、模数转换的数据采集运算电路等；进行了光信号滤波处理和光信 噪比计算等信号处理算法研究，提出采用d b 4 小波基对信号分解4 次的小波阈值 去噪方法，结合曲线拟合的非线性最小二乘法，获得了针对原始信号最佳去噪处 理的新算法，然后根据o p m 监测信号的特征定义了光信噪比( o s n r ) ，给出实 际测量时精确计算o s n r 的算法；通过l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程完成了 o p m 信号处理算法的仿真、编译与实现，并使用l a b v i e w 编写了o p m 用户显 示界面，结合基于删的通信接口电路，实现了o p m 的仪器化和智能化功能； 论文最后给出了o p m 系统的联合调试结果和数据。 关键词：光网络性能监测仪光信噪比谱分析小波阈值去噪l a b v i e w a b s t r a c t t h eo p f i c a ln e t w o r ko p e r a t o rc a l la c q u i r et h ed i r e c ti n f o r m a t i o n0 1 3 t h ed e t e r i o r a t e g r a d e so fo p f i c sf i b e r - l i n k sa n dp a s s i v eo ra c t i v ec o m p o n e n t s ，w h i c hi n e v i t a b l yh a p p e n d u r i n go p e r a t i n gf o ral o n gt i m e ，t h r o u g hm o n i t o r i n gs o m ec h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r s o fo p t i c a lc h a n n e ls i g n a l su s i n go p t i c a ln e t w o r kp e r f o r m a n c em o n i t o r , s u c ha sd r i f t i n g o fc e n t e rw a v e l e n g t h ，f l u c t u a t i n go fo p t i c a lp o w e ra n do p t i c a ls i g n a l t o - n o i s er a t i o ( o s n r ) ，a n dt h e ns o m ea v a i l a b l em e a s u r e sc a nb ea d o p tt op r o c e s sa l a r m i n g ，m a n a g e f a u l ta n df n ! 恤e rr e a l i z es e l f - h e a l i n gc a p a b i l i t yo fn e t w o r ki na d v a n c e a st h en e w n e t w o r ki n s t m m e n t ，t h e r ea r em a n yi s s u e sr e q u i r e dt oi n v e s t i g a t ea b o u to p t i c a l n e t w o r kp e r f o r m a n c em o n i t o r a so n ep a r to ft h ei t e mn a m e da s “r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go ns m a r to p t i c a l n e t w o r kp e r f o r m a n c em o n i t o r ( o p m ) s p o n s o r e db ys h a n g h a im u n i c i p a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o m m i s s i o no fc h i n a , t h i sd i s s e r t a t i o nr e l a t e st os o m ew o r k st h a tm a k e o p mm o r es m a r ta n di n s t r u m e n t a l ，t h e r e i n t o ，a u t h o rh a sd e v o t e dh e r s e l ft o a c c o m p l i s h i n gd e s i g n i n ga n dt e s t i n gt h eo p t i c a l - t o - e l e c t r i cc k c n i t p r e a m p l i f y i n g c i r c u i ta n dd a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) c i r c u i tw i t ha d c ；i n v e s t i g a t i n gs i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m si n c l u d i n gs i g n a lf i l t e r i n ga n do s n rc a l c u l a t i n g ，an e w m e t h o do f w a v e l e t t h r e s h o l dd e n o i s i n gt h a td e c o m p o s i n gt h eo r i g i n a ls i g n a lt o4l e v e l sw i t hd b 4w a v e l e t h a sb e e np r e s e n t e da n dt h ee x c e l l e n td e - n o i s i n ga l g o r i t h mh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g h m e n d i n go r i g i n a la l g o r i t h mu s i n gc u r v ef i t t i n go fn o n l i n e a rl e a s ts q u a r em e t h o d ，a f t e r f u l f i l l i n gt h e s en e wa l g o r i t h m s ，f i l t e r i n ge f f e c t sa r eo p t i m i z e dp e r f e c t l y , s u b s e q u e n t l y , d e f i n i n go s n ra c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd w d ms i g n a lm o n i t o r e db yo p m a n dp r e s e n t i n gt h ea c c u r a t em e t h o df o rc a l c u l a t i n go s n p ，t h e s ea l g o r i t h m sh a v eb e e n s i m u l a t e d ，c o m p i l e da n df u l f i l l e db a s e do nt h ei d e ao fm i x e dp r o g r a m m i n go f m a t l a ba n dl a b v i e w ；a l lt h e s i g n a lp m e e s s i n gf u n c t i o n so fo p mu s i n g l a b v l e wp r o g r a m sh a v eb e e nr e a l i z e da sw e l la sd e c e n tg u i ，c o m b i n i n gw i t ht h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i tb a s e do na r ms y s t e m ，t h u sa l lt h ei n s t r u m e n t a la n d s m a r tf u n c t i o n so fo p t i c a ln e t w o r kp e r f o r m a n c em o n i t o rh a v eb e e na c h i e v e d ；a tl a s t t h ed a t aa n dd e b u g g i n gr e s u l t so f o p ms y s t e mh a v eb e e np r e s e n t e d k e y w o r d ：o p m o s n r s p e c t r u ma n a l y s i s w a v e l e tt h r e s h o l dd e - n o i s i n g l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ( l a b v i e w ) 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名这：蔓竣e g q 垫z ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定。) 本学位论文属于保密，在年解密后使用本授权书。 日期：銎宜：! ! ! 竺 日期。7 ! ：堑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光网络性能监测技术综述 1 1 1 光网络性能监测技术的重要意义【1 1 2 1 光纤通信在我国已经获得了巨大的发展，光纤网络已形成规模，电信领域建 设成功7 g k 横八纵的网状国家一级干线和诸多环网结构的省内二级干线，联通、 移动、广电、吉通等也正建设或规划建设自己的一级干线和环网结构的二级干线。 网通已规划建设一个国家级的i po v e rd w d m 多环网络，覆盖包括北京、上海、 广州在内的1 5 个主要城市，总长度接近7 0 0 0 公里。目前，光纤通信网络作为信 息化社会的关键基础设施，承载着绝大部分的信息传输任务，成为了整个社会的 神经网络系统，光通信系统的运行故障会对国民经济、国家安全、人民生活造成 重大损失，因此，维护网络的安全，对网络的运行状态实施监控是一件十分重要、 急需加强的工作。 在密集型波分复用( d w d m ) 光通信网络中，随着光纤中所复用的多波长信 道数不断增加、信道波长间隔不断减小、光信号总体频谱宽度继续变宽、单信道 传输速率继续上升，增强了光网路的数据传输能力，但也对网络性能测试和监控 技术提出了新的挑战。另外光通信网络中的光缆、光器件、光设备使用年限的增 加，其性能将不可避免逐渐劣化，网络的故障隐患不断增大，维护网络的安全运 行将成为一件十分繁重而又高成本的工作。 早期人们主要采用简单的光时域反射计( o ) r ) 或采用专用监控波长通道、 光功率监测等方法监控光纤的通断、线路的传输损耗，这些都无法监测每个波长 通道和各个设备的实际运行状态，无法对光器件、光设备的参数劣化、故障隐患 进行监测以及定位，对存在故障的设备进行隔离，更无法真正监测光网络多波长 光信号的传输性能变化。为了管理复杂的d w d m 网络，运营商必须能监测每个 波长的行为，通过对光信号中心波长飘移、功率变化与信噪比等参数的监测，可 得知线路劣化情形，达到先期预警、故障定位、即时故障恢复、自愈保护等功能。 于是后来人们采用类似于数字通信网络中对所传送的数字信号进行误码率( b e r ) 监测的方法来监测网络状态，这种方法对于d w d m 系统而言要求处理的信息量 相当大，必须对d w d m 光信号解复用为单一波长信号，监测过于复杂，且耗费 时间，设备价格也太昂贵，更重要的是它无法直接给出所监测信道变化的根源， 特别是对光层的性能判断。直接采用光谱仪对光信号进行监测，成本太高，反应 速度慢，也缺乏智能性。 2 光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现 为了快速、精确、有效地监测d w d m 光通信网络，采用光网络性能监测仪 对光网络光层性能的监测与实时分析是很好的选择。针对d w d m 光信号的特点， 在网络的光节点中设置o p m ，对多波长信道中的光波频谱特性、功率特性和光信 号噪声特性进行实时的监测，分析线路中传输光信号的传输质量，达到对光层性 能监测的目的，从而完成d w d m 网络的实时监控，以及基于光功率或者o s n r 的远程增益均衡、传送激光波长锁定、实时系统错误警告和报警、e d f a 增益平 衡等。从图1 1 可知，在光网络的每个节点、每个放大器均可设置一个o p m 来监 测其运行情况。 图1 1d w d m 光通信网中o p m 的应用情况 经历了2 0 0 1 年高科技市场泡沫，光通信市场正在走向理智和稳健的发展，伴 随着城域网和接入网需求的扩大，市场在逐渐恢复中。由于整个光通信技术正在 不断发展，人们对通信带宽的需求量会随着通信成本的下降与社会进一步发展而 不断上升，可以说，光通信网络的总体发展空间非常巨大。目前大部分光通信网 络缺乏监控功能，其原因是原有网络智能化水平低、光性能监控设备价格昂贵， 特别是光可调滤波器价格昂贵，基于此技术的o p m 成本居高不下。因此，为适 应网络智能化，提高网络的运行质量，减少网络故障及故障损失，需要大力发展 通信网络监控与管理设备，高性能、低成本的o p m 设备是市场急需的产品。o p m 作为光通信网络智能化的关键设备之一，将大量应用于现有网络的智能化改造和 新建的光通信网络中。市场预测表明，2 0 0 5 年o p m 全球市场达到了7 9 亿美元， 市场需求巨大。 1 1 2 光网络性能监测技术的发展【3 】 4 1 基于d w d m 技术的光传送网构成了整个通信网络的基础物理层，为了满足 d w d m 技术的应用和升级，能够进行在线监测的光通道性能模块的光网络性能 第一章绪论 监测技术成为人们研究的热点。 目前，市场上已有o p m 产品，仅限于美国、日本、加拿大等国家的大公司 产品，结构和功能还相对简单和单一。根据结构形式划分，o p m 有内嵌式 ( e m b e d d e d ) 的和外接式( e x t e r n a lo rs t a n d - a l o n e ) 两种。内嵌式o p m 通常集成 在采用光分插复用光交叉连接( 0 创) m o x c ) 和光放大器等网络节点的模块中， 在设计系统的电接口时必须考虑与现有系统匹配，工作温度通常在0 0 c - 7 0 0 c 、湿 度在5 * * - , 9 5 的范围内。主要用作放大器动态增益均衡和波长标记，波长数、中 心波长等监测。除了检测a s e 噪声，将o p m 和放大器集成可以向放大器提供必 须的反馈信息，从而动态地维持平坦的放大器增益曲线。o p m 通过o a d m o x c 与光网络相连，由于o a d m o x c 的功能就是改变某一网段内信道的数量以及实 现信道间的路由，因此在连接有o a d m o x c 的位置，通道功率可能会出现很大 的变化。除了监测器件的退化，为了维持恒定的功率水平，在使用o p m 时必须 搭配可变光衰减器。内嵌式o p m 实际表现为是一个功能模块，具有体积小、成 本低、反应速度快、可即插即用以及可实现在线监测等特点，但由于技术和本身 结构的限制，功能相对薄弱，测量参数相对较少，主要产品有：d i 酉t a ll i g h t w a v e 、 p r i i l c e t o nl i g h t w a v e 。 外接式o p m 应用主要针对网络故障定位和标准值漂移监测以及在波长灵活 配置的网络中为开通信道和发现拓扑提供数据。该类型o p m 具有相对独立和全 面的功能，较之内嵌式结构具有更强的性能，测试参数更加全面，但成本要高许 多。要实现外接式测量，o p m 自身应当能够提供满足如下标准的光功率，即单信 道光功率的取值在0 。6 0 d b m 之间，并且能够改变测试光束的偏振态，该性能使 得o p m 可以对网络中的所有临界点进行测量，主要产品有：b a y s p e c 、e x f o 、 j d s u 、a d v a n t e s t 。 从功能上看，早期初级产品仅限于单信道光功率监测，亦称为光信道监测器 ( o c m ，o p t i c a lc h a n n e lm o n i t o r i n g ) ，提供了简化的本地监测解决方案。这种成 本较低的替代方案可以适应某些特殊应用的要求，例如监测基于微机电系统 ( m e m s ，m i c r o - e l e c t r o n i c - m e c h a n i c s y s t e m ) 技术的光开关。进行通信网络光层 信号性能监测的o p m ，既可以实现各信道功率、中心波长、光信噪比和信道数的 检测和监控，亦可分析出信道波长的漂移、放大增益、增益倾斜、q 因子等性能 参数；更进一步结合网络监测功能的需要，已有人将光性能监测功能与信号时域 特性监测、协议数据监测集成，开发更为强大的光网络监测设备，当然其价格也 昂贵得多。 目前，人们主要采用光可调滤波器或光分波器等光色散技术，进行o p m 的 研发。采用光分波器所研制的o p m ，一定程度上可以利用现有的各种光分波器件， 如阵列波导光栅等，但由于各信道光谱的滤波特性固定，所以无法分辨中心波长 4 光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现 的漂移与光功率性能变化因素。采用光可调滤波器技术，可以对d w d m 多波长 光信号进行频谱扫描与数据分析，快速完整地获得信号的频谱特性、光功率值和 光信噪比等值，从而实现对光网络的性能监控。因此，光可调滤波器技术是当前 国外公司高性能o p m 所采用的主要频谱分析技术。但现在的光可调滤波器技术 依然不够完善，达到很高的光谱分辨本领和较大调谐范围还很困难，已有器件性 能不够可靠，价格昂贵，只有很少厂商能提供器件。可见，对o p m 的研究仍有 待技术上的突破。在国内，单一的光功率计生产厂家还是比较多的，虽然也有一 些科研机构正在开始进行这方面的工作，但对光网络性能监测设备进行开发的公 司还相对比较少。 1 2 光网络性能监测仪的技术指标 o p m 应该既可以用在城域网中又可以用在长途骨干网中，并且最好适用于三 个通信波段( s 、ca n dlb a n d ) 即适用于1 2 8 0 1 6 2 0 n m 的波长范围，这些波段 可以传输成百上千个独立的信道，要对这么多波长进行三种基础测量并根据测量 结果推导出大量的参数值，必须靠软件来实现。同时网管软件可以协调整个网络 的性能，因为o p m 输出的数据是多次测量的平均结果，因此最适合用来监测网 络中相对缓慢的变化。图1 2 给出了d w d m 系统中0 p m 需要监测的相关参数。 d 、= v i ) ms y s t e m t r s n s m i t t e r 4 0 g b p sr e c e i v e r 蓍：驿一 c 磊，躏蝥讲州、点；二! 。一 粼“ w d m m o i l l l l q rw d m m 州t o t 图1 2 光网络中o p m 监测的相关参数 通常o p m 从网络中抽取出少量( 2 巧) 功率的d w d m 信号，根据波长 将传输信号进行解复用，直接测量出每一信道波长的光功率、中心波长和光信噪 比，并根据测试结果推导出许多参数，包括信道波长漂移、a s e 噪声、放大器的 增益和增益偏斜以及信道信号的q 值，然后借助上述参数以及其他类似参数就可 以实现功率均衡、波长锁定、长期监测以及故障识别等功能。 第一章绪论 由于o p m 直接对物理层监测，所需要的o p m 技术依赖于网络物理层的设计， 而且不同的o p m 参数需要不同的监测技术。根据o p m 监测性能参数的常用指标 以及项目任务书的要求，下面列出了本论文所要讨论的o p m 监测技术指标： 工作波段：o p m 可以工作的波长范围，在此为：1 5 3 0 1 5 6 2 n m 信道光功率( c h a n n e lp o w e r ) ： 每个信道的光功率必须准确测量，这样才能知道系统中各信道是否正常工作， 反映光信号强弱大小的值即为信道光功率。 信道波长( c h a n n e lw a v e l e n g t h ) ： 信道波长包括信道中心波长、峰值波长、中心偏移波长三个参数。d w d m 系 统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各个 信道的波长不同，而且对中心频率偏移有严格的规定。 信道中心波长是d w d m 系统的一个重要测量参数。其定义为在该参考点测 得的光信号的实际中心波长，在多个参考点都需要逐信道测试。 信道中心波长偏移定义为信道实际的中一t l , 波长与信道中心波长标称值的差 值。如对于信道间隔为5 0 g h z 的d w d m 系统而言，每个信道的波长偏移应不超 过士0 0 5 n m 。相邻两个信道如果波长偏移过大，就会造成信道间串扰过大，即一 个信道的脉冲边带串到另一个信道的脉冲边带上，使被串扰信道的信号光特性和 功率发生变化，造成系统o s n r 下降，产生误码，影响传输特性。 峰值波长与中心波长的意义不同，峰值波长定义为测试中输入和输出之间损 耗最小的波长。而中心波长则是一个波段边缘的平均值。波段边缘就是低于中心 波长功率l d b 处对应的波长点。本项目主要考察信道的中心波长。 光信噪比( o s n r ) ： 光放大器是d w d m 系统的重要组成部分，但是伴随放大信号也存在有a s e 噪声，即a s e 噪声是叠加在信号之上的。因此单纯测量每个信道信号的光功率并 不能完全反映系统的工作情况。而且由于系统本身的光信号相对较弱，对弱光进 行检测的时候，a s e 噪声对光谱信号的影响会很大。仅仅用光功率不能反映系统 的真实测量情况，所以在d w d m 系统中就产生了o s n r 的概念。 每信道信号的o s n r 定义为相应信道内信号功率与噪声功率比值，即 o s n r = s n 。s 与n 均在有效带宽内测量，然后折算成有效带宽o 3 n m 内光信号 功率和噪声功率的比值。光功率一般是以光学系统的滤波器带宽为光学参考带宽 而测得的信号总功率，噪声功率则取两相邻信道中间位置功率的平均值。o s n r 是一个重要的参数，对估算和测量系统的误码性能，进行工程设计和维护有着十 分重要的意义。不同信道的光功率水平和噪声水平都不同，故o s n r 的比值也会 不同，因此o s n r 需要逐个信道进行测试。 波长预警值分辨率： 6 光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现 待测光信号中心波长与1 1 1 j - t 的标准波长进行对比，相应波长与标准波长的 误差值上限为5 0 p m ，若超出5 0 p r o ，则o p m 不能分辨该波长的频段范围了，即 超出预警值的分辨率，那么系统会发出预警信息。 功率预警值分辨率： 光信号功率没有统一的标准，用户可自定义其测量的光功率水平，我们以此 为标准。当d w d m 信号不正常工作时，其功率值发生变化，与标准值的相对值 不能超过o 1 d b ，否则o p m 显示预警，也就是功率预警值的分辨率为0 1 d b 。 光信噪比预警值分辨率： 同上面的标准，我们取该标准的功率水平作为信号的功率值，测得噪声功率 水平之后便可计算光信噪比了，以此作为标准的光信噪比值，一旦噪声的影响很 大，测量值与标准值的相对值超过o 2 d b ，o p m 发出预警信息，即光信噪比预警 值分辨率为o 2 d b 。 1 3 光网络性能监测仪的工作原理以及实现目标 1 3 1o p m 工作原理框图 。+ 。 。 图1 3 0 p m 工作原理图 光路中的f b g l 、f b g 2 和l e d 宽带光源耦合产生两个参考基准波长，参考 波长和d w d m 信号耦合用来接入待测信号并校准波长非线性。由于不同波长的 光信号在空间上是叠加在一起的，因此用o p t i c a ls c a n n e r 结合全息闪耀光栅将不 同波长在空间上分开来，以便分析不同信道对应的波长信号参数变化状况，从而 监测d w d m 信号的性能。光学系统出来的信号通过光纤接入电路中，经由光电 第一章绪论 7 转换电路将光功率信号变成电流信号，然后再由对数放大电路实现电流电压变换 并且将电压信号放大到和后续采集电路匹配的电压范围之内。a d 采集电路将模 拟量变为数字量送入d s p 进行处理，完成一系列的数学运算之后，保存电路的原 始数据，与a r m 系统的通信接口电路传输数据，然后送入p c 机的动态链接库中， 以便l a b v i e w 调用从而完成信号处理的算法编译，最终将实现整个o p m 系统光 功率与中心波长关系曲线的动态实时显示以及在表格中显示待测信号波长、功率、 a s e 噪声、光信噪比、波长预警值、功率预警值、光信噪比预警值等参数的定量 描述值。 1 3 2o p m 最终实现目标 1 ) 作为网络监控仪器，o p m 既可以用在城域网中又可以用在长途骨干网中， 适用于1 5 3 0 1 5 6 2 n m 的波长范围，这些波段可以传输成4 0 个独立的信道； 2 ) o p m 既可以独立的作为终端仪器供运营商调用和查阅数据，也可以作为 节点监测终端，通过通信接口电路向服务器实时报告链路运行状况； 3 ) 运营商可设置2 级的波长预警值、功率预警值、光信噪比预警值，即o p m 所监测的d w d m 信号参数在正常工作时显示安全模式，超过预警值时发出相应 的预警信号： 4 ) o p m 监测d w d m 网络所得的数据送入服务器中，运营商可以通过以太 网访问服务器的网站，远程监控光网络各参数的动态变化过程，从而及时反馈网 络运行的状态信息。 1 4 本论文的研究内容和结构 本论文是基于上海市科学技术委员会光技术专项资助项目“智能化光网络性 能监测仪的研究与开发”展开的，整个项目设计由两部分组成，其中作为核心的光 学系统由其他相关人员完成，作者为主要参与者之一从事了作为项目关键部分的 电路和信号处理部分研发设计工作，因此本文主要讨论了光网络性能监测仪电路 设计及信号处理等方面的内容。 本论文共分为六章，主要内容结构如下： 第一章作为论文的绪论部分，综述了光网络性能监测技术的意义及其国内外 发展现状，详细说明了o p m 系统的工作原理，给出了o p m 可测量的性能参数及 其含义，最后阐述了o p m 最终实现目标。 第二章给出了o p m 电路部分设计的原理和结构，明确了相关电路的设计思 想，主要包括光电转换及前置对数放大电路、a d c 数据采集运算电路和通信接口 电路。 光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现 第三章研究了o p m 相关的光谱信号处理算法，给出了算法仿真结果，然后 使用该算法处理了o p m 获得的真实数据，并实现了功率与波长显示关系的要求。 最后展开了计算o p m 系统重要参数o s n r 的讨论，根据o s n r 的标准定义，研 究其算法的思路。 第四章阐述了光谱信号处理算法的软件实现和o p m 图形显示界面的要求以 及设计依据，最终实现了o p m 仪器化功能的要求。 第五章结合光学部分的组件和相关设计电路以及信号处理程序，实现了 o p m 系统的联合调试，根据项目要求对o p m 进行了最终测试，获得了理想的结 果，达到了项目预期的结果。 第六章总结全文，对下一步的研究工作进行展望。 第二章光网络性能监测仪电路设计与调试9 第二章光网络性能监测仪电路设计与调试 2 1 光网络性能监测仪电路设计总体结构 光网络性能监测仪主要由光学部分和电路部分构成整个仪器的系统，信号监 测过程通常将光纤链路下载的光信号经过光电转化变成电信号，通过较为成熟的 电路技术对电信号进行模数转换以及数据采集变为计算机可以识别的数字信号， 再经由数字信号处理的系统算法，对电信号进行处理、分析，实现信号的动态特 征显示，与此同时也完成相关的电路控制功能。如果说光学部分是光网络性能监 测仪核心部分的话，电路以及数字信号处理则是其关键部分，本节主要研究了电 路设计和调试部分的工作。 光网络性能监测仪电路可分为以下几个模块： 1 光电转换与放大电路：该部分主要由光电二极管，前置对数放大器构成， 其主要功能是将光纤链路上下载的2 5 的光信号转化为电信号并经过相应 放大器输出以供后续电路模块处理。由于光纤链路下载的光信号功率比较微弱， 通常小于- 3 0 d b m ，最小可达到一6 0 d b m ，因此必须有相应放大电路的处理，以便 于检测并匹配a d 采样电压；其次，这里之所以采用对数放大器，目的在于增大 可测信号的动态范围，并且保持相当的测量精度，同时宽动态范围经过压缩之后 能够降低测量系统的分辨率，即对a d 采集卡精度要求变低，便节省了成本。 2 a d c 数据采集运算电路：用于实现模拟信号到数字信号的转化，以便后续 电路及算法处理。该部分电路基于两种方案，分别采用美国n i 公司的m 系列数 据采集卡p c i 6 2 1 5 和1 r i 公司的浮点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 p g e 1 5 0 。p c i 6 2 1 5 数据采集卡主要方便电路设计初期的测试中，用来调试光电转换及前置放大电路 性能；d s p 数据采集运算电路主要是为了满足o p m 系统采集速率和实时处理能 力的要求，并且为通信接口电路获取原始数据提供了相应的双口r a m 缓冲区， 从而保证o p m 与用户终端之间的高速数据通信。 3 基于a r m 系统的通信接口电路：o p m 是一种网络监测设备，不仅需要能 够作为独立测试仪器对本地网络节点进行监测，而且要求在远离终端的服务器亦 可获取网络运行状态监测状况的性能参数，因此要由连接测试仪器与用户服务器 互动的通信接口电路来实现，该部分电路不仅要保证测试仪器能够向用户终端传 送有关光网络性能相关的数据以及预警状态，而且要使得用户便于控制和操作 o p m 运行状态。 l o光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现 2 2 光电转换放大电路设计与调试 光网络性能监测仪光电接收系统可分为三种，即目视接收系统、摄谱接收系 统和光电接收系统。 目视接收系统由于其主观性很强、灵敏度在可见区的边缘( 紫光和红光) 下 降很快、不能记录也很难定量等缺点【2 1 l ，该方法不适用于光网络性能监测仪。摄 谱接收系统可以克服以上目视接收系统的主要缺点，是一种较为客观的记录方法， 其记录质量主要决定于感光材料的性能，但这种接收系统结构较为复杂操作也不 方便，不利于光谱信号的实时处理与分析。 光电接收系统的测量光谱范围最宽，可适用于整个光学光谱区域，相对于以 上两种方法具有精度高和速度快等优点，从而得到了广泛的应用，其另一个重要 优点是使用方便、效率高。对于获取的电信号可经过量化处理输入计算机，进行 相应的信号处理与分析，从而大大提高分析的速度和效率，改善系统性能，提高 光谱分辨率。 在光电接收法中现在最常用的是光电阵列探测器和光电二极管两种光电转换 器件。光电阵列探测器的特点是可以快速、并行的一次性获取整段带宽内的光谱 信号，因此不需要光学部分有可动部件，从而降低了电路控制的复杂性，但是价 格比较昂贵，并且由于技术的限制，无法达到更高的光学分辨率。而光电二极管 从满足技术指标要求及系统设计可行性的角度来讲，可以很好的完成光网络性能 监测仪的目标测量功能，其结构简单，成本低，结合精密控制的可调谐分光元件 能够获得很高的光学分辨率，这对于光信道间距日益见效的d w d m 光网络系统 而言是至关重要的，因此在本系统中采用光电二极管探测器( p i n 管) 作为光电 转换电路的核心器件。 为了适应被监测信号功率6 0 d b 的动态范围以及6 0 d b m 的最小信号功率等特 点，就需要对p i n 管的相关参数提出要求，即器件光电转换效率或者响应度要尽 可能的高，暗电流或者等效噪声功率( n e p ) 要小。根据整体电路设计估算结果， 本电路中要求的p i n 管响应度范围是o 9 o 9 5 ，n e p 足够小，因为理论上当光信 号很微弱或者接近于零时，p i n 管可探测到的电流信号很微弱以至于接近p i n 本 身产生的暗电流，如果光信号继续减小，p i n 就无法获得电路的输出信号。通常 情况下，电路上必须考虑由此引起的误差并采取措旌进行校正，在对数放大电路 中将会讨论如何消除这种影响。值得注意的是，当光信号较强时，这种影响就很 小了。基于上述考虑我们选用了日本滨松公司g 8 3 7 6 0 3 型i n g a a sp i n 管，其样 品如图2 1 所示，相关技术指标参见表2 1 。 第二章光网络性能监测仪电路设计与调试 l i 图2 1 p i n 管实物图 a d a v e b m r e , 岫r s e o p e m u n os t o r a g e t y p 6 n o w i n d e w “目由喇 融d 即 v o l t a g et e m p e m t u r ek m p e r a t u r e v r t o p r t s l g m m )( v lr c )【) 蟊8 3 7 6 - 0 1 b o r o s l l 盹a t eg l a s s 0 4 g 8 3 7 6 - 0 2w n ha n l i - r e f l e c t i v e t o - 1 8 0 8 2 00 0 t o + 8 85 6 t o - 1 2 5 g 8 3 7 6 - 0 3c o a t i n g ( o p t i m i z e d3 舶3 7 6 - 蛹 f o r 5 5u mp e a 财 5 s 删 p e a i d 甜t c u t - o f f r e d f 。 $ e 峙1 6 v “ p 怕t o 1 q u e n c yc 4 p l 口1 2 n c 0 s h u n t w a v e l e n g t h 8 e n s i 帅 f ca r e s i s t a n c ed s n 即 1 y 呻n o r a n g es v r = 2 v v r = 5 v r 8 h x = x p k 岫 v r ：5 vv r = 1 0 m v 甩= 5 0 ni ；1 m h z f u m lf u m )洲糯 t y pm a t- 3d b f r i a lf n a ) ( m h 函 f d f )f m n l ( c mh z + 锄 w ，h z q g 8 3 7 6 - 0 1 i 00 60 3 3 0 0 0 051 0 0 0 02 1 1 0 1 5 g 8 3 7 6 0 2 o9 b 1 7 1 5 5o9109 5 00 80 42 0 0 0b 0 0 02x 1 0 1 3 g 8 3 7 6 。3 l 0 315 4 0 0 +519 0 0 5x 1 0 , 2 4x 1 0 f 8 g 8 3 7 6 - 0 50 525 2 0 0 1 23 0 08x 1 0 1 j 表2 1p i n 管性能参数 由于p i n 管输出的电流信号小，并且需要经过a d c 进行后续处理，因此在 数据采集之前，需要设计合理的前置放大器将微小电流信号放大的同时实现电流 信号向电压信号的转换。对数放大器具有优良的直流精度和非常宽的动态范围， 其特点是在低电平输入情况下，即使输入信号的微小变化也会对输出电压产生明 显的影响，适用于直流或低频信号的功率测量。为克服普通低噪声放大电路动态 范围小的缺陷，在本项目中设计了专用的宽带低噪声对数放大电路，可对信号实 施对数压缩的非线性放大，能使信号动态范围更宽，信号层次更加丰富。 以下就对数放大电路中的关键器件- - a d 8 3 0 4 对数放大器以及设计思想作以 介绍： a d 8 3 0 4 是一款单片集成电路的对数放大器，是应用于光纤通信系统中低频 信号功率测量的最佳选择【1 1 1 。实际工作中，a d 8 3 0 4 将来自于光电二极管的电流 转换为电压信号，并且把微弱电压信号放大。它采用先进的跨导线性技术，使得 1 2光网络性能监测仪电路设计及信号处理研究与实现 动态范围高达1 2 0 d b ，可测电流1 0 0 p a 1 0 m a 。大多数的应用中，都采用+ 5 v 的单电源供电模式，在某些特殊场合，也会用负电源来降低测量误差。 如图2 2 所示，当电路中输入光信号，p i n 管可探测到的电流i p d 流入n p n 管的集电极，并连接到反馈回路低偏置j f e t 放大器正输入端。v s l 。向n p n 管提 供集电极和发射极的偏置电压，保护i p d 电流从而补偿p i n 管低温下响应度降低 的趋势，一般。取o 5 v 。b a i s 模块用以减小低水平光信号输出的暗电流。默 认对数放大器斜率是2 0 0 m v d e c a d e ，基本的对数截距是1 0 0 p a 。v i 。输出端有一 5 k g 的激光修调电阻( 注释：对一些电阻特别是薄膜电阻，阻值偏小时可以用激 光调整) ，它允许减小斜率，通过在芯片外部连接相应的分流电阻。缓冲放大器通 过在外围电路接一对反馈电阻可增加斜率。另外，v t 。加一个电容可构成简单的 低通滤波器，以减小低输入电流下的噪声。用来调整斜率，以适应不同情况 下p i n 管电流的测量范围。 v f 拜 v l 目聃 a y 陆a o 【瑚w 1 1 1 图2 2 对数放大器a d 8 3 0 4 原理图 a d 8 3 0 4 输入光电流与输出电压的对应关系如图2 3 所示。其输出电压与输 入电流对应关系为： r 口= 巧l o g _ 1 p d ( 2 - 1 ) z 其中v v 称为斜率电压，其默认斜率值为2 0 0 m v d e e a d e 。i p d 是p i n 管输出电流。 i z 是截距电流，默认值为1 0 0 p a 。上文已提及，p i n 管的实际响应度一般是o 9 o 9 5 ，则输入的光功率p 赫和实际p i n 管探测到的电流值i 。有一一对应的关系： ipd=ppo(2-2) 其中p 为p i n 管的响应度。 同理可得： 乞= p 芝 ( 2 - 3 ) 第二章光网络性能监测仪电路设计与调试 1 3 p z 为截距功率，默认值为1l o p w 。 将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 分别带入式( 2 1 ) 有： d ，r = 巧l o g 等 【t：嚣峨一1al 一。 ，鼻 善” “ “”4 m 老- a 脚脚“| p i j r ( 2 - 4 ) 图2 3 对数放大电路输入腧出关系 a d 8 3 0 4 动态范围是1 2 0 d b ，这对应予电学上2 0 l o g ( ) 所定义的分贝值。光学 上定义的功率分贝值为1 0 l o g ( ) ，所以a d 8 3 0 4 能够测量的光功率对应范围是 8 0 d b ，器件可应用的光功率水平是8 0 d b m 0 d b m 。当输入光信号为7 0 d b m ，即 光功率为1 0 0 p w 时，假设p i n 管的响应度为理想值1 a w ，此时i p d 为1 0 0 p a ， 由式( 2 1 ) 可得，v & 。输出最大为0 v 。但由于受到很多杂序或者电源地噪声干 扰的影响，实际v 。输出并不是零，一般都大于零。为了消除这种干扰，可以使 得电路在7 0 d b m 输入的光功率下对应v 矗。最大为2 0 0 m v ，抬高输出电压值，从 而剔除杂序的影响。 a d 8 3 0 4 满量程1 6 0 d b 时输出的电压值为1 6 v 。若要使得7 0 d b