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1、 學 號： 題目類型： 論文 (設(shè)計、論文、報告) 桂林理工大學 GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 本科畢

2、業(yè)設(shè)計(論文) 題目： 智能化光時域反射儀的設(shè)計研究 （本論文版權(quán)為學校所有，若要引用，請注明出處 ） 學 院： 信息科學與工程學院 專業(yè)(方向)： 信息檢測 班 級： 電信08-3班 學 生： 屠晨晨

3、 指導教師： 陸綺榮 2012 年 5月 14日 桂林理工大學本科畢業(yè)設(shè)計論文 摘 要 光纖通信是以光波作載波以光纖為傳輸媒介的通信方式。光纖通信有傳輸頻寬，通信容量大，傳輸距離遠，損耗小，抗電磁干擾能力強等優(yōu)點而成為現(xiàn)代主要的通信方式之一。隨著光纖通信的迅猛發(fā)展，光纖測試技術(shù)也成為光纖通信中很重要的一項技術(shù)。其中光時域反射儀是光纖測試領(lǐng)域使用頻率很多的一塊儀表，由于它可以測量光纖的長度，光纖的鏈路衰減以及故障點的準確定位，具有測試時間短，速度快，準確度高等優(yōu)點而廣泛的使用于光纜線路的施工和維護中。然而現(xiàn)

4、在的光時域反射儀都是專用儀表，價格昂貴，功能單一，擴展性差。利用虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決這些問題。 本文采用虛擬儀器技術(shù)對光時域反射儀進行設(shè)計研究。研究的內(nèi)容有：光時域反射儀工作原理，硬件電路設(shè)計，虛擬儀器程序設(shè)計，瑞利散射，菲涅爾反射以及光在光纖中傳輸時產(chǎn)生的背向散射光來獲取衰減信息的基本原理。通過設(shè)計研究得出結(jié)論：基于虛擬儀器技術(shù)的光時域反射儀的精度可以達到很高，滿足光纖通信系統(tǒng)的測試。另外，由于虛擬儀器技術(shù)基于計算機平臺，可以很方便的擴展各種功能，可以實現(xiàn)采集信息的處理、存儲以及網(wǎng)絡(luò)傳輸，體現(xiàn)了光時域反射儀智能化的特點。 關(guān)鍵詞：光時域反射儀；虛擬儀器；瑞利散射；菲涅爾反射

5、 Design and reseach of intelligent optical time domain reflectometer Student:TU Chen-chen Teacher:LU Qi-rong Abstract：Optical fiber communication based on light waves for the carrier and the optical fiber as the transmission medium of communication.The advantages of opt

6、ical 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, fib

7、er 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 p

8、oint 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

9、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 gener

10、ated 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 techno

11、logy 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…

12、……………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ 1 引言………………………………………………………………………………… 1 2 瑞利散射和菲涅爾反射…………………………………………………………… 3 2.1 瑞利散射…………………………………………………………………… 3 2.2 菲涅爾反射………………………………………………………………… 3 2.3 背向散射…………………………………………………………………… 5 3 光時域反射儀的工作原理 …………

13、………………………………………………6 3.1 光纖中的散射與反射 ………………………………………………………6 3.2 測試光波長 …………………………………………………………………7 3.3 脈沖寬度與脈沖周期 ………………………………………………………7 3.4 動態(tài)范圍 ……………………………………………………………………8 3.5 采樣分辨率 …………………………………………………………………8 4 硬件電路設(shè)計 ………………………………………………………………………9 4.1 脈沖產(chǎn)生電路 ………………………………………………………………9 4.2

14、激光器電路 …………………………………………………………………10 4.2.1 半導體激光器介紹 …………………………………………………10 4.2.2 激光器電路設(shè)計 ……………………………………………………10 4.2.3 電壓跟隨器 …………………………………………………………12 4.3 光環(huán)型器 ……………………………………………………………………12 4.4 光電檢測器……………………………………………………………………13 4.4.1 PIN光電二極管 ……………………………………………………13

15、4.4.2 前置放大器 …………………………………………………………14 4.4.3 光電檢測器電路設(shè)計 ………………………………………………14 4.4.4 接收機的動態(tài)范圍 …………………………………………………17 5 虛擬儀器設(shè)計 ………………………………………………………………………19 5.1 虛擬儀器介紹 ………………………………………………………………19 5.2 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡 ………………………………………………………19 5.3 虛擬儀器程序設(shè)計 …………………………………………………………19 5.3.1 數(shù)字

16、濾波器設(shè)計 ……………………………………………………19 5.3.2 公式節(jié)點 ……………………………………………………………20 5.3.3 數(shù)據(jù)捆綁 ……………………………………………………………21 5.3.4 屬性節(jié)點 ……………………………………………………………22 5.3.5 虛擬儀器整體設(shè)計……………………………………………………23 5.4 光時域反射儀信號仿真 ……………………………………………………25 6 總結(jié) …………………………………………………………………………………28 致謝 ……………

17、……………………………………………………………………… 29 參考文獻 ……………………………………………………………………………… 30 IV 1 引言 光纖通信作為現(xiàn)代通信技術(shù)的主要通信方式之一，有著傳輸距離遠、頻帶寬、容量大、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。隨著光纖通信技術(shù)的不斷成熟，設(shè)備成本的不斷降低，光纖通信將會全面取代現(xiàn)有的以金屬導線為媒介的通信方式成為有線通信的主流。所以如何在生產(chǎn)、施工、使用和維護中對光纖測試正成為一項重要的技術(shù)。 目前，對光纖測試常用儀表有光功率計、穩(wěn)定光源、光萬用表、光時域反射儀(OTDR)和光故障定位儀。而光時域反射儀則是光纖測試技術(shù)中使用

18、頻率很多的一塊儀表，它可測量光纖長度、光纖的鏈路衰減、接頭衰減和故障定位，具有測試時間短、速度快、精度高等優(yōu)點。所以光時域反射儀是光纖通信的重要儀表，在科研、生產(chǎn)、施工、維護等光通信鄰域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 然而，光時域反射儀都是專用的儀表，價格比較昂貴，功能單一，擴展新差。而虛擬儀器技術(shù)有如下的優(yōu)點： 1）性能高 虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以它具有PC技術(shù)的優(yōu)點，包括強大的處理器和文件管理，既能夠?qū)崟r的進行復雜的數(shù)學計算，又能夠快速的進行文件的存儲。此外，得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬儀器可以將采集的數(shù)據(jù)信息通過互聯(lián)網(wǎng)快速的傳輸?shù)母鱾€電腦，也可以實現(xiàn)遠程

19、操控。體現(xiàn)了虛擬儀器智能化的發(fā)展方向。 2）擴展性強 NI公司出品的虛擬儀器是將軟件和硬件分開，硬件部分負責信號的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，軟件部分負責信號的處理和分析，數(shù)據(jù)采集卡則是軟件和硬件的橋梁，它負責將采集到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換送給軟件進行分析。通過將軟硬件分開，使得虛擬儀器具有很強的靈活性。如果硬件電路性能不高，只需更改硬件電路；如果軟件設(shè)計的功能不是很多，信號處理的算法不是很完善，那么只需對軟件進行更改就行了，而無需調(diào)整硬件電路，使虛擬儀器的擴展性非常強。 3）開發(fā)時間少 首先，NI公司的labview使用的是圖形化的編程語言，使用起來很方便，無需編寫大量的程序，只需將幾個圖形化的控件

20、和函數(shù)連接起來就可以實現(xiàn)相同的功能，極大的縮短了研發(fā)人員的編程時間。又由于虛擬儀器擴展性強，只需更改相應(yīng)的部分就能夠使系統(tǒng)進行升級，也極大地縮短了研發(fā)人員的研發(fā)時間。所以虛擬儀器具有開發(fā)時間少的優(yōu)點。 4）無縫集成 由于現(xiàn)在產(chǎn)品的功能越來越多，趨向于復雜化，如果只是對專用的儀器進行功能的擴展，那么就要花費的大量的時間重新定制軟件和硬件結(jié)構(gòu)。而NI的虛擬儀器軟件平臺為硬件電路提供了多個標準的I/O接口，能夠?qū)⒍鄠€測量設(shè)備連接到一個虛擬儀器平臺中，使虛擬儀器功能的擴展簡單快捷，達到了無縫集成的效果。 以上這些優(yōu)點，解決了現(xiàn)有光時域反射儀的不足之處，同時也使光時域反射儀具備了計算機智

21、能化的特點。 本文采用虛擬儀器技術(shù)對光時域反射儀進行設(shè)計研究。對光時域反射儀的設(shè)計研究分為三個部分，一個部分為工作原理的研究，一部分為硬件電路設(shè)計，一部分為虛擬儀器程序設(shè)計。此外，論文還分析了瑞利散射，菲涅爾反射以及光在光纖中傳輸時產(chǎn)生的背向散射光來獲取衰減信息的基本原理。硬件電路設(shè)計包括光時域反射儀的脈沖產(chǎn)生電路，半導體激光器，光耦合器，光電檢測器和信號放大電路。虛擬儀器程序設(shè)計包括光時域反射儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，信號處理模塊和顯示模塊。 2 瑞利散射和菲涅爾反射 2.1 瑞利散射 當光通過不均勻介質(zhì)時，它會偏離原來的方向而向四周傳播，這種現(xiàn)象稱為光的散射。 有很多

22、原因造成介質(zhì)的光學均勻性不均勻，一種是在空間中懸浮的質(zhì)點，如煙、霧、灰塵，它們使光產(chǎn)生散射；一種是介質(zhì)中分子密度的不均勻性導致介質(zhì)折射率的變化，從而產(chǎn)生光的散射[1]。 散射分為兩種，一種是線性散射，一種是非線性散射。線性散射指的是入射光經(jīng)過介質(zhì)發(fā)生散射時沒有新頻率的散射光產(chǎn)生。而非線性散射指的是散射光除了入射光的頻率外，還有新的頻率的散射光產(chǎn)生。 瑞利散射就屬于線性散射，它散射的粒子的大小在1/5~1/10光波長以下。在光纖通信中，瑞利散射是最強的自發(fā)散射的過程，它是由于光纖在制造的過程中造成的局部密度不均勻性和成分不均勻性引起的，由于這些不均勻性的尺寸要比光波長要小，所以產(chǎn)生瑞利散射。

23、 瑞利散射具有如下的主要特點： a.散射光強與入射光波長四次方成反比，即 （3-1） 上式就是瑞利散射定律公式。 b.散射光強隨觀察方向而改變，散射光強與觀察方向之間的關(guān)系為 （3-2） 式中θ為觀察方向與入射方向之間的夾角，是垂直于入射方向上即ψ=π/2時散射光的強度[1]。 由公式（3-2）可知，當θ=-π時，即為背向散射。它為光強

24、度的兩倍。 2.2 菲涅爾反射 當光線從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，會產(chǎn)生反射光和折射光。當光線入射到兩個介質(zhì)的分界面時，有一部分光會被反射，回到原來的介質(zhì)中傳播，叫做光的反射。而光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生偏折，叫做光的折射。 假設(shè)光線由介質(zhì)n1入射到介質(zhì)n2中（n1>n2)，θ1為入射光與法線的夾角，θ2為折射光與法線的夾角，θ3為反射光與法線的夾角，光的折射與反射示意圖如圖1所示?？梢缘贸龉獾恼凵涔? （3-3） 圖1 光的折射與反射示意圖 從圖中可以看出：當光線從光密

25、介質(zhì)n1入射到光疏介質(zhì)n2時，折射角比入射角大。當θ2=π/2時，θ1即為一臨界角。當入射角θ1大于臨界角時，那么入射光就會在兩個介質(zhì)的分界面產(chǎn)生全反射，而沒有折射光產(chǎn)生。光纖就是通過這一原理使光在光纖中傳輸，由于入射光發(fā)生全反射時能量損耗非常的微小，所以光在光纖中傳輸?shù)木嚯x非常遠。 菲涅爾反射指的是反射/折射與入射光之間的關(guān)系。簡單的講，就是入射光垂直于表面時，反射較弱，而當入射光非垂直表面時，夾角越小，反射越明顯。在真實世界中，除了金屬之外，其它物質(zhì)均有不同程度的“菲涅爾效應(yīng)”。 菲涅爾反射強度與兩種媒質(zhì)的相對折射率的平方成正比。一束能量為P0的光，由媒質(zhì)1（折射率為n

26、l）進入媒質(zhì)2（折射率為n2）產(chǎn)生的反射光光強為P1，則菲涅爾反射光強有如下關(guān)系式 （3-4） 根據(jù)公式（3-4）可知，當光線入射到折射率不同的兩個介質(zhì)時，會發(fā)生菲涅爾反射。兩個介質(zhì)的折射率偏差越大，那么菲涅爾反射越強。 2.3 背向散射 引起光纖損耗的原因有很多，大體可以分為兩類。一類為光纖材料引起的，主要有吸收損耗和散射損耗。吸收損耗主要有紅外和紫外吸收損耗，OH離子吸收損耗，金屬離子吸收損耗。散射損耗主要有瑞利散射損耗，波導散射損耗和非線性散射損耗。一類為光纖在使用過程中彎曲造成的，當光纖的彎曲度大于一定的曲率半徑時就會

27、有一部分光從光纖中泄露出來引起損耗。 吸收損耗和散射損耗為光纖損耗的主要因素，它們都使入射光進行了不同程度的衰減。假設(shè)入射光Pi經(jīng)過距離為L的介質(zhì)后，透射光的光功率為Po。其中α為光纖的衰減系數(shù)，那么入射光與透射光的關(guān)系為 （3-5） 當入射光Po由光纖端口注入到距離為L的光纖后，產(chǎn)生瑞利散射，其中產(chǎn)生的背向散射反向傳輸回到光纖端口，此時的背向散射光功率為Pb。假設(shè)此光纖的背向散射系數(shù)為S，光纖的衰減系數(shù)為α，那么背向散射光功率與入射光功率的關(guān)系為[2]

28、 （3-6） “2”指的是入射光經(jīng)瑞利背向散射返回到光纖端口之間走過的距離為2L。 對Pb取對數(shù)作為光纖鏈路圖縱坐標，單位為dBm。 光信號從光纖端口進入，經(jīng)距離為L的光纖后產(chǎn)生背向散射回到光纖端口的時間t和距離L之間的關(guān)系為[2] （3-7） 其中，c：光在真空中的傳播速度（3108m/s）。 N：光纖纖芯折射率，通常為1.4682。 t：一束光由注入端開始到回到起點的時間。 根據(jù)公式（3-7）可知，當對光纖端口發(fā)出一個很

29、短的光脈沖，并在此刻開始記錄背向散射光的時間，就可以知道背向散射光功率對應(yīng)的光纖的距離，作為光纖鏈路圖的橫坐標，從而可以顯示該光纖的背向散射曲線。 3 光時域反射儀的工作原理 光時域反射儀的英文名稱為Optical Time Domain Reflectometer，簡寫為OTDR。 光時域反射儀用到的光學理論主要有瑞利散射和菲涅爾反射，這種測量方法由M.Barnoskim和M.Jensen 在1976年發(fā)明的。 當光時域反射儀工作時，首先發(fā)出一個很窄的脈沖信號，脈沖信號由激

30、光器變換成光脈沖經(jīng)光耦合器注入到光纖中。由于光纖在制造過程中存在局部密度不均勻性和成分不均勻性，而這些不均勻性會對光脈沖產(chǎn)生瑞利散射，其中背向散射光會返回光纖的初始端口經(jīng)光耦合器送到光電檢測器。光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號經(jīng)放大器放大處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號輸送給信號處理單元進行信號處理和分析，然后將曲線和分析的結(jié)果顯示在顯示器上。由于一次測量產(chǎn)生的誤差比較大，通常都是由脈沖信號發(fā)生器發(fā)出多個脈沖，對光纖進行多次測量求平均值來消減隨機誤差從而使測量精度滿足要求[3]。OTDR原理框圖如圖2。 脈沖信號發(fā)生器 信號處理與鏈路分析 光纖 光耦合器 激光器

31、 光電檢測器 放大器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 圖2 OTDR原理框圖 在測試中，一些參數(shù)也影響著光時域反射儀的性能。它們有瑞利散射和菲涅爾反射，測試光波長，脈沖寬度，動態(tài)范圍和采樣分辨率。 3.1 光纖中的散射與反射 由于光纖中存在瑞利散射和菲涅爾反射，所以光時域反射儀能將反射回來的光功率記錄下來形成光纖鏈路圖。瑞利背向散射光能量級別很低，又由于光纖內(nèi)部雜質(zhì)的散射和吸收使瑞利背向散射光不斷地衰減，所以在 OTDR 軌跡中顯示為傾斜向下的直線。 由菲涅爾反射公式（3-4）可知，當光到達折射率突變的位置時，有很大一部分光被反射回去，產(chǎn)生菲涅爾反射

32、。在光纖中產(chǎn)生菲涅爾反射的原因是由于在光纖中存在連接器、機械接頭、光纖斷裂或打開的連接器。菲涅爾反射光要比瑞利背向散射光的能級高得多，在OTDR軌跡中以尖峰的形式表現(xiàn)出來。所以菲涅爾反射通常用來檢測光纖鏈路的事件點。圖3說明了產(chǎn)生菲涅爾反射的不同連接。 圖3 (1) 機械接頭、(2) 光纖適配器和(3) 打開的連接器產(chǎn)生的菲涅爾反射 3.2 測試光波長 在OTDR中，測試光波長通常為1310nm和1550nm。根據(jù)瑞利散射公式（3-1）可知：波長越短，瑞利散射的光功率就越強，所以1310nm波長的曲線會比1550nm波長的曲線高，動態(tài)范圍好。但是在測試長距離光纖時，由于1

33、310nm產(chǎn)生的瑞利散射比較大，衰減也隨之變大，形成的曲線就不清晰。所以在長距離測試的時候宜采用1550nm作為測試波長，普通的短距離測試選取1310nm為宜[4]。 3.3 脈沖寬度與脈沖周期 脈沖寬度指的是激光所發(fā)出的光脈沖的寬度。它是由脈沖信號發(fā)生器來決定的。 通常脈沖寬度與激光的能量成正比。激光的脈沖寬度越寬，激光所攜帶的能量就越大，那么激光傳輸?shù)木嚯x就越遠，測量的曲線就越清晰，適合于檢測長距離的光纖。而激光的脈沖寬度越窄，那么激光所攜帶的能量就越小，經(jīng)過長距離的傳輸后產(chǎn)生的背向散射就會衰減很多，很容易淹沒到噪聲當中使曲線模糊不清，所以窄的脈沖寬度不適合于測試長距離的光纖，但

34、是窄的脈沖寬度的激光會使事件盲區(qū)和衰減盲區(qū)減小，使測試結(jié)果更加精確，所以在測量短距離的光纖時，應(yīng)選用窄的脈沖寬度。 脈沖周期要比脈沖寬度的時間要長的多。根據(jù)公式（3-7）可知，當時間t為一定值時，對應(yīng)的的測量長度也就固定了。如果t為脈沖周期，那么測量長度就是光時域反射儀最大測量量程。因為如果光纖大于這一長度時，背向散射光還沒有完全返回到光纖初始端時，就有下一個光脈沖入射到光纖中，會對背向散射光產(chǎn)生極大地干擾，使測量的數(shù)據(jù)與真實值有很大的區(qū)別。所以脈沖周期決定了光時域反射儀的最大量程。 3.4 動態(tài)范圍 光纖鏈路圖的動態(tài)范圍指的是在一次測量中背向散射開始與噪聲峰值間的功率損耗比。目前有

35、兩種定義動態(tài)范圍的方法： 1.峰值法：它由背向散射開始測到噪聲的峰值。 2. SNR=1法：這里動態(tài)范圍測到噪聲的均方根值為止，顯然這種測量方法的動態(tài)范圍要比峰值法要高。 光時域反射儀的動態(tài)范圍指的是光接收機的動態(tài)范圍。光接收機的動態(tài)范圍是指光接收機最小輸入光功率和最大允許光功率之間的變化范圍。由公式（3-6）可以看出，當光接收機的動態(tài)范圍越大，測量光纖的距離也就越長。 3.5 采樣分辨率 采樣分辨率指的是兩個連續(xù)采樣點之間的距離。采樣分辨率是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率決定的。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率越高，采樣分辨率越好。當采樣分辨率越高時，兩個連續(xù)采樣點之間的距離也就越

36、小，描繪的光纖鏈路圖的信息也就越豐富，可以從光纖鏈路圖中察看到距離很小的事件點，使光時域反射儀的故障查找能力大大提高。圖4顯示了不同采樣分辨率的圖形。 a) b) 圖4 不同采樣分辨率的圖形：a) 5 米分辨率，b) 15 米分辨率。 4 硬件電路設(shè)計 4.1 脈沖產(chǎn)生電路 脈沖產(chǎn)生電路由AT89S52單片機電路構(gòu)成。單片機電路產(chǎn)生周期為1ms的脈沖信號，脈沖寬度為1us。此時，此時光時域反射儀的最大測量時間為1ms，設(shè)定光纖纖芯折射率n=1.4682，由公式（3-7）可得，光時域反

37、射儀最大量程約為100km。脈沖信號如圖5。 圖5 脈沖信號 脈沖產(chǎn)生電路如圖6。該單片機電路采用24MHz晶振，一個機器周期為0.5us，可滿足設(shè)計要求。開關(guān)S1控制單片機工作，當按下開關(guān)S1時，單片機啟動，P2.7腳向激光器電路發(fā)出周期性的脈沖，同時P2.6腳向虛擬儀器接口發(fā)出啟動電平，讓虛擬儀器開始工作，記錄此時的光功率及對應(yīng)的時間。當P2.7腳不再產(chǎn)生脈沖信號時，那么P2.6腳向虛擬儀器發(fā)出停止電平，使虛擬儀器停止工作。 圖6 脈沖產(chǎn)生電路 4.2 激光器電路 4.2.1 半導體激光器的介紹 半導體激光器(semi

38、conductor Laser)又稱激光二極管(Laser Diode)是光纖通信中最主要的光源。激光器的種類有很多，按照結(jié)構(gòu)分類，有法布里-珀羅型激光二極管，分布反饋激光二極管和分布Bragg反射器激光二極管，量子阱激光器和垂直腔面發(fā)射激光器。 半導體激光器按泵浦方式不同,可以分為注入式激光器、光泵激光器和電子束泵浦激光器。由于注入式激光器偏置電壓小，很容易受激輻射，并且它可以直接通過改變輸入電流來改變光功率，調(diào)制過程簡單，因此這種激光器使用很廣泛。 半導體激光器的伏安特性曲線與發(fā)光二極管的伏安特性曲線非常類似，具有單向?qū)ǎ聪蚪刂沟奶卣?。所以半導體激光器在電路中應(yīng)該正向偏置才能發(fā)光。

39、半導體激光器的正向偏置電壓大約在1V~2V之間。 半導體激光器的P-I曲線如圖7。P指的是半導體激光器發(fā)射的光功率，I指的是半 導體激光器的注入電流。當注入的電流比較小時，半導體激光器自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，其特點是光譜范圍寬，橫向光束角度大。當注入的電流大于某一個值時，激光器開始受激輻射，發(fā)出激光，這個電流值稱為閥值電流，符號為Ith。激光的特點是光譜范圍窄，橫向光束角度小，為5~10度。所以，要想使半導體激光器發(fā)出激光，其注入的電流一定要大于閥值電流。 圖7 半導體激光器的P-I曲線 4.2.2 激光器電路設(shè)計 由于電注入式半導體激光器有上述優(yōu)點，所以本文選用電注入式

40、半導體激光器。由第3章測試光波長的分析可知，當選用量程為100km測量光纖時，測試光波長應(yīng)選用1550nm這樣激光在光纖中傳輸衰減比較小，產(chǎn)生的圖形清晰，所以選用激光器的波長為1550nm。本文選用深圳市奧普徠斯科技有限公司OPLS-LD1550FP1CWF/G型號的半導體激光器，其參數(shù)如表1。 表1 半導體激光器(OPLS-LD1550FP1CWF/G)的工作參數(shù) 參數(shù) 符號 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 輸出光功率 Po If=Ith+20mA — 1 — mW 閥值電流 Ith CW — 6 — mA 工作電流 If CW

41、— — 40 mA 工作電壓 Vo If=IOP — 1.1 1.5 V 光譜寬度 Δλ CW，P0 — 2 4 nm 中心波長 λc If=Iop 1530 1550 1570 nm 上升/下降時間 Ti/Tf If=I — 0.3 0.5 ns 相對噪聲強度 RIN — -150 — dB 由表1可知，該半導體激光器工作電壓的典型值為1.1V，此時半導體激光器的輸出光功率為1mW，它的注入電流為26mV。設(shè)置半導體激光器的電源電壓為+5V，根據(jù)歐姆定理得，它的串聯(lián)電阻為150Ω。為了保護激光器避免受到反向電壓的

42、損壞，激光器并聯(lián)一個反向二極管。激光器電路原理圖如圖8。 圖8 激光器電路原理圖 4.2.3 電壓跟隨器 電壓跟隨器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，滿足后一級的電路的性能指標。又由于輸入阻抗很高時，就相當于對前級電路開路，即輸入電壓不受后級電路的影響；當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，即輸出電壓也不受后級電路阻抗影響。這一特點使電壓跟隨器具有電壓隔離的功能。 由于脈沖產(chǎn)生電路輸出電流小，帶負載能力差，所以在脈沖產(chǎn)生電路和激光器電路之間加一個電壓跟隨器作為緩沖級，提高電路帶負載能力。同時，電壓跟隨器具有隔離的功能，可以隔離前后級電路的

43、影響，使激光器發(fā)出的光脈沖更加的穩(wěn)定。 本文選用AD8038作為電壓跟隨器的運放，它的頻帶寬度為100MHz，供應(yīng)電壓為3~12V，滿足設(shè)計要求。 4.3 光環(huán)形器 光環(huán)行器是一種多端口輸入/輸出的非互易型光無源器件，具有光信號沿規(guī)定的順序端口正向傳輸導通、反向禁止的特性[5]。由于光環(huán)形器的性能好，所以很適合用在光時域反射儀當中。 在光時域反射儀中，用到的光器件有半導體激光器，光環(huán)形器和PIN光電二極管。通過光環(huán)型器，可以使入射光和反射回來的光有效地隔離。光時域反射儀光器件的連接和光信號傳輸方向如圖9。 半導體激光器 光環(huán)路器 PIN光電二極管 光纖

44、  圖9 光時域反射儀光器件的連接和光信號傳輸方向 4.4 光電檢測電路 4.4.1 PIN光電二極管 光電檢測器主要是由半導體材料構(gòu)成，它能感應(yīng)光照的強度轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。目前主要用的光電檢測器為光電二極管，它分為PN結(jié)光電二極管和肖特基光電二極管。PN結(jié)光電二極管有兩種，一種為PIN光電二極管，一種為APD光電二極管。APD光電二極管具有雪崩效應(yīng)，能使原信號光電流發(fā)生倍增，從而使接收機靈敏度增加[6]。但是光電流發(fā)生倍增的同時，會使噪聲電流同時倍增，不利于信號的檢測，同時APD的反向偏置電壓很高[7]，達到45V以上，電路實現(xiàn)起來困難，所以本

45、文不用APD光電二極管作為光電檢測器的檢測部件。PIN光電二極管雖然沒有雪崩效應(yīng)，但是PIN光電二極管靈敏度也很高，響應(yīng)時間短，偏置電壓低，電路設(shè)計簡單。所以本文選用PIN光電二極管作為光電檢測器的檢測部件。 本文選擇的PIN光電二極管是深圳市奧普徠斯科技有限公司OPLS-IPD075S型號的光電二極管，它的工作參數(shù)如表2。 表2：PIN光電二極管（OPLS-IPD075S)的工作參數(shù) 參數(shù) 符號 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位 反向電壓 Vr — — 30 V 正向電流 If — — 10 mA 光纖波長范圍 λ 900

46、 — 1700 nm 飽和光功率 Ps Vr=-5V 3 — — dBm 暗電流 Id Vr=-5V — — 0.6 nA 響應(yīng)度 Resp Vr=-5V,λ=1550nm 0.90 0.95 — A/W -3dbm帶寬 BW RI=50Ω 2.00 — — GHz 電容 Ct Vr=-5V,f=1MHz — — 0.7 pF 4.4.2 前置放大器 由于PIN光電二極管檢測出的光電流十分的微弱，而放大器在放大的過程中也會引入新的噪聲，這就要求前置放大器的噪聲低，增益大，從而提高整個電路的信噪比。前置放大器有

47、三種不同的連接方式：低阻抗連接，高阻抗連接，互阻抗連接[6]。雖然互阻抗連接電路設(shè)計比較復雜，但是它具有寬頻帶，低噪聲，高靈敏度，大動態(tài)范圍等優(yōu)點，所以本文選用互阻抗連接設(shè)計前置放大器。 4.4.3 光電檢測器電路設(shè)計 光電檢測電路如圖10。本文選用的運放為AD645，它是一個低噪聲，高精度的FET放大器。由于它具有低的輸入電流，低的電壓漂移和低的噪聲電壓，使它通常使用在光電二極管應(yīng)用的前置放大器中。由于輸入光信號為0時,實際電路輸出信號不一定為0V，所以要對放大器進行失調(diào)電壓調(diào)整,通過在調(diào)零端子1腳和5腳之間接入一個電位器R3調(diào)整失調(diào)電壓[8]。首先使將PIN光電二極管取下，將輸入端

48、短接，這時輸入信號為零，通過調(diào)整電位器R3，使電路輸出端對地電壓為零,此時可以將運放AD645產(chǎn)生的電壓偏差調(diào)整到最小。由于減小了AD645的電壓漂移，減小了系統(tǒng)誤差，從而使接收機的準確度大大提高。 圖10 光電檢測電路原理圖 輸出電壓的公式： （4-1） 其中： =光電二極管輸出電流； =光電二極管響應(yīng)度； =反饋電阻的值； =入射到光電二極管表面的光功率。 該運算放大器是運算放大電路的基礎(chǔ)上在反饋電阻上并聯(lián)一個電容構(gòu)成一個反向輸入一階有源低通濾波器[9]。它具有

49、低通濾波器的特征，可以濾除采集信號中的高頻成分，并對有用信號進行放大，使輸出信號更加穩(wěn)定，精確。 當光照射光電二極管時，會產(chǎn)生光電流，從PIN光電二極管的N級流向P級，根據(jù)運算放大器虛斷的原理，也會從電壓輸出腳6腳到運算放大器的2腳產(chǎn)生一個反饋電流，不計電容，可以算出輸出電壓與的關(guān)系： （4-2） 帶上電容進行計算，就可以把運算放大器看成一個一階有源低通濾波器。那么輸出電壓與有如下關(guān)系： （4-3） 將上式化簡可得

50、： （4-4） 由于，帶入公式（4-4）中，得： （4-5） 由公式（4-5）可知，該有源一階低通濾波器的截止頻率 （4-6） 然而由于運放內(nèi)部本身有電容影響，根據(jù)AD645的運放資料可知它的實際截止頻率應(yīng)為26Hz，如圖11。 圖11 AD645實際截止頻率 圖12描繪了AD645前置放大電路有濾波器和沒有濾波器的電壓噪聲譜密度的變化。in是運放P極噪聲

51、，en是運放N極噪聲，is和if是光電二極管光電流和運放反饋電流的噪聲。 圖12 AD645前置放大電路有濾波器和沒有濾波器的電壓噪聲頻譜密度的變化 4.4.4 接收機的動態(tài)范圍 光接收機的動態(tài)范圍是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標要求下，光接收機最小輸入光功率Pmin和最大允許光功率Pmax的變化范圍，一般在工程上用二者（dBm描述）之差來表示[1]。 由于運放AD645提供的工作電壓為15V，由此可知當運放的輸出端電壓為15V時，輸出電壓達到飽和，此時對應(yīng)了接收機的最大允許光功率Pmax。根據(jù)公式（4-1）可得，PIN光電二極管的輸入光功率

52、 （4-7） 計算得，最大允許光功率為1.58nW。將它轉(zhuǎn)換為分貝毫瓦得-58dBm。 最小輸入光功率指的是輸入的光功率與噪聲相當，小于這個值將無法分辨出來而視作噪聲處理，這個臨界值叫做最小輸入光功率。 要想得到最小輸入光功率，就要對噪聲電壓進行測量。噪聲測量的方法有兩種，一種是電壓表測量，一種是示波器測量。由于示波器頻譜范圍寬，靈敏度高，能顯示微弱的噪聲信號，所以本文選用示波器測量接收機的噪聲?！皽y量時，將被測信號通過AC耦合方式送入示波器的垂直通道，調(diào)整垂直靈敏度和掃描速度，得到一條水平移動的亮線，這條亮線垂直方向

53、的長度乘以示波器的垂直靈敏度就是被測噪聲電壓的峰-峰值”[3]。將測量的噪聲電壓帶入公式（4-7）中，即可得出該接收機的最小輸入光功率Pmin。 光接收機最大允許光功率Pmax和最小輸入光功率Pmin換成對數(shù)形式相減，就是該接收機的動態(tài)范圍。假設(shè)該接收機的最小輸入光功率為-80dBm,可以得出該接收機的動態(tài)范圍為22dB。 5 虛擬儀器設(shè)計 5.1 虛擬儀器簡介 虛擬儀器是在計算機平臺的基礎(chǔ)上，嵌入一個數(shù)據(jù)采集卡，再配備相應(yīng)的軟件就構(gòu)成了一個完整的虛擬儀器系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡充當了信號接口及數(shù)據(jù)采集的功

54、能。當信號通過數(shù)據(jù)采集卡時，就將模擬的信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號，以便就計算機處理。虛擬儀器軟件有很多種，我使用的是NI公司的labview軟件。它采用了圖形化的編程語言，內(nèi)置了各種功能的函數(shù)及控件，極大地簡化了工程人員的設(shè)計時間，縮短研發(fā)周期。labview軟件的設(shè)計包括虛擬儀器前面板的設(shè)計和虛擬儀器流程圖的設(shè)計?！扒懊姘迨怯脩艚缑妫奢斎?、輸出控制和顯示三部分構(gòu)成，它模擬真實儀器的前面板，流程圖是圖形化的源代碼，是虛擬儀器測試功能軟件的圖形化表述”[10]。通過虛擬儀器程序設(shè)計，可以實現(xiàn)對采集信號的處理和分析，得到我們想要的數(shù)據(jù)。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活性，通過設(shè)計不同的虛擬儀器程序就可以得到各

55、種數(shù)據(jù)，而不用更改硬件資源。本文設(shè)計光時域反射儀的數(shù)據(jù)采集模塊，信號處理模塊，圖形顯示模塊就是通過虛擬儀器來完成的。 5.2 虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡 本文使用的數(shù)據(jù)采集卡是NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡。它的輸入分辨率是14位，最大的采樣頻率是48kS/s。根據(jù)奈奎斯特定理，奈奎斯特頻率為離散信號系統(tǒng)采樣頻率的一半，即24kHz。如果信號頻率低于奈奎斯特頻率，那么采樣的信號可以完整的恢復成原始信號，如果信號頻率高于奈奎斯特頻率，那么就會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，導致恢復出的原始信號失真[10]。雖然該采集卡的采樣點數(shù)比較低，但對于驗證性實驗還是足夠的。 NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡模擬信號端

56、子的2端口（AI0）和1端口（GND）接光電檢測電路的NI_1腳和地。NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字信號端子的17端口（P0.0）和32端口（GND）接單片機CONTROL腳和信號地，當CONTROL腳發(fā)出一個啟動信號到虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡時，虛擬儀器開始工作，記錄此時的光功率和對應(yīng)的時間，從而繪制出光纖的屬性圖，當CONTROL腳發(fā)出停止電平時，虛擬儀器停止工作。 5.3 虛擬儀器程序設(shè)計 5.3.1 數(shù)字濾波器設(shè)計 由于采集到的信號比較微弱，相對來說，噪聲電平就比較大，所以需要用數(shù)字濾波器來對采集到的數(shù)字信號進行濾波。數(shù)字濾波器有兩種，一種是巴特沃斯濾波器，一種是切比雪夫濾

57、波器。由于巴特沃斯低通濾波器的幅度響應(yīng)在通帶內(nèi)具有最平坦的特性，且在通帶和阻帶內(nèi)幅度特性是單調(diào)變化的[11]，所以本文選用數(shù)字巴特沃斯濾波器對信號進行濾波。巴特沃斯濾波器的程序設(shè)計如圖13。其中0指的是濾波器的類型為低通濾波器，48000指的是濾波器的采樣頻率為48kS/s。26指的是低通濾波器的截止頻率。4指的是巴特沃斯濾波器的階數(shù)為4階。 圖13 巴特沃斯濾波器的程序設(shè)計 5.3.2 公式節(jié)點 由于虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡采集的是電壓信號，還應(yīng)該將電壓信號轉(zhuǎn)換為光功率。這就要用到虛擬儀器的公式節(jié)點法。在公式節(jié)點框圖邊設(shè)置輸入變量，輸出變量，在框圖中輸入輸出變量與輸入變量的關(guān)系式，就

58、可以得出光功率。根據(jù)公式（4-1）可得光功率。 （5-1） 然后在對光功率取對數(shù)，減去最小輸入光功率-80dBm,就可以確定該點的光功率對應(yīng)縱坐標的值。 （5-2） 為了避免重復使用公式節(jié)點框，可以直接在公式節(jié)點框中輸入縱坐標的值與輸入電壓的關(guān)系式。公式節(jié)點框如圖14。 圖14 公式節(jié)點框 在輸入公式時應(yīng)注意，公式中每一個變量都應(yīng)該與輸入變量或輸出變量相對應(yīng)，乘方用“**”表示，以10為底的對數(shù)用

59、函數(shù)log（）表示。輸入完公式，應(yīng)在公式后面輸入分號。此時，就將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成縱坐標的值供波形圖顯示。 由于采集的信號是數(shù)組數(shù)據(jù)，如果要對數(shù)組數(shù)據(jù)進行信號處理，那么就要加上for語句，然后在數(shù)據(jù)輸入輸出端口改成隧道輸入輸出形式，那么就可以對數(shù)組數(shù)據(jù)進行處理。48指的是每次采集的數(shù)據(jù)有48個采樣點。 5.3.3 數(shù)據(jù)捆綁 在虛擬儀器中，波形都是以數(shù)字波形的形式表達的。它是一個簇類型，包括了數(shù)字波形的起始時間to，時間間隔dt,波形數(shù)據(jù)Y和屬性。所以，單單輸入一組縱坐標的數(shù)據(jù)時無法在波形圖中顯示波形。要想顯示數(shù)據(jù)，必須用到數(shù)據(jù)捆綁。 在數(shù)據(jù)捆綁最上面的一個框輸入起始時間，中間一個

60、框輸入時間間隔，最下面一個框輸入波形數(shù)據(jù)。時間間隔指的是每兩個采樣點之間的時間，也就是采樣周期。 由于本論文是要顯示光纖鏈路的屬性圖，所以橫坐標不是時間，而是長度。那么在上面的一個框中應(yīng)輸入光纖的起始長度為0m。在中間一個框中應(yīng)輸入長度間隔，即每兩個采樣點之間對應(yīng)的距離。這款數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為48kS/s，那么它的采樣周期為21us，即兩個采樣點之間相隔的時間為21us。由公式（3-7）可得，兩采樣點之間對應(yīng)的距離為2.15km。在最下面一個方框中連接經(jīng)公式節(jié)點框出來的縱坐標的值，此時，就得到一個波形數(shù)據(jù)。將波形數(shù)據(jù)輸入到波形圖中，就可以將光纖鏈路圖顯示出來。數(shù)據(jù)捆綁流程圖如圖15。

61、 圖15 數(shù)據(jù)捆綁流程圖 5.3.4 屬性節(jié)點 當波形數(shù)據(jù)處理好后，就要將波形送入波形圖進行顯示。如果想對波形進行水平放大、垂直放大更仔細的觀察光纖鏈路圖，那么就要對波形圖進行屬性節(jié)點的設(shè)置。 屬性節(jié)點是虛擬儀器對控件屬性設(shè)置的專用函數(shù)。通過它，可以用程序的方法去設(shè)置某一控件的屬性，從而使控件在程序運行時可以自由的調(diào)整。在本文的程序中，我就使用了屬性節(jié)點對波形圖的屬性進行設(shè)置，在程序運行時可以通過調(diào)節(jié)垂直放大和水平放大旋鈕來改變波形圖橫軸和縱軸的量程，從而實現(xiàn)對光纖鏈路圖放大和縮小。 屬性節(jié)點流程圖如圖16。屬性節(jié)點程序是在函數(shù)選項板的應(yīng)用程序控制中選取。然后點擊鼠標右鍵點擊連

62、接至，窗格，波形圖。那么該屬性節(jié)點就變成了波形圖屬性。然后單擊鼠標右鍵選擇屬性，X標尺，范圍，全部元素。這樣就將節(jié)點屬性連接到了波形圖X標尺范圍屬性上，通過修改該節(jié)點屬性，就可以修改波形圖橫坐標的量程。另個一節(jié)點屬性按照上述步驟將X標尺換成Y標尺就可以了。 修改節(jié)點屬性是通過條件結(jié)構(gòu)函數(shù)完成的。條件選擇端接在旋鈕上，旋鈕的每一個檔位都對應(yīng)著條件函數(shù)的一個條件，相當于C語言中的case語句[12]。選擇每一個檔位，就對應(yīng)著一個的條件，執(zhí)行該條件下的程序就能對光纖鏈路圖不同比例的放大和縮小。條件中的程序是一個捆綁程序，它將X標尺，Y標尺范圍的簇數(shù)據(jù)捆綁起來送給屬性節(jié)點。X標尺，Y標尺范圍的簇數(shù)據(jù)

63、從上到下依次包括最小值，最大值，增量，次增量，起始值。 圖16 屬性節(jié)點流程圖 5.3.5 虛擬儀器整體設(shè)計 智能化光時域反射儀虛擬儀器的前面板如圖17。左邊的波形圖顯示光纖鏈路圖，通過光纖鏈路圖可以分析出被測光纖的各種屬性。波形圖的橫軸是距離，單位為Km；縱軸是采樣點的動態(tài)范圍，單位為dB。波形圖的右邊是光時域反射儀的設(shè)置參數(shù)，它包括測試波長為1550nm，脈沖寬度為1us，光纖量程100km，折射率1.4682，測試時間30s。下面的指示燈用來指示當前是否在測量光纖，如果正在測量光纖，指示燈亮，如果沒有測量光纖，指示燈滅。垂直旋鈕有5個檔位，分別是5dB/div、4dB/di

64、v、3dB/div、2dB/div、1dB/div。水平旋鈕有5個檔位，分別是10km/div、5km/div、2.5km/div、1.25km/div、0.625km/div。  圖17 智能化光時域反射儀虛擬儀器的前面板 圖18為虛擬儀器整體流程圖。DAQ助手是數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)置部分，它可以定義采集任務(wù)，并對任務(wù)進行配置。當開始測量光纖時，單片機CONTROL腳向虛擬儀器發(fā)出啟動電平，DAQ助手控制while語句為真開始信號采集和處理，并控制工作指示燈亮。當測量結(jié)束時，單片機向虛擬儀器發(fā)出結(jié)束電平，DAQ助手控制while語句為假停止執(zhí)行，并控制工作指示燈滅。

65、  圖18 虛擬儀器整體流程圖 5.4 光時域反射儀信號仿真 由于本文只是對光時域反射儀進行原理性的研究，所以本文采用虛擬儀器中自帶的仿真任意信號函數(shù)來仿真實際的光纖鏈路圖。圖19為光纖鏈路的仿真圖形。由圖可以看出此光纖鏈路圖的動態(tài)范圍為18dB。  圖19 光纖鏈路的仿真圖形 鼠標指向波形圖點擊右鍵，選擇選項，游標圖例，然后在游標圖例中添加兩個游標，就可以移動游標到你所需要的位置。從下方的游標圖例中可以看到游標移動到的點對應(yīng)的光纖的距離和采集的光功率。帶有游標的光纖鏈路圖如圖20。 圖20 帶有游標的光纖鏈路圖 當我將垂直放大檔調(diào)到3

66、dB/div,水平放大檔調(diào)到5km/div時，光纖鏈路圖進行了放大，放大的光纖鏈路圖如圖21。從圖中可以看出第二個反射峰被放大了。 圖21 放大的光纖鏈路圖 6 總結(jié) 通過對光時域反射儀的設(shè)計研究，使我學到了很多的知識。有光纖通信相關(guān)知識，光時域反射儀工作原理，硬件電路設(shè)計以及虛擬儀器程序設(shè)計。其中比較難的地方為光接收機電路的設(shè)計，我對它做了比較深入的研究，有PIN光電二極管的原理和使用，有源一階低通濾波電路參數(shù)的計算，動態(tài)范圍的測量方法。而虛擬儀器程序設(shè)計是一門比較新的技術(shù)，由于它采用了圖形化的編程語言，用軟件來代替硬件，可以極大地縮短設(shè)計時間。我用虛擬儀器程序設(shè)計了巴特沃斯低通濾波器，信號處理模塊，顯示模塊，波形圖屬性調(diào)整模塊。 通過對光時域反射儀的設(shè)計研究可以發(fā)現(xiàn)：使用虛擬儀器設(shè)計的光時域反射儀滿足性能要求。同時使用虛擬儀器軟件操作簡便，擴展性強，便于信息的存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸，所以基于虛擬儀器的光時域反射儀適合在學校，實驗室，研發(fā)單位和大型的工業(yè)控制領(lǐng)域等場所使用。 然而由于虛擬儀器設(shè)備體積大，不便于攜帶，所以如何使虛擬儀器設(shè)備便于攜帶是今后的發(fā)