CN101451885A

CN101451885A - 光功率测量方法

Info

Publication number: CN101451885A
Application number: CNA2008102327192A
Authority: CN
Inventors: 郭万里; 李兵兵; 孟波; 岳攀; 沈晓菲
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-06-10

Abstract

本发明公开了一种对数比放大电路和软件相结合的光功率测量方法。其测量过程是：根据测量系统中的对数比放大电路构建光功率计算公式为P＝K₃β+C₃；根据被测光源信号波长配置AD转换器；将被测光源与光端连接，取光端接收到的信号，并经过光电转换和对数放大后，进入AD转换器循环读入N次数据，求出这N个转换值的平均值β；判断β的值是否超出量程，若超出量程则结束测量，若符合量程则将当前正在测量光源的按标准光源的功率分段；将β值与标准光源边界值进行比较，根据β所在位置选择相应K₃和C₃；将已经确定的β、K₃和C₃值代入光功率计算公式，获得被测信号的功率值P。本发明具有比现有光功率测量方法过程简单，测量动态范围大，精度高的优点，用于对光纤通信中的光功率测量。

Description

光功率测量方法

技术领域

本发明属于光纤通信测量领域，具体地说是一种光功率的测量方法，可用于光功率计测量仪器中。

背景技术

一般光功率计测量的原理如图1所示：光探测二极管PIN完成光信号到电信号的转换，即当被测光照射到PIN上时，输入的光信号转换成相应的电信号；由于输入的电信号非常微弱，通过线性放大器完成电信号放大；模数转换器ADC把电信号转换成数字信号，便于数字处理和光功率值的计算；控制器通过选择不同电阻值来切换光功率测量量程。

通常情况下，要求光功率计测量有很大的动态范围，采用线性放大器时，输出的电压信号将远远超出了ADC的输入范围。因此，需要对输入的信号进行分段放大，在小信号时采用大的放大增益，在大信号时采用小的放大增益，这样使放大器的输出电压保持在要求的范围之内。具体是在同一波段内，要通过选择器，改变电阻值来改变放大器的增益。所以采用这种方法设计的光功率计有以下限制：首先，由于采用线性放大器，光功率计测量动态范围小；其次，要求使用高精密电阻来控制放大增益；再次，要进行量程切换，存在换档误差；最后，需进行对数运算和量程切换处理，软硬件复杂。而一般采用对数放大器的光功率测量方法，虽然不用量程切换就可以获得大的动态范围，但光功率值计算公式和校正比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有测量方法中光功率值计算公式和校正比较复杂，精度不高的缺陷，提出一种以对数比放大电路和软件算法相结合的光功率测量方法。

实现本发明目的的技术方案包括如下步骤：

1)根据测量系统构建光功率计算公式为：

P＝K₃β+C₃

其中，K₃和C₃为每一功率值分段内两个不同的常数，K₃由测量系统中对数放大器的增益决定，C₃由测量系统中对数放大器的动态范围决定；β为被测光源的AD转换的平均值；

2)通过键盘选择被测光源信号波长，将载有被测光源的光纤与光端连接；

3)根据选择的波长配置AD转换器，读取光端接收到的光源信号，并依次经过光电转换和对数放大后进入AD转换器；

4)AD转换器循环读入N次数据N>10，获得N个AD转换值，并求出这些转换值的平均值β；

5)判断β的值是否超出量程，若超出量程则通过OLED提示，结束测量；若符合量程要求则进行下一步；

6)将当前正在测量光源的波长按标准光源的功率分段，每一段功率对应一个K₃和C₃；

7)将β值与标准光源边界值进行比较，判断β在所属功率分段的位置，根据β所在位置选择相应K₃和C₃；

8)将已经确定的β、K₃和C₃值代入光功率计算公式，获得被测信号的功率值P，并将该功率值送OLED显示。

上述测量方法，其中所述的构建光功率计算公式的步骤如下：

<1>首先根据对数放大器的输入和输出关系得到对数放大器的输出电压：

V_{OUT} = G [V_{Y} \times \frac{R_{Z}}{R_{Z} + R_{LOG}} \times \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + V_{REF} \times \frac{R_{LOG}}{R_{LOG} + R_{Z}}] - - - (1)

其中

G = 1 + \frac{R_{A}}{R_{B}},

R_LOG＝5kΩ，I_PD＝ρP_PD

I_PD是光电二极管输出的电流；I_Z是光电二极管截止电流；ρ是光电二极管的响应度，P_PD是输入的光功率值；电阻R_z，R_A和R_B以及参考电压V_Y，V_REF均为所选对数放大器的确定参数，为常数。

<2>对(1)式进行化简：

令

K_{1} = G \times V_{Y} \times \frac{R_{Z}}{R_{Z} + R_{LOG}},

C_{1} = G \times V_{REF} \times \frac{R_{LOG}}{R_{LOG} + R_{Z}}

此处K₁和C₁均为常数，由芯片外部所接电阻网络决定

化简(1)式为：

Vout = K_{1} \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + C_{1} - - - (2)

<3>对(2)式进行化简：

令

P＝10log₁₀ P_PD；

K_{2} = \frac{10}{K_{1}};

C_{2} = {10 \log}_{10} (\frac{I_{Z}}{ρ}) - \frac{{10 C}_{1}}{K_{1}},

化简(2)式为：

P＝K₂V_out+C₂ (3)

式中K₂和C₂是常数，所以放大器输出电压值V_out和被测功率值P(以dBm表示)就成为简单的线性对应关系。这样避免了繁琐的对数运算，使得后继的程序处理和结果计算就变得简单了。

<4>对(3)进行代换：

将V_OUT＝σβ代入(3)式，其中β是AD转换值的十进制表示，σ是ADC最小量化间隔，得：

P＝K₂V_out+C₂

同时令K₂σ＝K₃，C₂＝C₃得最终光功率计算公式：

P＝K₃β+C₃ (4)

从(4)式可知，利用AD转换值β就可以直接计算出光功率值。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1.本发明的测试系统由于采用对数比放大器，因而动态范围大，光功率计算和校正简单，测量精度高，而传统的测试系统采用线性放大器或者对数放大器，需要通过硬件电路进行量程转换，存在切换误差。

2.本发明的测试方法由于构建了光功率计算并校正了其中的相关参数，因而对于光功率值的计算只需确定输入信号的AD转换值的平均值β及其所在的分段，便可根据公式P＝K₃β+C₃得到被测信号的光功率值；同时由于在光功率校正时，只需输入标准信号，便可通过软件实现光功率的全自动校正。

3.本发明由于在计算输入光信号的AD转换值的平均值β时，采用N次采样求平均的方法，使计算的β值更加接近实际，从而提高了测量精度。

4.本发明由于在计算光功率时，对每一波长的光功率值进行了分段，每一分段对应一组K₃和C₃值，分段的间距越小，在该分段内的K₃和C₃的实际值越接近于常数，使得测量的准确度得到很大提高。

附图说明

图1是采用传统线性放大器的光功率测量系统示意图；

图2是本发明光功率测量系统的硬件实现示意框图；

图3是本发明测量系统的采用的对数比放大器原理框图；

图4是本发明光功率测量程序流程图；

图5是本发明光功率校正程序流程图。

具体实施方式

参照图2，为本发明的测试系统，主要包括光电转换器、对数比放大器、内嵌16bitAD转换的C8051单片机、光功率OLED显示和键盘。其中：

光电转换器，为PIN光电二极管，它覆盖整个光功率测量常用的波长范围0.65～1.65μm，具有响应速度快，受温度影响小等优点，经过光电二极管完成光信号到电流信号的转换。表1为光电二极管在25℃下的响应度。

表1 光电二极管的响应度

对数比放大器，其工作电压为3-5.5V，是一款动态范围很大的对数比放大器，包含有光电二极管接口，对数比放大电路，温度补偿电路，以及线性放大电路。如图3所示，光电二极管的输出电流I_PD作为对数比放大器的输入，该电流信号先经过对数比放大，对小信号放大倍数大，大信号放大倍数小；再经过温度补偿电路，提高转换精度；最后输入线性运算放大器以保证输出的信号满足AD转换器对输入信号的要求，线性运算放大器作为缓冲级调节这一信号以便最大限度的利用16bitAD转换的精度。

参照图3，本发明的测试步骤如下：

步骤1，根据测量系统构建光功率公式

1)由对数放大器的输入和输出关系得到对数比放大器的输出电压：

V_{OUT} = G [V_{Y} \times \frac{R_{Z}}{R_{Z} + R_{LOG}} \times \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + V_{REF} \times \frac{R_{LOG}}{R_{LOG} + R_{Z}}] - - - (1)

其中

G = 1 + \frac{R_{A}}{R_{B}},

R_LOG＝5kΩ，I_PD＝ρP_PD

I_PD是光电二极管输出的电流；I_Z是光电二极管截止电流；ρ是光电二极管的响应度，P_PD是输入的光功率值；电阻R_z，R_A和R_B以及参考电压V_Y，V_REF均为所选对数比放大器的确定参数，为常数。

2)对(1)式进行化简：

令

K_{1} = G \times V_{Y} \times \frac{R_{Z}}{R_{Z} + R_{LOG}},

C_{1} = G \times V_{REF} \times \frac{R_{LOG}}{R_{LOG} + R_{Z}}

此处K₁和C₁均为常数，对数比放大器内部所接电阻网络决定。

化简(1)式为：

Vout = K_{1} \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + C_{1} - - - (2)

3)对(2)式进行化简：

令P＝10log₁₀ P_PD，

K_{2} = \frac{10}{K_{1}},

C_{2} = {10 \log}_{10} (\frac{I_{Z}}{ρ}) - \frac{{10 C}_{1}}{K_{1}},

化简(2)式为：

P＝K₂V_out+C₂ (3)

式中K₂和C₂是常数，所以放大器输出电压值V_out和被测功率值P(以dBm表示)就成为简单的线性对应关系。这样避免了繁琐的对数运算，使得后继的程序处理和结果计算就变得简单了；

4)对(3)进行代换得到最终光功率计算公式：

将V_OUT＝σβ代入(3)式，其中β是AD转换值的平均值，σ是AD转换器最小量化间隔，得：

P＝K₂V_out+C₂

同时令K₂σ＝K₃，C₂＝C₃得最终光功率计算公式：

P＝K₃β+C₃ (4)

从(4)式可知，利用AD转换值β就可以直接计算出光功率值。

步骤2，选择被测信号波长。

先通过键盘选择被测光信号的波长，键盘的每个操作对应着相应的编码，这些编码依次发给C8051单片机，该单片机根据接收到的编码执行相应操作，控制OLED显示，再将载有被测光源的光纤与光端连接。

步骤3，根据选择的波长配置AD转换器，读取光端接收到的光源信号，并经过光电二极管转换成电信号后送到对数比放大器进行放大，由对数比放大器输入和输出关系可以得到：

Vout = K_{1} \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + C_{1}

I_PD＝ρP_PD

其中，Vout是对数比放大器的输出电压；I_PD是光电二极管输出的电流；I_Z是光电二极管截止电流，在此为常数；K₁和C₁是常数，由对数比放大器内部电阻网络决定；ρ是光电二极管的响应度；P_PD是输入的光功率值。

步骤4，对放大后的信号进行AD采样，确定光功率计算公式中的β值。

对数比放大器输出的电压信号送AD模块进行采样，该AD模块内嵌与C8051单片机中，经过N次AD采样获得N个AD转换值，对这N个值求平均得到计算光功率的关键参数β，N≥2，本实施例取N为7次，该步操作由软件实现。

步骤5，判断β的值是否超出量程，若超出量程则通过OLED提示，结束测量；若符合量程要求则继续进行测量。

步骤6，判断β所在的位置，确定计算光功率的关键参数K₃和C₃的值。

将当前正在测量光源的波长按标准光源的功率分段，将β值与标准光源边界值进行比较，判断β在所属功率分段的位置，根据β所在位置选择相应K₃和C₃，该K₃和C₃由对数比放大器的内部电阻网络决定，每一段对应一个K₃和C₃值，通过输入标准光功率源来计算出，具体过程是：

首先，将光功率计所能测量的范围分为三段，按照分段要求输入不同的标准光功率值A，B和C，对应的AD转换值分别为D，E和F，以此作为AD转换器的分界值，在每一功率段内算出K₃和C₃值，计算公式为：

K₃＝(B-A)/(E-D)，C₃＝A-K₃D，此处为第一段 (5)

然后，把K₃、C₃和D、E、F依次存成表，测量时，先读入AD值β，再与AD边界值比较，确定β值处于哪一分段，选择相应分段的K₃和C₃。

步骤7，根据所确定的参数计算的光功率值。

将已经确定的β、K₃和C₃值代入光功率计算公式P＝K₃β+C₃，获得被测信号的功率值P，并将该功率值送OLED显示。

图5是光功率校正程序的流程图，一次光功率校正实施例如下：

1)通过键盘选择被校正光源信号的波长，校正程序配置AD转换器。并将标准光源信号与光端连接。

2)通过键盘输入需要校正标准光功率点，从最小功率点开始，该点的功率值应与光端收到的标准光源的功率值一致。

3)标准光源信号依次经光电转换器和对数比放大器后进入AD转换器，AD转换器循环读入N次数据，获得N个AD转换值，并求出这些转换值的平均值β；

4)判断β是否为AD转换器的端点值，如果是则根据公式(5)计算出K₃和C₃的值，并将该值与对应β的值暂存起来；若β不是AD转换器的端点值，则先对AD端点值进行扩展，然后计算出K₃和C₃的值，并将该值与对应的β暂存起来；

5)将β值与AD转换器的最大值比较，若β与该值相等说明该波段需要校正的光功率点已经全部校正，如果β小于AD转换器的最大值则返回第2步，如果该波长的功率点都已经校正，则进行下一步；

6)显示程序询问是否保存当前的校正结果，如果选是，则将校正结果存入寄存器，作为计算光功率的参数使用；如果选否，则放弃校正结果；

7)根据OLED显示，选择是继续进行光功率的校正还是退出校正程序。若选择继续校正则返回第1步，选否则推出测量程序。

Claims

1.一种光功率测量方法，包括如下步骤：

1)根据测量系统构建光功率计算公式为：

P＝K₃β+C₃

式中，K₃和C₃为每一功率值分段内两个不同的常数，K₃由测量系统中对数放大器的增益决定，C₃由测量系统中对数放大器的动态范围决定；β为被测光源的AD转换的平均值；

2.根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤1所述构建光功率计算公式按如下过程进行：

<1>根据对数放大器的输入和输出关系得到对数放大器的输出电压：

V_{OUT} = G [V_{Y} \times \frac{R_{Z}}{R_{Z} + R_{LOG}} \times \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + V_{REF} \times \frac{R_{LOG}}{R_{LOG} + R_{Z}}] - - - (1)

式中

G = 1 + \frac{R_{A}}{R_{B}},

R_LOG＝5kΩ，I_PD＝ρP_PD

I_PD是光电二极管输出的电流；I_Z是光电二极管截止电流；ρ是光电二极管的响应度，P_PD是输入的光功率值；电阻R_Z，R_A和R_B以及参考电压V_Y，V_REF均为所选对数放大器的确定参数；

<2>对(1)式进行化简：

令

K_{1} = G \times V_{Y} \times \frac{R_{Z}}{R_{Z} + R_{LOG}},

C_{1} = G \times V_{REF} \times \frac{R_{LOG}}{R_{LOG} + R_{Z}}

K₁和C₁均为常数，由芯片外部所接电阻网络决定，

化简(1)式为：

Vout = K_{1} \log_{10} (\frac{I_{PD}}{I_{Z}}) + C_{1}; - - - (2)

<3>对(2)式进行化简：

令P＝10log₁₀P_PD；

K_{2} = \frac{10}{K_{1}};

C_{2} = {10 \log}_{10} (\frac{I_{Z}}{ρ}) - \frac{{10 C}_{1}}{K_{1}},

化简(2)式为：

P＝K₂V_out+C₂ (3)

<4>对(3)进行代换：

P＝K₂V_out+C₂

同时令K₂σ＝K₃，C₂＝C₃得最终光功率计算公式：

P＝K₃β+C₃。 (4)

3，根据权利要求1所述的测量方法，其中步骤8所述K₃和C₃的确定可有由如下过程进行：

1)将光功率计所能测量的范围分为三段，按照分段要求输入不同的标准光功率值A，B和C，对应的AD转换值分别为D，E和F，以此作为AD转换器的分界值；

2)在每一功率段内算出K₃和C₃值，计算公式为：

K₃＝(B-A)/(E-D)，C₃＝A-K₃D，此处为第一段

3)将K₃、C₃和D、E、F依次存成表，测量时，先读入AD值β，再与AD边界值比较，确定β值处于哪一分段，选择相应分段的K₃和C₃。