徐宏宇，刘潇

　　（沈阳航空航天大学 研究生院，辽宁 沈阳 110136）

       摘要：设计了一种基于ST公司CortexM4内核的ARM系列产品STM32F407ZG偏振相关损耗测量系统，包括系统设计理论、软硬件设计结构及实现方法。光通过偏振控制器调整偏振态，通过待测物后送往后续的光电转换模块，经放大过滤到达A/D采集模块，最后送往主控单元M4进行处理完成测量。

　　关键词：偏振相关损耗；STM32F407ZG；偏振控制器；测量系统

　　中图分类号：TP913.7文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.010

　　引用格式：徐宏宇，刘潇. 基于STM32的偏振相关损耗测量系统设计［J］.微型机与应用，2017,36（1）：32-34.

0引言

　　偏振相关损耗（Polarization Dependent Loss, PDL）是针对光存在偏振的情况下，通过光无源器件后，引起光功率值的变化。由于信号在传输过程中偏振不仅仅存在于光纤网络内，还会沿着光纤链路不断地增长，给传输质量带来严重影响，而且当某个光无源器件的PDL在系统内功率波动较大时，会使系统的比特错误率增大，因此对偏振相关损耗的测量变得非常必要。

1偏振相关损耗理论分析

　　偏振相关损耗的基本定义式如下：

　　PDL=10log(Pmax/Pmin)（1）

　　单位为dB，其中Pmax是光通过全部偏振态后的功率最大值，Pmin是光通过全部偏振态后的功率最小值。

　　光是一种横波，从光的波动来分析偏振相关损耗。当光以入射角θ1从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质中，折射角为θ2。又因为光是电磁波，则假定s是振动方向平行于入射面的电矢量，p是振动方向垂直于入射面的电矢量，设ts是s方向光能量的复振幅透射系数，tp是p方向的复振幅透射系数。由波动光学理论可得如下公式：

　　由上式可知ts与tp不相等，则会产生偏振相关损耗。由PDL基本定义可得单一界面产生的偏振相关损耗为：

　　PDL=－20log［cos(θ1－θ2)］（4）

　　由折射定律n1sin(θ1)=n2sin(θ2)可得到θ1的表达式，则可推出：

　　PDL=－20log{cos［θ1－arcsin(n1sinθ1/n2)］}（5）

　　由式（5）可知PDL主要与光入射角和光学界面两边媒质折射率相关，为进一步分析其与入射角的关系，对式（5）求θ1偏导得：

　　在实际中θ1的值一般比较小，在0~80范围内，由式（6）可知当n1≥n2时，由折射定律可知θ1≤θ2，可推出tg(θ1－θ2)≤0，1－n1cosθ1n2cosθ2≤0，由此可得出对θ1的一阶偏导大于等于0，而当θ1≥θ2时同理可得其仍然成立。

　　从以上分析可得偏振相关损耗PDL会随着入射角的增大而增大，与其成正比。同时由式（5）知PDL还与两媒质折射率差值Δn有关，差值越大，偏振相关损耗越大。由式（5）可知，在知道光无源器件的折射率、入射端面角度等参数下，可以在理论上估计其偏振相关损耗的理论极限值。

2偏振相关损耗测量方案

　　IEC：2009（E）61300-3-2规定了两种测试偏振相关损耗的方法，分别为全状态扫描法和mueller矩阵法［12］。

　　2.1全状态扫描法

　　全状态扫描法又分为步进扫描法和时间扫描法。步进扫描法是控制偏振控制器沿着设定的轨迹在邦加球上扫描，扫描方式有经线步进纬线扫描或纬线步进经线扫描两种。完成扫描后找到光功率最大值和最小值，即可得到PDL。但对于测量精确度要求较高的场合下，其测试的步距变小，测试点数大大增加，也增加了测试时间。时间扫描法与步进扫描法基本类似，主要区别是给偏振控制器发送一条扫描时间长度的控制指令，让偏振控制器在规定时间内产生各种偏振态的光，但不知道偏振态数量和偏振方向。其重复性不如步进扫描法，且与时间连接比较紧密，扫描时间越长精度越高，重复性越好。

　　2.2mueller矩阵法

　　mueller矩阵法是利用了其与邦加球有很好的对应关系，利用此方法只需要用到光的4个偏振态结合mueller矩阵以及数学中求极值公式即可得到被测件的偏振相关损耗。其公式为：

　　其中m11、m21、m31、m41为mueller矩阵第一列的元素，只需求得mueller矩阵的第一列元素即可求得PDL。这种方法能够实现快速测量，但容易受到光源稳定性和偏振态的影响。

　　本文根据以上测试方法的优缺点，对偏振控制器的控制进行改变，改变其扫描步长及扫描时间，使输出的偏振光尽可能地落在椭圆偏振态，对于特定波长的PDL，既缩短了测试时间，又使得测试方案简单易操作，而且对偏振态稳定性的依赖降低，同时降低了对偏振控制器控制的复杂度，测量误差比较小。

3系统设计理论

　　偏振相关损耗（PDL）测试系统［3］主要由光源、偏振控制器、光功率计模块［45］、A/D转换模块及MCU等组成。图1为系统框架图。

　　光功率计模块包括光电探测器、放大器和A/D转换模块。通过改变偏振控制器［67］对光纤的压力调整偏振态，得到不同状态的偏振光，通过待测物经光电转换、仪表放大过滤，送往A/D转换模块，最后经过DMA送往MCU处理显示。

4硬件电路设计

　　4.1偏振控制电路设计

　　对偏振控制器的精确控制是整个系统的关键部分，设计采用STM32控制步进电机及外围驱动电路控制偏振控制器，步进电机能够对速度和位置精确控制，且没有累计误差,因此能够准确地得到所需的偏振态。其电路连接如图2所示。

　　4.2前置放大电路设计

　　偏振光经过光电探测器转换后的光电流比较微弱，需要进行放大后才能够送给A/D转换模块进行处理。在这里使用噪声比较低、价格相对便宜的CAN型OP放大器LF356H作为前置放大电路器件，其特性如下：

　　（1）电流—电压变换增益为1 V/μA;

　　（2）振幅—频率特性：在100 kHz时，-3 dB以内最大输出电压±10 V，其电路如图3所示。

　　经过前置放大电路［89］以后由于输出电压比较小，信号比较微弱，还需经过第二级放大电路放大。本设计采用可编程增益仪表放大器［1011］AD8253进行第二级放大，其具有GΩ级输入阻抗、低输出噪声、低失真特性，能很好地驱动高采样速率的模数转换器(ADC)，使其成为ADC驱动器的绝佳选择，并且其可实现1、10、100、1 000放大量程的切换，可根据输入信号大小来切换量程。

　　4.3主控电路和A/D电路

　　综合考虑成本，主控芯片性能以及系统低功耗、可靠性、准确性等，主控电路采用ST公司的STM32F407最小系统，为使电路最大程度地集成化，减少外围电路，则A/D转换电路采用STM32F407自带的A/D转换芯片。

　　主控芯片电路图如图4所示。

　　图4是本次设计系统的主控芯片，工作电压为5 V，其外围连接了一些LED,用于指示程序正在运行。

　　STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有19个通道，这些通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，其最大转换速率可达2.4 MHz。该性能能够很好地满足设计要求，而且为电路设计和后续的软件编程带来方便。

5系统软件设计

　　图5软件系统流程图信号经过硬件电路采集以后，需要软件部分进行处理显示，软件部分程序流程图如图5所示。在A/D采集前系统应判断输入信号是否在A/D可采集的范围内，若不是，系统需调整AD8253的放大倍数来使信号符合A/D采集信号大小，此部分由系统自动识别判断。然后根据前面所给出的公式计算出光功率，并根据PDL公式计算出偏振相关损耗。

　　采用1 310 nm的DFB稳定光源进行测试，得到不同测试次数下PDL的数据如表1所示。

　　由表1可知此测量系统能很好地完成PDL的测试，且误差比较小，满足测量精度。　

6结论

　　基于STM32F4的偏振相关损耗测量系统，依靠偏振控制器改变光的输出偏振态，能够很好地测量出光通过无源器件后偏振相关损耗。而且STM32F4在速度、功耗、成本等方面表现出其自身的优势，自带ADC使设计简单化，而且能够扩展丰富外设。

参考文献

　　［1］ IEC：2009（E）6130032. Fibre optic interconnecting devices and passive componentsBasic test and measurement proceduresPart 3-2: Examination and measurementsPolarization dependent loss in a singlemode fibre optic device［S］.2009.

　　［2］ 王恒飞, 应承平, 全治科.光无源器件偏振依赖损耗的测试方法［J］. 光子技术，2005（3）：140 144.

　　［3］ 杜维国．光无源器件测试系统设计和测试误差分析［J］.电子测量与仪器学报，2009,23（S1）：78 84.

　　［4］ 徐波．一种通用光功率计的实现原理［［J］．电子质量，2006(5)：3 7.

　　［5］ 吴雨欣，廖平，丁睿明．基于CAN总线的嵌入式光功率实时监测系统设计［J］．微计算机信息，2012,28（6）：69 70，169.

　　［6］ 侯庆祥．基于数字信号处理的偏振控制技术研究［D］．北京：北京邮电大学，2015.

　　［7］ 张启业，朱勇，苏洋，等.光纤挤压型偏振控制器的“极地盲区”问题研究［J］.光学学报，2013,33（5）：15 20.

　　［8］ 远坂俊昭．测量电子电路设计—模拟篇（第11版）［M］．彭军，译．北京：科学出版社，2015.

　　［9］ 安慰东，刘杰，包德州，等．纳伏级微弱信号放大电路的设计［J］．电子测试，2012（8）：52 55.

　　［10］ 李乐乐．低功耗、高精度、宽共模输入范围仪表放大器的研究与设计［D］．上海：复旦大学，2013.

　　［11］ 崔利平．仪表放大器电路设计［J］．现代电子技术，2009,32（11）：87 89.