本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 智能化光時(shí)域反射儀的設(shè)計(jì)研究

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1、 學(xué) 號(hào)： 題目類型： 論文 (設(shè)計(jì)、論文、報(bào)告) 桂林理工大學(xué) GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 本科畢

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

3、 指導(dǎo)教師： 陸綺榮 2012 年 5月 14日 桂林理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(yuǎn)，損耗小，抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)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(cè)試技術(shù)也成為光纖通信中很重要的一項(xiàng)技術(shù)。其中光時(shí)域反射儀是光纖測(cè)試領(lǐng)域使用頻率很多的一塊儀表，由于它可以測(cè)量光纖的長(zhǎng)度，光纖的鏈路衰減以及故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，具有測(cè)試時(shí)間短，速度快，準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛的使用于光纜線路的施工和維護(hù)中。然而現(xiàn)

4、在的光時(shí)域反射儀都是專用儀表，價(jià)格昂貴，功能單一，擴(kuò)展性差。利用虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決這些問(wèn)題。 本文采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)光時(shí)域反射儀進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。研究的內(nèi)容有：光時(shí)域反射儀工作原理，硬件電路設(shè)計(jì)，虛擬儀器程序設(shè)計(jì)，瑞利散射，菲涅爾反射以及光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的背向散射光來(lái)獲取衰減信息的基本原理。通過(guò)設(shè)計(jì)研究得出結(jié)論：基于虛擬儀器技術(shù)的光時(shí)域反射儀的精度可以達(dá)到很高，滿足光纖通信系統(tǒng)的測(cè)試。另外，由于虛擬儀器技術(shù)基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，可以很方便的擴(kuò)展各種功能，可以實(shí)現(xiàn)采集信息的處理、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸，體現(xiàn)了光時(shí)域反射儀智能化的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：光時(shí)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(shí)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(cè)試光波長(zhǎng) …………………………………………………………………7 3.3 脈沖寬度與脈沖周期 ………………………………………………………7 3.4 動(dòng)態(tài)范圍 ……………………………………………………………………8 3.5 采樣分辨率 …………………………………………………………………8 4 硬件電路設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………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(dǎo)體激光器介紹 …………………………………………………10 4.2.2 激光器電路設(shè)計(jì) ……………………………………………………10 4.2.3 電壓跟隨器 …………………………………………………………12 4.3 光環(huán)型器 ……………………………………………………………………12 4.4 光電檢測(cè)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(cè)器電路設(shè)計(jì) ………………………………………………14 4.4.4 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 …………………………………………………17 5 虛擬儀器設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………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(jì) …………………………………………………………19 5.3.1 數(shù)字

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

17、……………………………………………………………………… 29 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………… 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(yuǎn)、頻帶寬、容量大、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(huì)全面取代現(xiàn)有的以金屬導(dǎo)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(hù)中對(duì)光纖測(cè)試正成為一項(xiàng)重要的技術(shù)。 目前，對(duì)光纖測(cè)試常用儀表有光功率計(jì)、穩(wěn)定光源、光萬(wàn)用表、光時(shí)域反射儀(OTDR)和光故障定位儀。而光時(shí)域反射儀則是光纖測(cè)試技術(shù)中使用

18、頻率很多的一塊儀表，它可測(cè)量光纖長(zhǎng)度、光纖的鏈路衰減、接頭衰減和故障定位，具有測(cè)試時(shí)間短、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。所以光時(shí)域反射儀是光纖通信的重要儀表，在科研、生產(chǎn)、施工、維護(hù)等光通信鄰域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 然而，光時(shí)域反射儀都是專用的儀表，價(jià)格比較昂貴，功能單一，擴(kuò)展新差。而虛擬儀器技術(shù)有如下的優(yōu)點(diǎn)： 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(lái)的，所以它具有PC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括強(qiáng)大的處理器和文件管理，既能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，又能夠快速的進(jìn)行文件的存儲(chǔ)。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(guò)互聯(lián)網(wǎng)快速的傳輸?shù)母鱾€(gè)電腦，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程

19、操控。體現(xiàn)了虛擬儀器智能化的發(fā)展方向。 2）擴(kuò)展性強(qiáng) NI公司出品的虛擬儀器是將軟件和硬件分開(kāi)，硬件部分負(fù)責(zé)信號(hào)的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，軟件部分負(fù)責(zé)信號(hào)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(fù)責(zé)將采集到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換送給軟件進(jìn)行分析。通過(guò)將軟硬件分開(kāi)，使得虛擬儀器具有很強(qiáng)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(jì)的功能不是很多，信號(hào)處理的算法不是很完善，那么只需對(duì)軟件進(jìn)行更改就行了，而無(wú)需調(diào)整硬件電路，使虛擬儀器的擴(kuò)展性非常強(qiáng)。 3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少 首先，NI公司的labview使用的是圖形化的編程語(yǔ)言，使用起來(lái)很方便，無(wú)需編寫大量的程序，只需將幾個(gè)圖形化的控件

20、和函數(shù)連接起來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，極大的縮短了研發(fā)人員的編程時(shí)間。又由于虛擬儀器擴(kuò)展性強(qiáng)，只需更改相應(yīng)的部分就能夠使系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，也極大地縮短了研發(fā)人員的研發(fā)時(shí)間。所以虛擬儀器具有開(kāi)發(fā)時(shí)間少的優(yōu)點(diǎn)。 4）無(wú)縫集成 由于現(xiàn)在產(chǎn)品的功能越來(lái)越多，趨向于復(fù)雜化，如果只是對(duì)專用的儀器進(jìn)行功能的擴(kuò)展，那么就要花費(fèi)的大量的時(shí)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(tái)為硬件電路提供了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口，能夠?qū)⒍鄠€(gè)測(cè)量設(shè)備連接到一個(gè)虛擬儀器平臺(tái)中，使虛擬儀器功能的擴(kuò)展簡(jiǎn)單快捷，達(dá)到了無(wú)縫集成的效果。 以上這些優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有光時(shí)域反射儀的不足之處，同時(shí)也使光時(shí)域反射儀具備了計(jì)算機(jī)智

21、能化的特點(diǎn)。 本文采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)光時(shí)域反射儀進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。對(duì)光時(shí)域反射儀的設(shè)計(jì)研究分為三個(gè)部分，一個(gè)部分為工作原理的研究，一部分為硬件電路設(shè)計(jì)，一部分為虛擬儀器程序設(shè)計(jì)。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(shí)產(chǎn)生的背向散射光來(lái)獲取衰減信息的基本原理。硬件電路設(shè)計(jì)包括光時(shí)域反射儀的脈沖產(chǎn)生電路，半導(dǎo)體激光器，光耦合器，光電檢測(cè)器和信號(hào)放大電路。虛擬儀器程序設(shè)計(jì)包括光時(shí)域反射儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)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(dāng)光通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)，它會(huì)偏離原來(lái)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(xué)均勻性不均勻，一種是在空間中懸浮的質(zhì)點(diǎn)，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(dǎo)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(guò)介質(zhì)發(fā)生散射時(shí)沒(méi)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(zhǎng)以下。在光纖通信中，瑞利散射是最強(qiáng)的自發(fā)散射的過(guò)程，它是由于光纖在制造的過(guò)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(zhǎng)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(diǎn)： a.散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)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(qiáng)隨觀察方向而改變，散射光強(qiáng)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(shí)散射光的強(qiáng)度[1]。 由公式（3-2）可知，當(dāng)θ=-π時(shí)，即為背向散射。它為光強(qiáng)

24、度的兩倍。 2.2 菲涅爾反射 當(dāng)光線從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射光和折射光。當(dāng)光線入射到兩個(gè)介質(zhì)的分界面時(shí)，有一部分光會(huì)被反射，回到原來(lái)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(shí)，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(dāng)光線從光密

25、介質(zhì)n1入射到光疏介質(zhì)n2時(shí)，折射角比入射角大。當(dāng)θ2=π/2時(shí)，θ1即為一臨界角。當(dāng)入射角θ1大于臨界角時(shí)，那么入射光就會(huì)在兩個(gè)介質(zhì)的分界面產(chǎn)生全反射，而沒(méi)有折射光產(chǎn)生。光纖就是通過(guò)這一原理使光在光纖中傳輸，由于入射光發(fā)生全反射時(shí)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(yuǎn)。 菲涅爾反射指的是反射/折射與入射光之間的關(guān)系。簡(jiǎn)單的講，就是入射光垂直于表面時(shí)，反射較弱，而當(dāng)入射光非垂直表面時(shí)，夾角越小，反射越明顯。在真實(shí)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(qiáng)度與兩種媒質(zhì)的相對(duì)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(jìn)入媒質(zhì)2（折射率為n2）產(chǎn)生的反射光光強(qiáng)為P1，則菲涅爾反射光強(qiáng)有如下關(guān)系式 （3-4） 根據(jù)公式（3-4）可知，當(dāng)光線入射到折射率不同的兩個(gè)介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生菲涅爾反射。兩個(gè)介質(zhì)的折射率偏差越大，那么菲涅爾反射越強(qiáng)。 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(dǎo)散射損耗和非線性散射損耗。一類為光纖在使用過(guò)程中彎曲造成的，當(dāng)光纖的彎曲度大于一定的曲率半徑時(shí)就會(huì)

27、有一部分光從光纖中泄露出來(lái)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(jìn)行了不同程度的衰減。假設(shè)入射光Pi經(jīng)過(guò)距離為L(zhǎng)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(dāng)入射光Po由光纖端口注入到距離為L(zhǎng)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(shí)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(guò)的距離為2L。 對(duì)Pb取對(duì)數(shù)作為光纖鏈路圖縱坐標(biāo)，單位為dBm。 光信號(hào)從光纖端口進(jìn)入，經(jīng)距離為L(zhǎng)的光纖后產(chǎn)生背向散射回到光纖端口的時(shí)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(kāi)始到回到起點(diǎn)的時(shí)間。 根據(jù)公式（3-7）可知，當(dāng)對(duì)光纖端口發(fā)出一個(gè)很

29、短的光脈沖，并在此刻開(kāi)始記錄背向散射光的時(shí)間，就可以知道背向散射光功率對(duì)應(yīng)的光纖的距離，作為光纖鏈路圖的橫坐標(biāo)，從而可以顯示該光纖的背向散射曲線。 3 光時(shí)域反射儀的工作原理 光時(shí)域反射儀的英文名稱為Optical Time Domain Reflectometer，簡(jiǎn)寫為OTDR。 光時(shí)域反射儀用到的光學(xué)理論主要有瑞利散射和菲涅爾反射，這種測(cè)量方法由M.Barnoskim和M.Jensen 在1976年發(fā)明的。 當(dāng)光時(shí)域反射儀工作時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)很窄的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)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(guò)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(huì)對(duì)光脈沖產(chǎn)生瑞利散射，其中背向散射光會(huì)返回光纖的初始端口經(jīng)光耦合器送到光電檢測(cè)器。光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)經(jīng)放大器放大處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)輸送給信號(hào)處理單元進(jìn)行信號(hào)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(cè)量產(chǎn)生的誤差比較大，通常都是由脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出多個(gè)脈沖，對(duì)光纖進(jìn)行多次測(cè)量求平均值來(lái)消減隨機(jī)誤差從而使測(cè)量精度滿足要求[3]。OTDR原理框圖如圖2。 脈沖信號(hào)發(fā)生器 信號(hào)處理與鏈路分析 光纖 光耦合器 激光器

31、 光電檢測(cè)器 放大器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 圖2 OTDR原理框圖 在測(cè)試中，一些參數(shù)也影響著光時(shí)域反射儀的性能。它們有瑞利散射和菲涅爾反射，測(cè)試光波長(zhǎng)，脈沖寬度，動(dòng)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(shí)域反射儀能將反射回來(lái)的光功率記錄下來(lái)形成光纖鏈路圖。瑞利背向散射光能量級(jí)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(dāng)光到達(dá)折射率突變的位置時(shí)，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(jī)械接頭、光纖斷裂或打開(kāi)的連接器。菲涅爾反射光要比瑞利背向散射光的能級(jí)高得多，在OTDR軌跡中以尖峰的形式表現(xiàn)出來(lái)。所以菲涅爾反射通常用來(lái)檢測(cè)光纖鏈路的事件點(diǎn)。圖3說(shuō)明了產(chǎn)生菲涅爾反射的不同連接。 圖3 (1) 機(jī)械接頭、(2) 光纖適配器和(3) 打開(kāi)的連接器產(chǎn)生的菲涅爾反射 3.2 測(cè)試光波長(zhǎng) 在OTDR中，測(cè)試光波長(zhǎng)通常為1310nm和1550nm。根據(jù)瑞利散射公式（3-1）可知：波長(zhǎng)越短，瑞利散射的光功率就越強(qiáng)，所以1310nm波長(zhǎng)的曲線會(huì)比1550nm波長(zhǎng)的曲線高，動(dòng)態(tài)范圍好。但是在測(cè)試長(zhǎng)距離光纖時(shí)，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(zhǎng)距離測(cè)試的時(shí)候宜采用1550nm作為測(cè)試波長(zhǎng)，普通的短距離測(cè)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(hào)發(fā)生器來(lái)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(yuǎn)，測(cè)量的曲線就越清晰，適合于檢測(cè)長(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)距離的傳輸后產(chǎn)生的背向散射就會(huì)衰減很多，很容易淹沒(méi)到噪聲當(dāng)中使曲線模糊不清，所以窄的脈沖寬度不適合于測(cè)試長(zhǎng)距離的光纖，但

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

35、兩種定義動(dòng)態(tài)范圍的方法： 1.峰值法：它由背向散射開(kāi)始測(cè)到噪聲的峰值。 2. SNR=1法：這里動(dòng)態(tài)范圍測(cè)到噪聲的均方根值為止，顯然這種測(cè)量方法的動(dòng)態(tài)范圍要比峰值法要高。 光時(shí)域反射儀的動(dòng)態(tài)范圍指的是光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指光接收機(jī)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(dāng)光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大，測(cè)量光纖的距離也就越長(zhǎng)。 3.5 采樣分辨率 采樣分辨率指的是兩個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)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(dāng)采樣分辨率越高時(shí)，兩個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)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(diǎn)，使光時(shí)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(jì) 4.1 脈沖產(chǎn)生電路 脈沖產(chǎn)生電路由AT89S52單片機(jī)電路構(gòu)成。單片機(jī)電路產(chǎn)生周期為1ms的脈沖信號(hào)，脈沖寬度為1us。此時(shí)，此時(shí)光時(shí)域反射儀的最大測(cè)量時(shí)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(shí)域反

37、射儀最大量程約為100km。脈沖信號(hào)如圖5。 圖5 脈沖信號(hào) 脈沖產(chǎn)生電路如圖6。該單片機(jī)電路采用24MHz晶振，一個(gè)機(jī)器周期為0.5us，可滿足設(shè)計(jì)要求。開(kāi)關(guān)S1控制單片機(jī)工作，當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S1時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)，P2.7腳向激光器電路發(fā)出周期性的脈沖，同時(shí)P2.6腳向虛擬儀器接口發(fā)出啟動(dòng)電平，讓虛擬儀器開(kāi)始工作，記錄此時(shí)的光功率及對(duì)應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)P2.7腳不再產(chǎn)生脈沖信號(hào)時(shí)，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(dǎo)體激光器的介紹 半導(dǎo)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(dǎo)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(guò)改變輸入電流來(lái)改變光功率，調(diào)制過(guò)程簡(jiǎn)單，因此這種激光器使用很廣泛。 半導(dǎo)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)?，反向截止的特征。所以半?dǎo)體激光器在電路中應(yīng)該正向偏置才能發(fā)光。

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

40、半導(dǎo)體激光器。由第3章測(cè)試光波長(zhǎng)的分析可知，當(dāng)選用量程為100km測(cè)量光纖時(shí)，測(cè)試光波長(zhǎng)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(zhǎng)為1550nm。本文選用深圳市奧普徠斯科技有限公司OPLS-LD1550FP1CWF/G型號(hào)的半導(dǎo)體激光器，其參數(shù)如表1。 表1 半導(dǎo)體激光器(OPLS-LD1550FP1CWF/G)的工作參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 測(cè)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(zhǎng) λc If=Iop 1530 1550 1570 nm 上升/下降時(shí)間 Ti/Tf If=I — 0.3 0.5 ns 相對(duì)噪聲強(qiáng)度 RIN — -150 — dB 由表1可知，該半導(dǎo)體激光器工作電壓的典型值為1.1V，此時(shí)半導(dǎo)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(dǎo)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(hù)激光器避免受到反向電壓的

42、損壞，激光器并聯(lián)一個(gè)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(diǎn)，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，滿足后一級(jí)的電路的性能指標(biāo)。又由于輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開(kāi)路，即輸入電壓不受后級(jí)電路的影響；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓也不受后級(jí)電路阻抗影響。這一特點(diǎn)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(fù)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(gè)電壓跟隨器作為緩沖級(jí)，提高電路帶負(fù)載能力。同時(shí)，電壓跟隨器具有隔離的功能，可以隔離前后級(jí)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(yùn)放，它的頻帶寬度為100MHz，供應(yīng)電壓為3~12V，滿足設(shè)計(jì)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(wú)源器件，具有光信號(hào)沿規(guī)定的順序端口正向傳輸導(dǎo)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(shí)域反射儀當(dāng)中。 在光時(shí)域反射儀中，用到的光器件有半導(dǎo)體激光器，光環(huán)形器和PIN光電二極管。通過(guò)光環(huán)型器，可以使入射光和反射回來(lái)的光有效地隔離。光時(shí)域反射儀光器件的連接和光信號(hào)傳輸方向如圖9。 半導(dǎo)體激光器 光環(huán)路器 PIN光電二極管 光纖

44、  圖9 光時(shí)域反射儀光器件的連接和光信號(hào)傳輸方向 4.4 光電檢測(cè)電路 4.4.1 PIN光電二極管 光電檢測(cè)器主要是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，它能感應(yīng)光照的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。目前主要用的光電檢測(cè)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(hào)光電流發(fā)生倍增，從而使接收機(jī)靈敏度增加[6]。但是光電流發(fā)生倍增的同時(shí)，會(huì)使噪聲電流同時(shí)倍增，不利于信號(hào)的檢測(cè)，同時(shí)APD的反向偏置電壓很高[7]，達(dá)到45V以上，電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難，所以本

45、文不用APD光電二極管作為光電檢測(cè)器的檢測(cè)部件。PIN光電二極管雖然沒(méi)有雪崩效應(yīng)，但是PIN光電二極管靈敏度也很高，響應(yīng)時(shí)間短，偏置電壓低，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。所以本文選用PIN光電二極管作為光電檢測(cè)器的檢測(cè)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(hào)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(hào) 測(cè)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(zhǎng)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(cè)出的光電流十分的微弱，而放大器在放大的過(guò)程中也會(huì)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(gè)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(jì)比較復(fù)雜，但是它具有寬頻帶，低噪聲，高靈敏度，大動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用互阻抗連接設(shè)計(jì)前置放大器。 4.4.3 光電檢測(cè)器電路設(shè)計(jì) 光電檢測(cè)電路如圖10。本文選用的運(yùn)放為AD645，它是一個(gè)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(hào)為0時(shí),實(shí)際電路輸出信號(hào)不一定為0V，所以要對(duì)放大器進(jìn)行失調(diào)電壓調(diào)整,通過(guò)在調(diào)零端子1腳和5腳之間接入一個(gè)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(shí)輸入信號(hào)為零，通過(guò)調(diào)整電位器R3，使電路輸出端對(duì)地電壓為零,此時(shí)可以將運(yùn)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(jī)的準(zhǔn)確度大大提高。 圖10 光電檢測(cè)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(yùn)算放大器是運(yùn)算放大電路的基礎(chǔ)上在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)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(hào)中的高頻成分，并對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大，使輸出信號(hào)更加穩(wěn)定，精確。 當(dāng)光照射光電二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電流，從PIN光電二極管的N級(jí)流向P級(jí)，根據(jù)運(yùn)算放大器虛斷的原理，也會(huì)從電壓輸出腳6腳到運(yùn)算放大器的2腳產(chǎn)生一個(gè)反饋電流，不計(jì)電容，可以算出輸出電壓與的關(guān)系： （4-2） 帶上電容進(jìn)行計(jì)算，就可以把運(yùn)算放大器看成一個(gè)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(jiǎn)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(yùn)放內(nèi)部本身有電容影響，根據(jù)AD645的運(yùn)放資料可知它的實(shí)際截止頻率應(yīng)為26Hz，如圖11。 圖11 AD645實(shí)際截止頻率 圖12描繪了AD645前置放大電路有濾波器和沒(méi)有濾波器的電壓噪聲譜密度的變化。in是運(yùn)放P極噪聲

51、，en是運(yùn)放N極噪聲，is和if是光電二極管光電流和運(yùn)放反饋電流的噪聲。 圖12 AD645前置放大電路有濾波器和沒(méi)有濾波器的電壓噪聲頻譜密度的變化 4.4.4 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是在保證系統(tǒng)的誤碼率指標(biāo)要求下，光接收機(jī)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(lái)表示[1]。 由于運(yùn)放AD645提供的工作電壓為15V，由此可知當(dāng)運(yùn)放的輸出端電壓為15V時(shí)，輸出電壓達(dá)到飽和，此時(shí)對(duì)應(yīng)了接收機(jī)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(jì)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(dāng)，小于這個(gè)值將無(wú)法分辨出來(lái)而視作噪聲處理，這個(gè)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(duì)噪聲電壓進(jìn)行測(cè)量。噪聲測(cè)量的方法有兩種，一種是電壓表測(cè)量，一種是示波器測(cè)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(hào)，所以本文選用示波器測(cè)量接收機(jī)的噪聲。“測(cè)量時(shí)，將被測(cè)信號(hào)通過(guò)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(dòng)的亮線，這條亮線垂直方向

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

54、能。當(dāng)信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，就將模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，以便就計(jì)算機(jī)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(yǔ)言，內(nèi)置了各種功能的函數(shù)及控件，極大地簡(jiǎn)化了工程人員的設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短研發(fā)周期。labview軟件的設(shè)計(jì)包括虛擬儀器前面板的設(shè)計(jì)和虛擬儀器流程圖的設(shè)計(jì)?！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(shí)儀器的前面板，流程圖是圖形化的源代碼，是虛擬儀器測(cè)試功能軟件的圖形化表述”[10]。通過(guò)虛擬儀器程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)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(guò)設(shè)計(jì)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(jì)光時(shí)域反射儀的數(shù)據(jù)采集模塊，信號(hào)處理模塊，圖形顯示模塊就是通過(guò)虛擬儀器來(lái)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(hào)系統(tǒng)采樣頻率的一半，即24kHz。如果信號(hào)頻率低于奈奎斯特頻率，那么采樣的信號(hào)可以完整的恢復(fù)成原始信號(hào)，如果信號(hào)頻率高于奈奎斯特頻率，那么就會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致恢復(fù)出的原始信號(hào)失真[10]。雖然該采集卡的采樣點(diǎn)數(shù)比較低，但對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)還是足夠的。 NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡模擬信號(hào)端

56、子的2端口（AI0）和1端口（GND）接光電檢測(cè)電路的NI_1腳和地。NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字信號(hào)端子的17端口（P0.0）和32端口（GND）接單片機(jī)CONTROL腳和信號(hào)地，當(dāng)CONTROL腳發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)到虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，虛擬儀器開(kāi)始工作，記錄此時(shí)的光功率和對(duì)應(yīng)的時(shí)間，從而繪制出光纖的屬性圖，當(dāng)CONTROL腳發(fā)出停止電平時(shí)，虛擬儀器停止工作。 5.3 虛擬儀器程序設(shè)計(jì) 5.3.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 由于采集到的信號(hào)比較微弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)，噪聲電平就比較大，所以需要用數(shù)字濾波器來(lái)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)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?yàn)V

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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。巴特沃斯濾波器的程序設(shè)計(jì)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(jì) 5.3.2 公式節(jié)點(diǎn) 由于虛擬儀器數(shù)據(jù)采集卡采集的是電壓信號(hào)，還應(yīng)該將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為光功率。這就要用到虛擬儀器的公式節(jié)點(diǎn)法。在公式節(jié)點(diǎn)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(duì)光功率取對(duì)數(shù)，減去最小輸入光功率-80dBm,就可以確定該點(diǎn)的光功率對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)的值。 （5-2） 為了避免重復(fù)使用公式節(jié)點(diǎn)框，可以直接在公式節(jié)點(diǎn)框中輸入縱坐標(biāo)的值與輸入電壓的關(guān)系式。公式節(jié)點(diǎn)框如圖14。 圖14 公式節(jié)點(diǎn)框 在輸入公式時(shí)應(yīng)注意，公式中每一個(gè)變量都應(yīng)該與輸入變量或輸出變量相對(duì)應(yīng)，乘方用“**”表示，以10為底的對(duì)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(hào)。此時(shí)，就將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成縱坐標(biāo)的值供波形圖顯示。 由于采集的信號(hào)是數(shù)組數(shù)據(jù)，如果要對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，那么就要加上for語(yǔ)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(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。48指的是每次采集的數(shù)據(jù)有48個(gè)采樣點(diǎn)。 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(dá)的。它是一個(gè)簇類型，包括了數(shù)字波形的起始時(shí)間to，時(shí)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(biāo)的數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)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(gè)框輸入起始時(shí)間，中間一個(gè)

60、框輸入時(shí)間間隔，最下面一個(gè)框輸入波形數(shù)據(jù)。時(shí)間間隔指的是每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)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(biāo)不是時(shí)間，而是長(zhǎng)度。那么在上面的一個(gè)框中應(yīng)輸入光纖的起始長(zhǎng)度為0m。在中間一個(gè)框中應(yīng)輸入長(zhǎng)度間隔，即每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)之間對(duì)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(gè)采樣點(diǎn)之間相隔的時(shí)間為21us。由公式（3-7）可得，兩采樣點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的距離為2.15km。在最下面一個(gè)方框中連接經(jīng)公式節(jié)點(diǎn)框出來(lái)的縱坐標(biāo)的值，此時(shí)，就得到一個(gè)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(lái)。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(diǎn) 當(dāng)波形數(shù)據(jù)處理好后，就要將波形送入波形圖進(jìn)行顯示。如果想對(duì)波形進(jìn)行水平放大、垂直放大更仔細(xì)的觀察光纖鏈路圖，那么就要對(duì)波形圖進(jìn)行屬性節(jié)點(diǎn)的設(shè)置。 屬性節(jié)點(diǎn)是虛擬儀器對(duì)控件屬性設(shè)置的專用函數(shù)。通過(guò)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(yùn)行時(shí)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(diǎn)對(duì)波形圖的屬性進(jìn)行設(shè)置，在程序運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)垂直放大和水平放大旋鈕來(lái)改變波形圖橫軸和縱軸的量程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖鏈路圖放大和縮小。 屬性節(jié)點(diǎn)流程圖如圖16。屬性節(jié)點(diǎn)程序是在函數(shù)選項(xiàng)板的應(yīng)用程序控制中選取。然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊連

62、接至，窗格，波形圖。那么該屬性節(jié)點(diǎn)就變成了波形圖屬性。然后單擊鼠標(biāo)右鍵選擇屬性，X標(biāo)尺，范圍，全部元素。這樣就將節(jié)點(diǎn)屬性連接到了波形圖X標(biāo)尺范圍屬性上，通過(guò)修改該節(jié)點(diǎn)屬性，就可以修改波形圖橫坐標(biāo)的量程。另個(gè)一節(jié)點(diǎn)屬性按照上述步驟將X標(biāo)尺換成Y標(biāo)尺就可以了。 修改節(jié)點(diǎn)屬性是通過(guò)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(gè)檔位都對(duì)應(yīng)著條件函數(shù)的一個(gè)條件，相當(dāng)于C語(yǔ)言中的case語(yǔ)句[12]。選擇每一個(gè)檔位，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)的條件，執(zhí)行該條件下的程序就能對(duì)光纖鏈路圖不同比例的放大和縮小。條件中的程序是一個(gè)捆綁程序，它將X標(biāo)尺，Y標(biāo)尺范圍的簇?cái)?shù)據(jù)捆綁起來(lái)送給屬性節(jié)點(diǎn)。X標(biāo)尺，Y標(biāo)尺范圍的簇?cái)?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(diǎn)流程圖 5.3.5 虛擬儀器整體設(shè)計(jì) 智能化光時(shí)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(guò)光纖鏈路圖可以分析出被測(cè)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(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍，單位為dB。波形圖的右邊是光時(shí)域反射儀的設(shè)置參數(shù)，它包括測(cè)試波長(zhǎng)為1550nm，脈沖寬度為1us，光纖量程100km，折射率1.4682，測(cè)試時(shí)間30s。下面的指示燈用來(lái)指示當(dāng)前是否在測(cè)量光纖，如果正在測(cè)量光纖，指示燈亮，如果沒(méi)有測(cè)量光纖，指示燈滅。垂直旋鈕有5個(gè)檔位，分別是5dB/div、4dB/di

64、v、3dB/div、2dB/div、1dB/div。水平旋鈕有5個(gè)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(shí)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(duì)任務(wù)進(jìn)行配置。當(dāng)開(kāi)始測(cè)量光纖時(shí)，單片機(jī)CONTROL腳向虛擬儀器發(fā)出啟動(dòng)電平，DAQ助手控制while語(yǔ)句為真開(kāi)始信號(hào)采集和處理，并控制工作指示燈亮。當(dāng)測(cè)量結(jié)束時(shí)，單片機(jī)向虛擬儀器發(fā)出結(jié)束電平，DAQ助手控制while語(yǔ)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(shí)域反射儀信號(hào)仿真 由于本文只是對(duì)光時(shí)域反射儀進(jìn)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(hào)函數(shù)來(lái)仿真實(shí)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(dòng)態(tài)范圍為18dB。  圖19 光纖鏈路的仿真圖形 鼠標(biāo)指向波形圖點(diǎn)擊右鍵，選擇選項(xiàng)，游標(biāo)圖例，然后在游標(biāo)圖例中添加兩個(gè)游標(biāo)，就可以移動(dòng)游標(biāo)到你所需要的位置。從下方的游標(biāo)圖例中可以看到游標(biāo)移動(dòng)到的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光纖的距離和采集的光功率。帶有游標(biāo)的光纖鏈路圖如圖20。 圖20 帶有游標(biāo)的光纖鏈路圖 當(dāng)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(shí)，光纖鏈路圖進(jìn)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(gè)反射峰被放大了。 圖21 放大的光纖鏈路圖 6 總結(jié) 通過(guò)對(duì)光時(shí)域反射儀的設(shè)計(jì)研究，使我學(xué)到了很多的知識(shí)。有光纖通信相關(guān)知識(shí)，光時(shí)域反射儀工作原理，硬件電路設(shè)計(jì)以及虛擬儀器程序設(shè)計(jì)。其中比較難的地方為光接收機(jī)電路的設(shè)計(jì)，我對(duì)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(jì)算，動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量方法。而虛擬儀器程序設(shè)計(jì)是一門比較新的技術(shù)，由于它采用了圖形化的編程語(yǔ)言，用軟件來(lái)代替硬件，可以極大地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。我用虛擬儀器程序設(shè)計(jì)了巴特沃斯低通濾波器，信號(hào)處理模塊，顯示模塊，波形圖屬性調(diào)整模塊。 通過(guò)對(duì)光時(shí)域反射儀的設(shè)計(jì)研究可以發(fā)現(xiàn)：使用虛擬儀器設(shè)計(jì)的光時(shí)域反射儀滿足性能要求。同時(shí)使用虛擬儀器軟件操作簡(jiǎn)便，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于信息的存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸，所以基于虛擬儀器的光時(shí)域反射儀適合在學(xué)校，實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)單位和大型的工業(yè)控制領(lǐng)域等場(chǎng)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)