基于PIC32的相干光發(fā)射與接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在光通信領(lǐng)域，更大的帶寬、更長的傳輸距離、更高的接收靈敏度，永遠(yuǎn)都是科研者的追求目標(biāo)。盡管波分復(fù)用(WDM)技術(shù)和摻鉺光纖放大器(EDFA)的應(yīng)用已經(jīng)極大的提高了光通信系統(tǒng)的帶寬和傳輸距離，伴隨著視頻會(huì)議等通信技術(shù)的應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)的普及產(chǎn)生的信息爆炸式增長，對(duì)作為整個(gè)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)的物理層提出了更高的傳輸性能要求。光通信系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)，即發(fā)送端調(diào)制光載波強(qiáng)度，接收機(jī)對(duì)光載波進(jìn)行包絡(luò)檢測。盡管這種結(jié)構(gòu)具有簡單、容易集成等優(yōu)點(diǎn)，但是由于只能采用ASK調(diào)制格式，其單路信道帶寬很有限。因此這種傳統(tǒng)光通信技術(shù)勢必會(huì)被更先進(jìn)的技術(shù)所代替。然而在通信泡沫破滅的今天，新的光通信技術(shù)的應(yīng)用不可避免的會(huì)帶來對(duì)新型通信設(shè)備的需求，面對(duì)居高不下的光器件價(jià)格，大規(guī)模通信設(shè)備更換所需要的高額成本，是運(yùn)營商所不能接受的，因此對(duì)設(shè)備制造商而言，光纖通信新技術(shù)的研發(fā)也面臨著很大的風(fēng)險(xiǎn)。如何在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上提高光通信系統(tǒng)的性能成為了切實(shí)的問題。在這樣的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技術(shù)，再一次被放到了桌面上。

相干光通信的理論和實(shí)驗(yàn)始于80年代。由于相干光通信系統(tǒng)被公認(rèn)為具有靈敏度高的優(yōu)勢，各國在相干光傳輸技術(shù)上做了大量研究工作。經(jīng)過十年的研究，相干光通信進(jìn)入實(shí)用階段。英美日等國相繼進(jìn)行了一系列相干光通信實(shí)驗(yàn)。ATT及Bell公司于1989和1990年在賓州的羅靈—克里克地面站與森伯里樞紐站間先后進(jìn)行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbit/s FSK現(xiàn)場無中繼相干傳輸實(shí)驗(yàn)，相距35公里，接收靈敏度達(dá)到-41.5dBm。NTT公司于1990年在瀨戶內(nèi)陸海的大分—尹予和吳站之間進(jìn)行了2.5Gbit/s CPFSK相干傳輸實(shí)驗(yàn)，總長431公里。直到19世紀(jì)80年代末，EDFA和WDM技術(shù)的發(fā)展，使得相干光通信技術(shù)的發(fā)展緩慢下來。在這段時(shí)期，靈敏度和每個(gè)通道的信息容量已經(jīng)不再備受關(guān)注。然而，直接檢測的WDM系統(tǒng)經(jīng)過二十年的發(fā)展和廣泛應(yīng)用后，新的征兆開始出現(xiàn)，標(biāo)志著相干光傳輸技術(shù)的應(yīng)用將再次受到重視。在數(shù)字通信方面，擴(kuò)大C波段放大器的容量，克服光纖色散效應(yīng)的惡化，以及增加自由空間傳輸?shù)娜萘亢头秶殉蔀橹匾目紤]因素。在模擬通信方面，靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍成為系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，而他們都能通過相關(guān)光通信技術(shù)得到很大改善。

本次設(shè)計(jì)將以單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合適的相干光通信系統(tǒng)，能夠在系統(tǒng)中進(jìn)行信息碼輸著這個(gè)目的以完成本是設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

如下圖所示：本系統(tǒng)主要是完成相干光前端的信號(hào)調(diào)制控制和系統(tǒng)同步控制。其中發(fā)射端包括生光控制系統(tǒng)和電光控制系統(tǒng)，包括幅度調(diào)制和相位調(diào)制將是PIC單片機(jī)的主要控制工作。

2.1發(fā)射控制模塊設(shè)計(jì)

2.1.1聲光控制模塊

激光器(SDL5412)發(fā)出的是連續(xù)光，而在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中需要提供同步時(shí)鐘以使發(fā)送端和接收端能夠同步。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)光源產(chǎn)生的連續(xù)激光進(jìn)行聲光調(diào)制，產(chǎn)生脈沖光信號(hào)，作為接收端的同步信號(hào)。

1 聲光調(diào)制器：

本系統(tǒng)中采用的聲光調(diào)制器(MT80-B30A1-IR)集成了了聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲(或反射)裝置等。調(diào)制器中所采用的聲光晶體為TeO2 。

TeO2晶體是一種具有高品質(zhì)因數(shù)的聲光材料，有良好的雙折射和旋光性能，沿[110]方向傳播的聲速慢;具有響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、衍射效率高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它是制做聲光偏轉(zhuǎn)器、調(diào)制器、諧振器、可調(diào)濾光器等各類聲光器件的理想單晶材料。

2 調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)器：

系統(tǒng)中的聲光調(diào)制信號(hào)由直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生，利用DDS信號(hào)源可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出頻率和幅度的數(shù)字控制。DDS信號(hào)源的控制端口有31位頻率控制和8位幅度控制。

3 控制模塊設(shè)計(jì)：

控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)聲光調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的控制，使其產(chǎn)生頻率為80MHz、幅度為脈沖波的射頻信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制晶體進(jìn)行聲光調(diào)制。

控制模塊主要由PIC單片機(jī)加外圍控制電路實(shí)現(xiàn)。由于控制需要的引腳數(shù)量較多(31位頻率控制，1位頻率鎖定，8位幅度控制，1位外部觸發(fā)位，共41位)，主控單片機(jī)采用PIC系列的來實(shí)現(xiàn)，采用2位設(shè)置固定頻率，8位設(shè)置幅度，1位觸發(fā)。下圖2給出聲光調(diào)制硬件結(jié)構(gòu)圖：

電路設(shè)計(jì)時(shí)候首先考慮用變壓器降壓到合適電壓，整流濾波后在通過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，集成穩(wěn)壓片輸出電源擺動(dòng)值比較小，合適的集成芯片主要是5V好12V輸出的比較多這里面就選擇用2個(gè)MC7812或者LM7812 提供24V電壓，一個(gè)MC7805或者LM7805提供5V電壓，電路在500MA保持住。

電源模塊的電路如圖4所示：

PIC控制主要考慮的是控制聲光調(diào)制器產(chǎn)生一定幅度和頻率的脈沖光信號(hào)。

聲光調(diào)制在本系統(tǒng)中有兩個(gè)作用：把連續(xù)激光變成120NS的脈沖光，第一：發(fā)送端作為本地載波。第二：接收端作為本地振蕩信號(hào)，提供時(shí)鐘。

這里使用的是MT80-B30AI-IR聲光調(diào)制器，由于器件提供線性調(diào)制，我們理論上要按照器件提供的參數(shù)操作：

由串口控制：

由于控制接口采用的是44端的并行端口，這里面要找數(shù)量多點(diǎn)的IO端口進(jìn)行輸入，實(shí)驗(yàn)室采用的是具有53個(gè)IO端口的PIC32作為編程器。這里面考慮2個(gè)方面的控制

脈沖光的頻率：

輸出頻率設(shè)置為：80MHZ,代入上式：

=343597383.68

變?yōu)?進(jìn)制：00101000011110101110000101000111

用PIC單片機(jī)輸出，輸出前先鎖存，穩(wěn)定后輸出,只設(shè)兩個(gè)端口，一個(gè)輸出0，一個(gè)輸出1，保證頻率不變。

主要是控制并口的：

這里面幅度有8位數(shù)控制，控制數(shù)與幅度大小成正比，也就是說從255到0控制幅度最大的值到最小的值。設(shè)置

8位碼控制。實(shí)際上實(shí)驗(yàn)室采用的是10000001碼，可以用并口直接寫入。

控制時(shí)主要情況分析：首先是控制電源部分,通過單片機(jī)管腳寫高電平，使用繼電器單閘開關(guān)選擇電源供電。數(shù)據(jù)流的寫入就交給單片機(jī)IO端口完成。脈沖光控制：控制時(shí)鐘設(shè)置：通過TC0作為定時(shí)器，選擇控制脈沖寬度，一個(gè)定時(shí)器為4us，通過2個(gè)中斷來設(shè)置脈沖寬度:比較匹配，溢出匹配。比較匹配中斷：當(dāng)達(dá)到匹配值的時(shí)候，產(chǎn)生匹配中斷，輸出光信號(hào)溢出匹配：定時(shí)器技術(shù)，達(dá)到計(jì)數(shù)值，產(chǎn)生中斷溢出，停止光輸出。

軟件設(shè)計(jì)：直接用單片機(jī)寫相應(yīng)的碼形。同步時(shí)鐘通過主機(jī)發(fā)送，當(dāng)有數(shù)據(jù)流時(shí)，主機(jī)發(fā)送一個(gè)控制時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)信號(hào)脈沖觸發(fā)一次外部的中斷。外部中斷重新清除定時(shí)器，重新開始計(jì)數(shù)控制脈沖寬度。

2.1.2電光控制模塊

發(fā)送方需要把待發(fā)送信息調(diào)制到光載波上。在本系統(tǒng)中，就是利用電光調(diào)制來實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制。其中包括幅度調(diào)制和相位調(diào)制。電光調(diào)制即在光脈沖信號(hào)中加入有用信息，電路包括主要包括：信息產(chǎn)生電路，幅度控制電路，相位控制電路。下面一步一步來分析：信息產(chǎn)生電路：由FPGA產(chǎn)生隨機(jī)高斯數(shù)信號(hào)幅度控制電路：通過單片機(jī)控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)控制幅度調(diào)制器。 相位控制電路：通過單片機(jī)控制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)控制相位調(diào)制器。

圖10. 電光調(diào)制硬件結(jié)構(gòu)圖

主要是通過Labview產(chǎn)生4位隨機(jī)碼，通過PIC變化成8為高斯隨機(jī)碼，然后通過DA轉(zhuǎn)換器，把信號(hào)變成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)兩個(gè)聲光調(diào)制器，首先進(jìn)行幅度調(diào)制，然后進(jìn)行相位調(diào)制。

電源部分：分析供電部分:PIC單片機(jī)采用5V供電，一個(gè)MC7812或者LM7812 提供12V電壓，一個(gè)MC7805或者LM7805提供5V電壓，通過LM117把5V電壓將為3.3V。電流在500MA保持住.電路設(shè)計(jì)圖如下：

隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生：

上位機(jī)采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機(jī)高斯數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出4位隨機(jī)數(shù)，模擬有用信號(hào)。LABVIEW是NI公司設(shè)計(jì)一種虛擬儀器軟件。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形

上位機(jī)采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機(jī)高斯數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出4位隨機(jī)數(shù)，模擬有用信號(hào)。LABVIEW是NI公司設(shè)計(jì)一種虛擬儀器軟件。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。

下面是設(shè)計(jì)的隨機(jī)數(shù)參數(shù)軟件界面：

幅度控制電路：

幅度控制和相位控制都是來控制輸入電壓，通過輸入電壓的改變來改變光載波的幅度與相位。

按照說明書通過這個(gè)公式控制幅度：

電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源的輸入范圍為0V到4V，而電光振幅調(diào)制器驅(qū)動(dòng)源的輸入范圍為0.3V到1V。

相位控制電路：

相位控制和幅度控制都是來控制輸入電壓，通過輸入電壓的改變來改變光載波的幅度與相位。

按照說明書通過這個(gè)公式控制相位：

電路整體設(shè)計(jì)：

通過labview輸入四位二進(jìn)制隨機(jī)碼給單片機(jī)，單片機(jī)控制產(chǎn)生8位二進(jìn)制碼行(通過查表法)，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)生相應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)模擬量。

單片機(jī)選擇：PIC32單片機(jī)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇：MCP4725.優(yōu)點(diǎn)：比較常用，功耗低，電路設(shè)計(jì)成熟，價(jià)格低廉。

工作方式的選擇：電流轉(zhuǎn)換模式和電壓轉(zhuǎn)換模式由于要求輸出電壓值，可以減小噪聲和漂移對(duì)運(yùn)算放大器的影響，下面是從PDF里找到的典型的使用電路方式：

MCP4725 是具有非易失性存儲(chǔ)器(EEPROM)的單通道12 位緩沖電壓輸出DAC。 用戶可將配置寄存器位(2位)和DAC輸入數(shù)據(jù)(12位)存儲(chǔ)到非易失性EEPROM(14 位)存儲(chǔ)器中。通過設(shè)置配置寄存器位可以把 DAC 配置成正常模式或節(jié)省功耗的關(guān)斷模式。 器件可以使用 2 線 I2C 兼容串行接口，且由電壓范圍為2.7V 至 5.5V 的單電源供電。輸出電壓公式如下，更多內(nèi)容參考MCP4725工作手冊(cè)。下面我們使器件輸出1.6V的電壓。電壓轉(zhuǎn)換公式如下：

輸出電壓范圍為：0到

。

以這個(gè)DA為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)DA轉(zhuǎn)換電路。DA寫片選信號(hào)通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM波控制寫的頻率，也就是控制輸出信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間間隔。

隨機(jī)碼的轉(zhuǎn)換：

把四位二進(jìn)制隨機(jī)碼轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制碼，設(shè)置數(shù)碼對(duì)照表，查表進(jìn)行。

控制寫：通過端口產(chǎn)生PWM控制寫入時(shí)間間隔。

控制程序設(shè)計(jì)模塊：

圖13：控制程序控制模塊

通過這種方法，我們可以來單獨(dú)或者聯(lián)合調(diào)制光信號(hào)的幅度和相位，這里面我先實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)調(diào)制幅度和相位的工作。

2.2接收端電路設(shè)計(jì)

光信號(hào)檢測模塊主要應(yīng)用于兩方面[2]：一個(gè)是用于光信號(hào)數(shù)據(jù)采集;另一個(gè)則是用于實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收端之間的同步

檢測電路應(yīng)該分為幾個(gè)部分：第一：光電轉(zhuǎn)換和前置放大。第二部分：差分放大電路。

第三部分：有源濾波電路。下面就來分別對(duì)三個(gè)部分進(jìn)行介紹。

2.2.1 光探測電流模塊

本模塊的主要作用就是通過光電二級(jí)管把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。通過光電二級(jí)管BPX65接收光信號(hào)，生成微弱的電流信號(hào)。測控生成電路信號(hào)可是設(shè)置為：

電流轉(zhuǎn)電壓通過SA5212變?yōu)殡妷盒盘?hào)。

輸出增益為：

SA5212的跨租增益值為：

其中

就可以求得。與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證。

2.2.1 光探測電流模塊

差分放大是最常用的線性放大方法。這里進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。這里選用AD8021作為運(yùn)算放大器，也可以選擇其他的AD放大器。

AD8021閉環(huán)增益為10的時(shí)候有190MHz的帶寬。方便線性控制。

根據(jù)放大器理論推算輸出：

去不同的電阻值，保證放大器線性

R3=R4=11O歐

R5=R6=2000歐

電壓增益：

噪聲增益：

沒有補(bǔ)償電容。

2.2.3 有源濾波模塊

有源濾波的作用是對(duì)前面的放大信號(hào)進(jìn)行濾波放大[3]。主要是要濾掉低頻分量，便于后端采集，避免頻譜混疊現(xiàn)象，并且低頻分量包括大量噪聲。

主要是設(shè)計(jì)二階低通濾波器。這里同樣可以采用AD8021做為主要器件，圖13給出了AD8021常用的電路運(yùn)用圖：

圖14：AD8021應(yīng)用電路

低通濾波器的增益為：

頻率響應(yīng)：

歸一化傳遞函數(shù):

設(shè)置截止頻率為1.8MHZ。

可以得到相應(yīng)的電阻電容值。

則輸出電壓值：

總體電路如下：

圖14： 光電感應(yīng)電路

三：總結(jié)

本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)相干光的控制和檢查系統(tǒng)來說的。主要是設(shè)計(jì)了PIC控制光放射端。通過PIC控制聲光調(diào)制器形成合適的光源，然后幅度或者相位的編碼就交給PIC來控制電光調(diào)制器來完成。我們通過隨機(jī)數(shù)來模擬了信息碼，通過PIC來對(duì)合適的光源進(jìn)行信息編碼。在接收端，由于時(shí)間緊，僅僅設(shè)計(jì)了光電感應(yīng)電路，對(duì)于信息的處理控制也可以有PIC來完成，但限于只有一塊開發(fā)板，而對(duì)于通信系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端控制應(yīng)該分離的基本原則，并沒有實(shí)現(xiàn)接收控制。這也是以后我們將繼續(xù)研究的方向。