一種嵌入式射頻光傳輸模塊實(shí)現方案

1.引言

　　光纖直放站主要由光近端機、光纖、光遠端機幾個(gè)部分組成。光近端機和光遠端機都包括射頻單元和光單元。信號的傳輸分下行鏈路和上行鏈路。在下行鏈路中，光近端機接收來(lái)自基站的無(wú)線(xiàn)信號，通過(guò)電光轉換，電信號轉變?yōu)楣庑盘?，從光近端機輸入至光纖，經(jīng)過(guò)光纖傳輸到光遠端機，光遠端機把光信號轉為電信號，進(jìn)入射頻單元進(jìn)行放大，信號經(jīng)過(guò)放大后送入遠端天線(xiàn)發(fā)送出去，覆蓋目標區域。上行鏈路的工作原理與下行鏈路類(lèi)似，手機發(fā)射的信號通過(guò)遠端天線(xiàn)至光遠端機，再到近端機，回到基站。光纖直放站近端機的定向天線(xiàn)收到基站的下行信號(以GSM信號為例，頻段為935MHz-960M Hz)送至近端主機，放大后送到光端機內進(jìn)行電/光轉換，產(chǎn)生波長(cháng)為1550nm的光信號。因為光纖中傳輸有波長(cháng)為1310nm的上行光信號，所以下行的1550nm的光信號要通過(guò)光波分復用器耦合到光纖中，最后經(jīng)光纖傳到遠端機;遠端光波分復用器將1550nm和1310nm波長(cháng)的光信號分開(kāi)后，讓1550nm波長(cháng)的光信號輸入光端機進(jìn)行光/電轉換，還原成下行射頻信號，再經(jīng)遠端主機內部功放放大，由全向天線(xiàn)發(fā)射出去送給移動(dòng)臺。移動(dòng)臺的上行信號(頻段為890MHz-915M Hz)逆向送到基站，這樣就完成了基站與移動(dòng)臺的信號聯(lián)系，建立通話(huà)。其原理如圖1 所示。

　　由于光纖直放站系統使用的特點(diǎn)，其安裝調試工作麻煩，維護工作開(kāi)銷(xiāo)巨大。為了增加系統的可靠性并降低系統安裝調試的復雜性，越來(lái)越多的直放站生產(chǎn)商都要求光模塊具有智能化功能，以實(shí)現對直放站的實(shí)時(shí)監控，從而方便工作人員的調試、維護和管理。本文討論了在傳統光模塊基礎上通過(guò)增加嵌入式單元，以實(shí)現光模塊的智能化。

　　2.系統硬件設計

　　2.1 監控電路設計

　　監控電路是光模塊實(shí)現智能化的核心部分，圖2 是本設計中光模塊的監控系統框圖。該部分完成各監控量的采集、控制等工作。本設計采用C8051F023型單片機實(shí)現對光模塊的嵌入式控制，C8051F023內部集成了一個(gè)8位8輸入的ADC、一個(gè)10位8輸入的ADC和兩個(gè)12位DAC，非常方便對參數的采集和對壓控器件的控制[1][2]。

　　在射頻信號的輸入和輸出端，功率檢測電路將耦合進(jìn)來(lái)的射頻能量進(jìn)行放大，并實(shí)現功率/電壓轉換，再對產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行A/D轉換，在程序中采用查找表的方法，即能得到輸入/輸出的功率值。C8051F023根據檢測到的功率值，調整鏈路中的衰減值。在射頻信號輸入端，單片機通過(guò)D/A轉換，控制壓控衰減器;而在輸出端，則通過(guò)程控衰減器控制信號增益。偏置電路為激光器(LD)的工作提供合適的驅動(dòng)電流。單片機通過(guò)A/D轉換采集到激光器的偏置電壓，在程序中光功率與電壓同樣采用查找表的方法直接轉換，而偏置電流則通過(guò)電壓與電流的線(xiàn)性關(guān)系轉換得到。當某些因素導致激光器驅動(dòng)電流過(guò)大或過(guò)小時(shí)，單片機通過(guò)改變D/A輸出電壓，來(lái)調整偏置電路的輸出電流，使激光器的發(fā)光功率維持在正常水平。另外，由于設計需要監測模塊的實(shí)時(shí)溫度，需加一個(gè)熱敏電阻，根據電壓與溫度值的關(guān)系曲線(xiàn)圖，通過(guò)熱敏電阻的電壓值變化而采集出溫度值的變化情況。

　　2.2 數據傳送電路設計[3][4]

　　本設計采用射頻收發(fā)芯片CC1000作為數傳芯片。CC1000是根據Chipcon 公司的SmartRF技術(shù)制造出的可編程高頻單片收發(fā)芯片，主要用于工作頻帶在315、868 及915MHz 的ISM(工業(yè)、科學(xué)及醫療)方面和SDR(短距離通訊)方面，可在300-1000MHz 范圍內通過(guò)編程工作。其主要工作參數能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變，這樣使CC1000 使用更方便更靈活。CC1000 芯片含有三條串行數據線(xiàn)接口PDATA、PCLK、PALE 用于配置內部寄存器實(shí)現收發(fā)等各種功能控制，能夠與多種單片機(MSC51、ARM、AVR、PIC 等)直接兼容連接。

　　CC1000 與C8051F023的連接圖如圖3 所示。單片機使用三個(gè)輸出管腳用于連接CC1000的三串行配置口(PDATA、PCLK、PALE)，以配置CC1000的工作模式，其中PDATA 必須是雙向管腳，用于程序數據的輸入輸出。信號接口由DIO和DCLK組成，在本設計中它們分別與單片機的TXD1和RXD1連接，實(shí)現數據的半雙工式收發(fā)。管腳CHP_OUT用于監視頻率鎖定狀態(tài)，當CC1000內部的PLL鎖定時(shí)，該引腳輸出高電平。另外單片機可通過(guò)A/D轉換檢測RSSI信號的強度。

　　近端模塊與遠端模塊之間采用FSK通信，在圖3 中，引腳RF_OUT和RF_IN分別用于發(fā)送FSK_OUT信號和接收FSK_IN信號。通信數據FSK_OUT由近端模塊中的CC1000發(fā)出，結合圖2 可知，FSK_OUT信號通過(guò)耦合器耦合到射頻信號中，經(jīng)過(guò)光/電轉換進(jìn)入光纖傳輸至遠端模塊;在遠端，光信號被還原為射頻信號，通過(guò)低通濾波得到FSK信號，此時(shí)稱(chēng)FSK_IN信號，該信號被遠端模塊的CC1000接收。遠端模塊發(fā)送給近端模塊的數據依據同樣的原理傳輸。模塊之間的FSK通信大大提高了對光模塊的監測和控制能力。

　　C8051F023有兩個(gè)UART接口，在本設計中UART0與上位機通信，UART1則用于與CC1000的數據傳輸。