基于PIC32的相干光發(fā)射與接收系統設計

引言

在光通信領(lǐng)域，更大的帶寬、更長(cháng)的傳輸距離、更高的接收靈敏度，永遠都是科研者的追求目標。盡管波分復用(WDM)技術(shù)和摻鉺光纖放大器(EDFA)的應用已經(jīng)極大的提高了光通信系統的帶寬和傳輸距離，伴隨著(zhù)視頻會(huì )議等通信技術(shù)的應用和互聯(lián)網(wǎng)的普及產(chǎn)生的信息爆炸式增長(cháng)，對作為整個(gè)通信系統基礎的物理層提出了更高的傳輸性能要求。光通信系統采用強度調制/直接檢測(IM/DD)，即發(fā)送端調制光載波強度，接收機對光載波進(jìn)行包絡(luò )檢測。盡管這種結構具有簡(jiǎn)單、容易集成等優(yōu)點(diǎn)，但是由于只能采用ASK調制格式，其單路信道帶寬很有限。因此這種傳統光通信技術(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)的應用不可避免的會(huì )帶來(lái)對新型通信設備的需求，面對居高不下的光器件價(jià)格，大規模通信設備更換所需要的高額成本，是運營(yíng)商所不能接受的，因此對設備制造商而言，光纖通信新技術(shù)的研發(fā)也面臨著(zhù)很大的風(fēng)險。如何在現有的設備基礎上提高光通信系統的性能成為了切實(shí)的問(wèn)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)驗始于80年代。由于相干光通信系統被公認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(guò)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。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(cháng)的1.7Gbit/s FSK現場(chǎng)無(wú)中繼相干傳輸實(shí)驗，相距35公里，接收靈敏度達到-41.5dBm。NTT公司于1990年在瀨戶(hù)內陸海的大分—尹予和吳站之間進(jìn)行了2.5Gbit/s CPFSK相干傳輸實(shí)驗，總長(cháng)431公里。直到19世紀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(lái)。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系統經(jīng)過(guò)二十年的發(fā)展和廣泛應用后，新的征兆開(kāi)始出現，標志著(zhù)相干光傳輸技術(shù)的應用將再次受到重視。在數字通信方面，擴大C波段放大器的容量，克服光纖色散效應的惡化，以及增加自由空間傳輸的容量和范圍已成為重要的考慮因素。在模擬通信方面，靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍成為系統的關(guān)鍵參數，而他們都能通過(guò)相關(guān)光通信技術(shù)得到很大改善。

本次設計將以單片機作為主控系統，設計合適的相干光通信系統，能夠在系統中進(jìn)行信息碼輸著(zhù)這個(gè)目的以完成本是設計。

系統結構：

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

2.1發(fā)射控制模塊設計

2.1.1聲光控制模塊

激光器(SDL5412)發(fā)出的是連續光，而在信號傳輸的過(guò)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。在本系統設計中，對光源產(chǎn)生的連續激光進(jìn)行聲光調制，產(chǎn)生脈沖光信號，作為接收端的同步信號。

1 聲光調制器：

本系統中采用的聲光調制器(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。調制器中所采用的聲光晶體為T(mén)eO2 。

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

2 調制信號驅動(dòng)器：

系統中的聲光調制信號由直接數字合成器(DDS)產(chǎn)生，利用DDS信號源可以方便地實(shí)現對輸出頻率和幅度的數字控制。DDS信號源的控制端口有31位頻率控制和8位幅度控制。

3 控制模塊設計：

控制模塊實(shí)現對聲光調制信號驅動(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，以驅動(dòng)聲光調制晶體進(jìn)行聲光調制。

控制模塊主要由PIC單片機加外圍控制電路實(shí)現。由于控制需要的引腳數量較多(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)，主控單片機采用PIC系列的來(lái)實(shí)現，采用2位設置固定頻率，8位設置幅度，1位觸發(fā)。下圖2給出聲光調制硬件結構圖：

電路設計時(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(guò)穩壓芯片穩壓，集成穩壓片輸出電源擺動(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制器產(chǎn)生一定幅度和頻率的脈沖光信號。

聲光調制在本系統中有兩個(gè)作用：把連續激光變成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，提供時(shí)鐘。

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

由串口控制：

由于控制接口采用的是44端的并行端口，這里面要找數量多點(diǎn)的IO端口進(jìn)行輸入，實(shí)驗室采用的是具有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：

輸出頻率設置為：80MHZ,代入上式：

=343597383.68

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

用PIC單片機輸出，輸出前先鎖存，穩定后輸出,只設兩個(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位數控制，控制數與幅度大小成正比，也就是說(shuō)從255到0控制幅度最大的值到最小的值。設置

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

控制時(shí)主要情況分析：首先是控制電源部分,通過(guò)單片機管腳寫(xiě)高電平，使用繼電器單閘開(kāi)關(guān)選擇電源供電。數據流的寫(xiě)入就交給單片機IO端口完成。脈沖光控制：控制時(shí)鐘設置：通過(guò)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(guò)2個(gè)中斷來(lái)設置脈沖寬度:比較匹配，溢出匹配。比較匹配中斷：當達到匹配值的時(shí)候，產(chǎn)生匹配中斷，輸出光信號溢出匹配：定時(shí)器技術(shù)，達到計數值，產(chǎn)生中斷溢出，停止光輸出。

軟件設計：直接用單片機寫(xiě)相應的碼形。同步時(shí)鐘通過(guò)主機發(fā)送，當有數據流時(shí)，主機發(fā)送一個(gè)控制時(shí)鐘信號，每個(gè)信號脈沖觸發(fā)一次外部的中斷。外部中斷重新清除定時(shí)器，重新開(kāi)始計數控制脈沖寬度。

2.1.2電光控制模塊

發(fā)送方需要把待發(fā)送信息調制到光載波上。在本系統中，就是利用電光調制來(lái)實(shí)現信息的調制。其中包括幅度調制和相位調制。電光調制即在光脈沖信號中加入有用信息，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(lái)分析：信息產(chǎn)生電路：由FPGA產(chǎn)生隨機高斯數信號幅度控制電路：通過(guò)單片機控制數字信號轉換成模擬信號控制幅度調制器。 相位控制電路：通過(guò)單片機控制數字信號轉換成模擬信號控制相位調制器。

圖10. 電光調制硬件結構圖

主要是通過(guò)Labview產(chǎn)生4位隨機碼，通過(guò)PIC變化成8為高斯隨機碼，然后通過(guò)DA轉換器，把信號變成模擬信號，模擬信號經(jīng)兩個(gè)聲光調制器，首先進(jìn)行幅度調制，然后進(jìn)行相位調制。

電源部分：分析供電部分:PIC單片機采用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(guò)LM117把5V電壓將為3.3V。電流在500MA保持住.電路設計圖如下：

隨機數產(chǎn)生：

上位機采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機高斯數，通過(guò)數據采集卡輸出4位隨機數，模擬有用信號。LABVIEW是NI公司設計一種虛擬儀器軟件。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著(zhù)計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強大，目前已經(jīng)出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實(shí)現各種儀器功能。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形

上位機采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機高斯數，通過(guò)數據采集卡輸出4位隨機數，模擬有用信號。LABVIEW是NI公司設計一種虛擬儀器軟件。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著(zhù)計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強大，目前已經(jīng)出現含嵌入式系統的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統為依托，實(shí)現各種儀器功能。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受，視為一個(gè)標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿(mǎn)足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數。這是一個(gè)功能強大且靈活的軟件。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(guò)程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語(yǔ)言，又稱(chēng)為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)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(yǔ)、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶(hù)的工具。它可以增強你構建自己的科學(xué)和工程系統的能力，提供了實(shí)現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設計、測試并實(shí)現儀器系統時(shí)，可以大大提高工作效率。

下面是設計的隨機數參數軟件界面：

幅度控制電路：

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

按照說(shuō)明書(shū)通過(guò)這個(gè)公式控制幅度：

電光相位調制器驅動(dòng)源的輸入范圍為0V到4V，而電光振幅調制器驅動(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(lái)控制輸入電壓，通過(guò)輸入電壓的改變來(lái)改變光載波的幅度與相位。

按照說(shuō)明書(shū)通過(guò)這個(gè)公式控制相位：

電路整體設計：

通過(guò)labview輸入四位二進(jìn)制隨機碼給單片機，單片機控制產(chǎn)生8位二進(jìn)制碼行(通過(guò)查表法)，控制數模轉換器。產(chǎn)生相應的電壓驅動(dòng)模擬量。

單片機選擇：PIC32單片機。

數模轉換器選擇：MCP4725.優(yōu)點(diǎn)：比較常用，功耗低，電路設計成熟，價(jià)格低廉。

工作方式的選擇：電流轉換模式和電壓轉換模式由于要求輸出電壓值，可以減小噪聲和漂移對運算放大器的影響，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器(EEPROM)的單通道12 位緩沖電壓輸出DAC。 用戶(hù)可將配置寄存器位(2位)和DAC輸入數據(12位)存儲到非易失性EEPROM(14 位)存儲器中。通過(guò)設置配置寄存器位可以把 DAC 配置成正常模式或節省功耗的關(guān)斷模式。 器件可以使用 2 線(xiàn) 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，更多內容參考MCP4725工作手冊。下面我們使器件輸出1.6V的電壓。電壓轉換公式如下：

輸出電壓范圍為：0到

。

以這個(gè)DA為基礎，設計DA轉換電路。DA寫(xiě)片選信號通過(guò)單片機產(chǎn)生PWM波控制寫(xiě)的頻率，也就是控制輸出信號產(chǎn)生時(shí)間間隔。

隨機碼的轉換：

把四位二進(jìn)制隨機碼轉換成8位二進(jìn)制碼，設置數碼對照表，查表進(jìn)行。

控制寫(xiě)：通過(guò)端口產(chǎn)生PWM控制寫(xiě)入時(shí)間間隔。

控制程序設計模塊：

圖13：控制程序控制模塊

通過(guò)這種方法，我們可以來(lái)單獨或者聯(lián)合調制光信號的幅度和相位，這里面我先實(shí)現了單獨調制幅度和相位的工作。

2.2接收端電路設計

光信號檢測模塊主要應用于兩方面[2]：一個(gè)是用于光信號數據采集;另一個(gè)則是用于實(shí)現發(fā)送與接收端之間的同步

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

第三部分：有源濾波電路。下面就來(lái)分別對三個(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(guò)光電二級管把接收到的光信號轉變?yōu)殡娦盘?。通過(guò)光電二級管BPX65接收光信號，生成微弱的電流信號。測控生成電路信號可是設置為：

電流轉電壓通過(guò)SA5212變?yōu)殡妷盒盘枴?/p>

輸出增益為：

SA5212的跨租增益值為：

其中

就可以求得。與實(shí)驗相互驗證。

2.2.1 光探測電流模塊

差分放大是最常用的線(xiàn)性放大方法。這里進(jìn)一步對信號進(jìn)行放大。這里選用AD8021作為運算放大器，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(xiàn)性控制。

根據放大器理論推算輸出：

去不同的電阻值，保證放大器線(xiàn)性

R3=R4=11O歐

R5=R6=2000歐

電壓增益：

噪聲增益：

沒(méi)有補償電容。

2.2.3 有源濾波模塊

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

主要是設計二階低通濾波器。這里同樣可以采用AD8021做為主要器件，圖13給出了AD8021常用的電路運用圖：

圖14：AD8021應用電路

低通濾波器的增益為：

頻率響應：

歸一化傳遞函數:

設置截止頻率為1.8MHZ。

可以得到相應的電阻電容值。

則輸出電壓值：

總體電路如下：

圖14： 光電感應電路

三：總結

本次設計主要是針對相干光的控制和檢查系統來(lái)說(shuō)的。主要是設計了PIC控制光放射端。通過(guò)PIC控制聲光調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(lái)控制電光調制器來(lái)完成。我們通過(guò)隨機數來(lái)模擬了信息碼，通過(guò)PIC來(lái)對合適的光源進(jìn)行信息編碼。在接收端，由于時(shí)間緊，僅僅設計了光電感應電路，對于信息的處理控制也可以有PIC來(lái)完成，但限于只有一塊開(kāi)發(fā)板，而對于通信系統中，接收端和發(fā)射端控制應該分離的基本原則，并沒(méi)有實(shí)現接收控制。這也是以后我們將繼續研究的方向。