基于PIC32的相干光发射与接收系统设计与实现

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•                         引言       
  

                        在光通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远都是科研者的追求目标。尽管波分复用（WDM）技术和掺铒光纤放大器（EDFA）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。
                         
                        相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。AT&T及Bell公司于1989和1990年在宾州的罗灵—克里克地面站与森伯里枢纽站间先后进行了1.3μm和1.55μm波长的1.7Gbit/s FSK现场无中继相干传输实验，相距35公里，接收灵敏度达到-41.5dBm。NTT公司于1990年在濑户内陆海的大分—尹予和吴站之间进行了2.5Gbit/s CPFSK相干传输实验，总长431公里。直到19世纪80年代末，EDFA和WDM技术的发展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受关注。然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。
                         
                        本次设计将以PIC32单片机作为主控系统，设计合适的相干光通信系统，能够在系统中进行信息码输着这个目的以完成本是设计。
                         
       

               

•                         系统结构：       
  

                        如下图所示：本系统主要是完成相干光前端的信号调制控制和系统同步控制。其中发射端包括生光控制系统和电光控制系统，包括幅度调制和相位调制将是PIC单片机的主要控制工作。
                         
       

               

       

                图1.系统设计总体流程图

       

                 

                        2.1发射控制模块设计
                        2.1.1声光控制模块
                        激光器(SDL5412)发出的是连续光，而在信号传输的过程中需要提供同步时钟以使发送端和接收端能够同步。在本系统设计中，对光源产生的连续激光进行声光调制，产生脉冲光信号，作为接收端的同步信号。
                         
                        1 声光调制器：
                        本系统中采用的声光调制器(MT80-B30A1-IR)集成了了声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置等。调制器中所采用的声光晶体为TeO2 。
                         
                        TeO2晶体是一种具有高品质因数的声光材料，有良好的双折射和旋光性能，沿[110]方向传播的声速慢；具有响应速度快、驱动功率小、衍射效率高、性能稳定可靠等优点。它是制做声光偏转器、调制器、谐振器、可调滤光器等各类声光器件的理想单晶材料。
                         
                        2 调制信号驱动器：
                        系统中的声光调制信号由直接数字合成器(DDS)产生，利用DDS信号源可以方便地实现对输出频率和幅度的数字控制。DDS信号源的控制端口有31位频率控制和8位幅度控制。
                         
                        3 控制模块设计：
                        控制模块实现对声光调制信号驱动器的控制，使其产生频率为80MHz、幅度为脉冲波的射频信号，以驱动声光调制晶体进行声光调制。
                         
                        控制模块主要由PIC单片机加外围控制电路实现。由于控制需要的引脚数量较多(31位频率控制，1位频率锁定，8位幅度控制，1位外部触发位，共41位)，主控单片机采用PIC系列的来实现，采用2位设置固定频率，8位设置幅度，1位触发。下图2给出声光调制硬件结构图：
                         
                                           
                                                    图2.声光调制控制硬件结构
                         
                        电路设计时候首先考虑用变压器降压到合适电压，整流滤波后在通过稳压芯片稳压，集成稳压片输出电源摆动值比较小，合适的集成芯片主要是5V好12V输出的比较多这里面就选择用2个MC7812或者LM7812 提供24V电压，一个MC7805或者LM7805提供5V电压，电路在500MA保持住。
                         
       

               

       

               

       

                 图3. MC7812和LM7805输出性能参数

                         
                        电源模块的电路如图4所示：
       

                                   

       

                 图4.电源模块

                PIC控制主要考虑的是控制声光调制器产生一定幅度和频率的脉冲光信号。
                         
                        声光调制在本系统中有两个作用：把连续激光变成120NS的脉冲光，第一：发送端作为本地载波。第二：接收端作为本地振荡信号，提供时钟。
                         
                        这里使用的是MT80-B30AI-IR声光调制器，由于器件提供线性调制，我们理论上要按照器件提供的参数操作：
                         
       

               

       

                 图5：根据这个曲线控制光脉冲输出频率。

       

                 

                        由串口控制：
       

               

       

                 图6.声光调制器控制接口

       

                 

                        由于控制接口采用的是44端的并行端口，这里面要找数量多点的IO端口进行输入，实验室采用的是具有53个IO端口的PIC32作为编程器。这里面考虑2个方面的控制
                         
                        脉冲光的频率：
                                      
                         
                          图7.声光频率计算式
                        输出频率设置为：80MHZ,代入上式：
                        =343597383.68
                        变为2进制：00101000011110101110000101000111
                        用PIC单片机输出，输出前先锁存，稳定后输出,只设两个端口，一个输出0，一个输出1，保证频率不变。
                         
                        主要是控制并口的：
                                      
                                                   图8.频率的控制端口：
                         
                                       
                                                                图9.频率的控制端口：
                         
                        这里面幅度有8位数控制，控制数与幅度大小成正比，也就是说从255到0控制幅度最大的值到最小的值。设置 8位码控制。实际上实验室采用的是10000001码，可以用并口直接写入。
                         
                        控制时主要情况分析：首先是控制电源部分,通过单片机管脚写高电平，使用继电器单闸开关选择电源供电。数据流的写入就交给单片机IO端口完成。脉冲光控制：控制时钟设置：通过TC0作为定时器，选择控制脉冲宽度，一个定时器为4us，通过2个中断来设置脉冲宽度:比较匹配，溢出匹配。比较匹配中断：当达到匹配值的时候，产生匹配中断，输出光信号溢出匹配：定时器技术，达到计数值，产生中断溢出，停止光输出。
                         
                        软件设计：直接用单片机写相应的码形。同步时钟通过主机发送，当有数据流时，主机发送一个控制时钟信号，每个信号脉冲触发一次外部的中断。外部中断重新清除定时器，重新开始计数控制脉冲宽度。
                2.1.2电光控制模块
                        发送方需要把待发送信息调制到光载波上。在本系统中，就是利用电光调制来实现信息的调制。其中包括幅度调制和相位调制。电光调制即在光脉冲信号中加入有用信息，电路包括主要包括：信息产生电路，幅度控制电路，相位控制电路。下面一步一步来分析：信息产生电路：由FPGA产生随机高斯数信号幅度控制电路：通过单片机控制数字信号转换成模拟信号控制幅度调制器。 相位控制电路：通过单片机控制数字信号转换成模拟信号控制相位调制器。
                         
       

                   

                                                图10. 电光调制硬件结构图
                         
                        主要是通过Labview产生4位随机码，通过PIC变化成8为高斯随机码，然后通过DA转换器，把信号变成模拟信号，模拟信号经两个声光调制器，首先进行幅度调制，然后进行相位调制。
                         
                        电源部分：分析供电部分:PIC单片机采用5V供电，一个MC7812或者LM7812 提供12V电压，一个MC7805或者LM7805提供5V电压，通过LM117把5V电压将为3.3V。电流在500MA保持住.电路设计图如下：
                         
       

               

       

                图11：电源电路

       

                 

                        随机数产生：
                        上位机采用LABVIEW程序产生随机高斯数，通过数据采集卡输出4位随机数，模拟有用信号。LABVIEW是NI公司设计一种虚拟仪器软件。虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
                         
                        下面是设计的随机数参数软件界面：
                                
       

                图12：高斯随机数上位机控制界面

                 
       

                幅度控制电路：

       

                幅度控制和相位控制都是来控制输入电压，通过输入电压的改变来改变光载波的幅度与相位。

       

                 

       

                按照说明书通过这个公式控制幅度：

       

               

       

                电光相位调制器驱动源的输入范围为0V到4V，而电光振幅调制器驱动源的输入范围为0.3V到1V。

       

                相位控制电路：

       

                相位控制和幅度控制都是来控制输入电压，通过输入电压的改变来改变光载波的幅度与相位。

       

                按照说明书通过这个公式控制相位：

       

               

       

                电路整体设计：

       

                通过labview输入四位二进制随机码给单片机，单片机控制产生8位二进制码行（通过查表法），控制数模转换器。产生相应的电压驱动模拟量。

       

                 

       

                单片机选择：PIC32单片机。

       

                 

       

                数模转换器选择：MCP4725.优点：比较常用，功耗低，电路设计成熟，价格低廉。

       

                 

       

                工作方式的选择：电流转换模式和电压转换模式由于要求输出电压值，可以减小噪声和漂移对运算放大器的影响，下面是从PDF里找到的典型的使用电路方式：

       

                 

       

                MCP4725 是具有非易失性存储器（EEPROM）的单通道12 位缓冲电压输出DAC。 用户可将配置寄存器位（2位）和DAC输入数据（12位）存储到非易失性EEPROM（14 位）存储器中。通过设置配置寄存器位可以把 DAC 配置成正常模式或节省功耗的关断模式。 器件可以使用 2 线 I2C 兼容串行接口，且由电压范围为2.7V 至 5.5V 的单电源供电。输出电压公式如下，更多内容参考MCP4725工作手册。下面我们使器件输出1.6V的电压。电压转换公式如下：

       

                 

       

                 

       

                输出电压范围为：0到 。

       

                 

       

                以这个DA为基础，设计DA转换电路。DA写片选信号通过单片机产生PWM波控制写的频率，也就是控制输出信号产生时间间隔。

       

                 

       

                   随机码的转换：

       

                   把四位二进制随机码转换成8位二进制码，设置数码对照表，查表进行。

       

                 

       

                控制写：通过端口产生PWM控制写入时间间隔。

       

                控制程序设计模块：

       

                 

       

               

       

                 图13：控制程序控制模块

       

                 

       

                通过这种方法，我们可以来单独或者联合调制光信号的幅度和相位，这里面我先实现了单独调制幅度和相位的工作。

       

                 

                        2.2接收端电路设计
       

                光信号检测模块主要应用于两方面[2]：一个是用于光信号数据采集；另一个则是用于实现发送与接收端之间的同步

       

                 

       

                检测电路应该分为几个部分：第一：光电转换和前置放大。第二部分：差分放大电路。

       

                 

       

                第三部分：有源滤波电路。下面就来分别对三个部分进行介绍。

                 
                        2.2.1 光探测电流模块

       

                本模块的主要作用就是通过光电二级管把接收到的光信号转变为电信号。通过光电二级管BPX65接收光信号，生成微弱的电流信号。测控生成电路信号可是设置为：

       

               

       

                电流转电压通过SA5212变为电压信号。

       

                 

       

                输出增益为：

       

               

       

                 

       

                SA5212的跨租增益值为：

       

               

       

                其中

       

               

       

                就可以求得。与实验相互验证。

       

                 

                        2.2.1 光探测电流模块
       

                差分放大是最常用的线性放大方法。这里进一步对信号进行放大。这里选用AD8021作为运算放大器，也可以选择其他的AD放大器。

       

                 

       

                AD8021闭环增益为10的时候有190MHZ的带宽。方便线性控制。

       

                 

       

                根据放大器理论推算输出：

       

                 

       

               

       

                 

       

                去不同的电阻值，保证放大器线性

       

                R3=R4=11O欧

       

                R5=R6=2000欧

       

                电压增益：

       

               

       

                噪声增益：

       

               

       

                没有补偿电容。

       

                 

                        2.2.3 有源滤波模块

       

                有源滤波的作用是对前面的放大信号进行滤波放大[3]。主要是要滤掉低频分量，便于后端采集，避免频谱混叠现象，并且低频分量包括大量噪声。

       

                 

       

                主要是设计二阶低通滤波器。这里同样可以采用AD8021做为主要器件，图13给出了AD8021常用的电路运用图：

       

                 

       

               

       

                 图14：AD8021应用电路

       

                 

       

                低通滤波器的增益为：

       

               

       

                 

       

                频率响应：

       

               

       

                 

       

                归一化传递函数:

       

               

       

                 

       

                设置截止频率为1.8MHZ。

       

                可以得到相应的电阻电容值。

       

                则输出电压值：

       

               

       

                 

       

                总体电路如下：

       

                  

       

                图14： 光电感应电路

                        三：总结    
                        本次设计主要是针对相干光的控制和检查系统来说的。主要是设计了PIC控制光放射端。通过PIC控制声光调制器形成合适的光源，然后幅度或者相位的编码就交给PIC来控制电光调制器来完成。我们通过随机数来模拟了信息码，通过PIC来对合适的光源进行信息编码。在接收端，由于时间紧，仅仅设计了光电感应电路，对于信息的处理控制也可以有PIC来完成，但限于只有一块开发板，而对于通信系统中，接收端和发射端控制应该分离的基本原则，并没有实现接收控制。这也是以后我们将继续研究的方向。