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

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，對作為整個通信系統(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)用不可避免的會帶來對新型通信設(shè)備的需求，面對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)。AT&T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PIC32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。

圖1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體流程圖 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，作為接收端的同步信號。

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)制信號驅(qū)動器：

系統(tǒng)中的聲光調(diào)制信號由直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生，利用DDS信號源可以方便地實(shí)現(xiàn)對輸出頻率和幅度的數(shù)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(shè)計(jì)：

控制模塊實(shí)現(xiàn)對聲光調(diào)制信號驅(qū)動器的控制，使其產(chǎn)生頻率為80MHz、幅度為脈沖波的射頻信號，以驅(qū)動聲光調(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：

圖2.聲光調(diào)制控制硬件結(jié)構(gòu)

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MC7812或者LM7812 提供24V電壓，一個MC7805或者LM7805提供5V電壓，電路在500MA保持住。

圖3. MC7812和LM7805輸出性能參數(shù) 電源模塊的電路如圖4所示：

圖4.電源模塊