引言

在光通信領域，更大的帶寬、更長的傳輸距離、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）技術和摻鉺光纖放大器（EDFA）的應用已經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的應用和互聯網的普及產生的信息爆炸式增長，對作為整個通信系統(tǒng)基礎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，接收機對光載波進行包絡檢測。盡管這種結構具有簡單、容易集成等優(yōu)點，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(tǒng)光通信技術勢必會被更先進的技術所代替。然而在通信泡沫破滅的今天，新的光通信技術的應用不可避免的會帶來對新型通信設備的需求，面對居高不下的光器件價格，大規(guī)模通信設備更換所需要的高額成本，是運營商所不能接受的，因此對設備制造商而言，光纖通信新技術的研發(fā)也面臨著很大的風險。如何在現有的設備基礎上提高光通信系統(tǒng)的性能成為了切實的問題。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，再一次被放到了桌面上。

相干光通信的理論和實驗始于80年代。由于相干光通信系統(tǒng)被公認為具有靈敏度高的優(yōu)勢，各國在相干光傳輸技術上做了大量研究工作。經過十年的研究，相干光通信進入實用階段。英美日等國相繼進行了一系列相干光通信實驗。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行了1.3μm和1.55μm波長的1.7Gbit/s FSK現場無中繼相干傳輸實驗，相距35公里，接收靈敏度達到-41.5dBm。NTT公司于1990年在瀨戶內陸海的大分—尹予和吳站之間進行了2.5Gbit/s CPFSK相干傳輸實驗，總長431公里。直到19世紀80年代末，EDFA和WDM技術的發(fā)展，使得相干光通信技術的發(fā)展緩慢下來。在這段時期，靈敏度和每個通道的信息容量已經不再備受關注。然而，直接檢測的WDM系統(tǒng)經過二十年的發(fā)展和廣泛應用后，新的征兆開始出現，標志著相干光傳輸技術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，靈敏度和動態(tài)范圍成為系統(tǒng)的關鍵參數，而他們都能通過相關光通信技術得到很大改善。

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

系統(tǒng)結構：

如下圖所示：本系統(tǒng)主要是完成相干光前端的信號調制控制和系統(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(xù)光，而在信號傳輸的過程中需要提供同步時鐘以使發(fā)送端和接收端能夠同步。在本系統(tǒng)設計中，對光源產生的連續(xù)激光進行聲光調制，產生脈沖光信號，作為接收端的同步信號。

1 聲光調制器：

本系統(tǒng)中采用的聲光調制器（MT80-B30A1-IR）集成了了聲光介質、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TeO2 。

TeO2晶體是一種具有高品質因數的聲光材料，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、驅動功率小、衍射效率高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。它是制做聲光偏轉器、調制器、諧振器、可調濾光器等各類聲光器件的理想單晶材料。

2 調制信號驅動器：

系統(tǒng)中的聲光調制信號由直接數字合成器（DDS）產生，利用DDS信號源可以方便地實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：

控制模塊實現對聲光調制信號驅動器的控制，使其產生頻率為80MHz、幅度為脈沖波的射頻信號，以驅動聲光調制晶體進行聲光調制。

控制模塊主要由PIC單片機加外圍控制電路實現。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系列的來實現，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。

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生一定幅度和頻率的脈沖光信號。

聲光調制在本系統(tǒng)中有兩個作用：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，提供時鐘。

這里使用的是MT80-B30AI-IR聲光調制器，由于器件提供線性調制，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的IO端口進行輸入，實驗室采用的是具有53個IO端口的PIC32作為編程器。這里面考慮2個方面的控制

脈沖光的頻率：

輸出頻率設置為：80MHZ，代入上式：

=343597383.68

變?yōu)?進制：00101000011110101110000101000111

用PIC單片機輸出，輸出前先鎖存，穩(wěn)定后輸出，只設兩個端口，一個輸出0，一個輸出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。實際上實驗室采用的是10000001碼，可以用并口直接寫入。

控制時主要情況分析：首先是控制電源部分，通過單片機管腳寫高電平，使用繼電器單閘開關選擇電源供電。數據流的寫入就交給單片機IO端口完成。脈沖光控制：控制時鐘設置：通過TC0作為定時器，選擇控制脈沖寬度，一個定時器為4us，通過2個中斷來設置脈沖寬度：比較匹配，溢出匹配。比較匹配中斷：當達到匹配值的時候，產生匹配中斷，輸出光信號溢出匹配：定時器技術，達到計數值，產生中斷溢出，停止光輸出。

軟件設計：直接用單片機寫相應的碼形。同步時鐘通過主機發(fā)送，當有數據流時，主機發(fā)送一個控制時鐘信號，每個信號脈沖觸發(fā)一次外部的中斷。外部中斷重新清除定時器，重新開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(tǒng)中，就是利用電光調制來實現信息的調制。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：信息產生電路：由FPGA產生隨機高斯數信號幅度控制電路：通過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Labview產生4位隨機碼，通過PIC變化成8為高斯隨機碼，然后通過DA轉換器，把信號變成模擬信號，模擬信號經兩個聲光調制器，首先進行幅度調制，然后進行相位調制。

電源部分：分析供電部分：PIC單片機采用5V供電，一個MC7812或者LM7812 提供12V電壓，一個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。電路設計圖如下：

隨機數產生：

上位機采用LABVIEW程序產生隨機高斯數，通過數據采集卡輸出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)展的一個重要方向。粗略地說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。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)為依托，實現各種儀器功能。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形

上位機采用LABVIEW程序產生隨機高斯數，通過數據采集卡輸出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)展的一個重要方向。粗略地說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。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)為依托，實現各種儀器功能。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、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據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程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，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人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時，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公式控制幅度：

電光相位調制器驅動源的輸入范圍為0V到4V，而電光振幅調制器驅動源的輸入范圍為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公式控制相位：

電路整體設計：

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

單片機選擇：PIC32單片機。

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

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。通過設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DA為基礎，設計DA轉換電路。DA寫片選信號通過單片機產生PWM波控制寫的頻率，也就是控制輸出信號產生時間間隔。

隨機碼的轉換：

把四位二進制隨機碼轉換成8位二進制碼，設置數碼對照表，查表進行。

控制寫：通過端口產生PWM控制寫入時間間隔。

控制程序設計模塊：

圖13：控制程序控制模塊

通過這種方法，我們可以來單獨或者聯合調制光信號的幅度和相位，這里面我先實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］：一個是用于光信號數據采集;另一個則是用于實現發(fā)送與接收端之間的同步

檢測電路應該分為幾個部分：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。下面就來分別對三個部分進行介紹。

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管把接收到的光信號轉變?yōu)殡娦盘?。通過光電二級管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性放大方法。這里進一步對信號進行放大。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的時候有190MHz的帶寬。方便線性控制。

根據放大器理論推算輸出：

去不同的電阻值，保證放大器線性

R3=R4=11O歐

R5=R6=2000歐

電壓增益：

噪聲增益：

沒有補償電容。

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(tǒng)來說的。主要是設計了PIC控制光放射端。通過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來控制電光調制器來完成。我們通過隨機數來模擬了信息碼，通過PIC來對合適的光源進行信息編碼。在接收端，由于時間緊，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來完成，但限于只有一塊開發(fā)板，而對于通信系統(tǒng)中，接收端和發(fā)射端控制應該分離的基本原則，并沒有實現接收控制。這也是以后我們將繼續(xù)研究的方向。