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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(tǒng)的帶寬和傳輸距離，伴隨著視頻會議等通信技術(shù)的應用和互聯(lián)網(wǎng)的普及產(chǎn)生的信息爆炸式增長，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)采用強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD），即發(fā)送端調(diào)制光載波強度，接收機對光載波進行包絡(luò)檢測。盡管這種結(jié)構(gòu)具有簡單、容易集成等優(yōu)點，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帶來對新型通信設(shè)備的需求，面對居高不下的光器件價格，大規(guī)模通信設(shè)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(shè)備制造商而言，光纖通信新技術(shù)的研發(fā)也面臨著很大的風險。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(shù)上做了大量研究工作。經(jīng)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(xiàn)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(nèi)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(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)展和廣泛應用后，新的征兆開始出現(xiàn)，標志著相干光傳輸技術(shù)的應用將再次受到重視。在數(shù)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?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)計將以單片機作為主控系統(tǒng)，設(shè)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(shè)計。
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單片機的主要控制工作。
2.1發(fā)射控制模塊設(shè)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?shù)倪^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(shè)計中，對光源產(chǎn)生的連續(xù)激光進行聲光調(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。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：
控制模塊實現(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)制晶體進行聲光調(diào)制。
控制模塊主要由PIC單片機加外圍控制電路實現(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），主控單片機采用PIC系列的來實現(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：
電路設(shè)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(diào)制器產(chǎn)生一定幅度和頻率的脈沖光信號。
聲光調(diào)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(diào)制器，由于器件提供線性調(diào)制，我們理論上要按照器件提供的參數(shù)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(shù)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(shè)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(shè)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(shù)控制，控制數(shù)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(shè)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(guān)選擇電源供電。數(shù)據(jù)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(shè)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(shè)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(chǎn)生匹配中斷，輸出光信號溢出匹配：定時器技術(shù)，達到計數(shù)值，產(chǎn)生中斷溢出，停止光輸出。
軟件設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)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(diào)制到光載波上。在本系統(tǒng)中，就是利用電光調(diào)制來實現(xiàn)信息的調(diào)制。其中包括幅度調(diào)制和相位調(diào)制。電光調(diào)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。下面一步一步來分析：信息產(chǎn)生電路：由FPGA產(chǎn)生隨機高斯數(shù)信號幅度控制電路：通過單片機控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號控制幅度調(diào)制器。 相位控制電路：通過單片機控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號控制相位調(diào)制器。
圖10. 電光調(diào)制硬件結(jié)構(gòu)圖
主要是通過Labview產(chǎn)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(zhuǎn)換器，把信號變成模擬信號，模擬信號經(jīng)兩個聲光調(diào)制器，首先進行幅度調(diào)制，然后進行相位調(diào)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(shè)計圖如下：
隨機數(shù)產(chǎn)生：
上位機采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機高斯數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出4位隨機數(shù)，模擬有用信號。LABVIEW是NI公司設(shè)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(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)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(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出4位隨機數(shù)，模擬有用信號。LABVIEW是NI公司設(shè)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(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)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(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應用TCP/IP、AcTIveX等軟件標準的庫函數(shù)。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(shù)人員、科學家、工程師所熟悉的術(shù)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(gòu)建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。
下面是設(shè)計的隨機數(shù)參數(shù)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(diào)制器驅(qū)動源的輸入范圍為0V到4V，而電光振幅調(diào)制器驅(qū)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(shè)計：
通過labview輸入四位二進制隨機碼給單片機，單片機控制產(chǎn)生8位二進制碼行（通過查表法），控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)生相應的電壓驅(qū)動模擬量。
單片機選擇：PIC32單片機。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇：MCP4725.優(yōu)點：比較常用，功耗低，電路設(shè)計成熟，價格低廉。
工作方式的選擇：電流轉(zhuǎn)換模式和電壓轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)（12位）存儲到非易失性EEPROM（14 位）存儲器中。通過設(shè)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(guān)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(nèi)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(zhuǎn)換公式如下：
輸出電壓范圍為：0到
。
以這個DA為基礎(chǔ)，設(shè)計DA轉(zhuǎn)換電路。DA寫片選信號通過單片機產(chǎn)生PWM波控制寫的頻率，也就是控制輸出信號產(chǎn)生時間間隔。
隨機碼的轉(zhuǎn)換：
把四位二進制隨機碼轉(zhuǎn)換成8位二進制碼，設(shè)置數(shù)碼對照表，查表進行。
控制寫：通過端口產(chǎn)生PWM控制寫入時間間隔。
控制程序設(shè)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(lián)合調(diào)制光信號的幅度和相位，這里面我先實現(xiàn)了單獨調(diào)制幅度和相位的工作。
2.2接收端電路設(shè)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(shù)據(jù)采集;另一個則是用于實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｍㄟ^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(shè)置為：
電流轉(zhuǎn)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(jù)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(xiàn)象，并且低頻分量包括大量噪聲。
主要是設(shè)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(shù)：
設(shè)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(jié)
本次設(shè)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(shè)計了PIC控制光放射端。通過PIC控制聲光調(diào)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(diào)制器來完成。我們通過隨機數(shù)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(shè)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(xiàn)接收控制。這也是以后我們將繼續(xù)研究的方向。
