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[導(dǎo)讀]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

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。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。

 

 

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:

電路設(shè)計(jì)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(diǎn)的IO端口進(jìn)行輸入,實(shí)驗(yàn)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(jìn)制:00101000011110101110000101000111

用PIC單片機(jī)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(shí)際上實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(dāng)達(dá)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(dá)到計(jì)數(shù)值,產(chǎn)生中斷溢出,停止光輸出。

軟件設(shè)計(jì):直接用單片機(jī)寫相應(yīng)的碼形。同步時鐘通過主機(jī)發(fā)送,當(dāng)有數(shù)據(jù)流時,主機(jī)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(jì)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(shí)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(jī)高斯數(shù)信號幅度控制電路:通過單片機(jī)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(jī)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(jī)碼,通過PIC變化成8為高斯隨機(jī)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(jìn)行幅度調(diào)制,然后進(jìn)行相位調(diào)制。

電源部分:分析供電部分:PIC單片機(jī)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(jì)圖如下:

隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生:

上位機(jī)采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機(jī)高斯數(shù),通過數(shù)據(jù)采集卡輸出4位隨機(jī)數(shù),模擬有用信號。LABVIEW是NI公司設(shè)計(jì)一種虛擬儀器軟件。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)裝入儀器,其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小,這類儀器功能也越來越強(qiáng)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(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托,實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形

上位機(jī)采用LABVIEW程序產(chǎn)生隨機(jī)高斯數(shù),通過數(shù)據(jù)采集卡輸出4位隨機(jī)數(shù),模擬有用信號。LABVIEW是NI公司設(shè)計(jì)一種虛擬儀器軟件。虛擬儀器(virtual instrumention)是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)裝入儀器,其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小,這類儀器功能也越來越強(qiáng)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(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托,實(shí)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(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受,視為一個標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個功能強(qiáng)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(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念,因此,LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力,提供了實(shí)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(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時,可以大大提高工作效率。

下面是設(shè)計(jì)的隨機(jī)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(jì):

通過labview輸入四位二進(jìn)制隨機(jī)碼給單片機(jī),單片機(jī)控制產(chǎn)生8位二進(jìn)制碼行(通過查表法),控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器。產(chǎn)生相應(yīng)的電壓驅(qū)動模擬量。

單片機(jī)選擇:PIC32單片機(jī)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇:MCP4725.優(yōu)點(diǎn):比較常用,功耗低,電路設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)DA轉(zhuǎn)換電路。DA寫片選信號通過單片機(jī)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(jī)碼的轉(zhuǎn)換:

把四位二進(jìn)制隨機(jī)碼轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制碼,設(shè)置數(shù)碼對照表,查表進(jìn)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(jì)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(dú)或者聯(lián)合調(diào)制光信號的幅度和相位,這里面我先實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)調(diào)制幅度和相位的工作。

2.2接收端電路設(shè)計(jì)

光信號檢測模塊主要應(yīng)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(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收端之間的同步

檢測電路應(yīng)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(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光電二級管把接收到的光信號轉(zhuǎn)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(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(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)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(jìn)一步對信號進(jìn)行放大。這里選用AD8021作為運(yùn)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(bǔ)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(xiàn)象,并且低頻分量包括大量噪聲。

主要是設(shè)計(jì)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(yùn)用圖:

 

 

圖14:AD8021應(yīng)用電路

低通濾波器的增益為:

 

 

頻率響應(yīng):

 

 

歸一化傳遞函數(shù):

 

 

設(shè)置截止頻率為1.8MHZ。

可以得到相應(yīng)的電阻電容值。

則輸出電壓值:

 

 

總體電路如下:

 

 

圖14: 光電感應(yīng)電路

三:總結(jié)

本次設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)數(shù)來模擬了信息碼,通過PIC來對合適的光源進(jìn)行信息編碼。在接收端,由于時間緊,僅僅設(shè)計(jì)了光電感應(yīng)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(yīng)該分離的基本原則,并沒有實(shí)現(xiàn)接收控制。這也是以后我們將繼續(xù)研究的方向。

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北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

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