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根据PIC32的相干光发射与接纳体系规划

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

导言

在光通讯范畴,更大的带宽、更长的传输距离、更高的接纳灵敏度,永远都是科研者的寻求方针。虽然波分复用(WDM)技能和掺铒光纤扩大器(EDFA)的运用现已极大的进步了光通讯体系的带宽和传输距离,伴跟着视频会议等通讯技能的运用和互联网的遍及发生的信息爆破式添加,对作为整个通讯体系根底的物理层提出了更高的传输功用要求。光通讯体系选用强度调制/直接检测(IM/DD),即发送端调制光载波强度,接纳机对光载波进行包络检测。虽然这种结构具有简略、简单集成等长处,但是因为只能选用ASK调制格局,其单路信道带宽很有限。因而这种传统光通讯技能必然会被更先进的技能所替代。但是在通讯泡沫幻灭的今日,新的光通讯技能的运用不可防止的会带来对新式通讯设备的需求,面临居高不下的光器材价格,大规模通讯设备替换所需求的高额本钱,是运营商所不能承受的,因而对设备制造商而言,光纤通讯新技能的研制也面临着很大的危险。如安在现有的设备根底上进步光通讯体系的功用成为了实在的问题。在这样的布景下,二十多年前曾被寄予厚望的相干光通讯技能,再一次被放到了桌面上。

相干光通讯的理论和试验始于80年代。因为相干光通讯体系被公认为具有灵敏度高的优势,各国在相干光传输技能上做了很多研讨作业。经过十年的研讨,相干光通讯进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通讯试验。ATT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试验,相距35公里,接纳灵敏度到达-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相干传输试验,总长431公里。直到19世纪80年代末,EDFA和WDM技能的开展,使得相干光通讯技能的开展缓慢下来。在这段时期,灵敏度和每个通道的信息容量现已不再备受重视。但是,直接检测的WDM体系经过二十年的开展和广泛运用后,新的预兆开端呈现,标志着相干光传输技能的运用将再次受到重视。在数字通讯方面,扩展C波段扩大器的容量,战胜光纤色散效应的恶化,以及添加自由空间传输的容量和规模已成为重要的考虑要素。在模仿通讯方面,灵敏度和动态规模成为体系的要害参数,而他们都能经过相关光通讯技能得到很大改进。

本次规划将以单片机作为主控体系,规划适宜的相干光通讯体系,能够在体系中进行信息码输着这个意图以完本钱是规划。

体系结构:

如下图所示:本体系首要是完结相干光前端的信号调制操控和体系同步操控。其间发射端包含生光操控体系和电光操控体系,包含起伏调制和相位调制将是PIC单片机的首要操控作业。

2.1发射操控模块规划

2.1.1声光操控模块

激光器(SDL5412)宣布的是接连光,而在信号传输的进程中需求供给同步时钟以使发送端和接纳端能够同步。在本体系规划中,对光源发生的接连激光进行声光调制,发生脉冲光信号,作为接纳端的同步信号。

1 声光调制器:

本体系中选用的声光调制器(MT80-B30A1-IR)集成了了声光介质、电声换能器、吸声(或反射)设备等。调制器中所选用的声光晶体为TeO2 。

TeO2晶体是一种具有高品质因数的声光资料,有杰出的双折射和旋光功用,沿[110]方向传达的声速慢;具有呼应速度快、驱动功率小、衍射效率高、功用安稳牢靠等长处。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材的抱负单晶资料。

2 调制信号驱动器:

体系中的声光调制信号由直接数字合成器(DDS)发生,运用DDS信号源能够便利地完结对输出频率和起伏的数字操控。DDS信号源的操控端口有31位频率操控和8位起伏操控。

3 操控模块规划:

操控模块完结对声光调制信号驱动器的操控,使其发生频率为80MHz、起伏为脉冲波的射频信号,以驱动声光调制晶体进行声光调制。

操控模块首要由PIC单片机加外围操控电路完结。因为操控需求的引脚数量较多(31位频率操控,1位频率确定,8位起伏操控,1位外部触发位,共41位),主控单片机选用PIC系列的来完结,选用2位设置固定频率,8位设置起伏,1位触发。下图2给出声光调制硬件结构图:

电路规划时分首要考虑用变压器降压到适宜电压,整流滤波后在经过稳压芯片稳压,集成稳压片输出电源摇摆值比较小,适宜的集成芯片首要是5V好12V输出的比较多这儿边就挑选用2个MC7812或许LM7812 供给24V电压,一个MC7805或许LM7805供给5V电压,电路在500MA坚持住。

电源模块的电路如图4所示:

PIC操控首要考虑的是操控声光调制器发生必定起伏和频率的脉冲光信号。

声光调制在本体系中有两个效果:把接连激光变成120NS的脉冲光,榜首:发送端作为本地载波。第二:接纳端作为本地振动信号,供给时钟。

这儿运用的是MT80-B30AI-IR声光调制器,因为器材供给线性调制,咱们理论上要依照器材供给的参数操作:

由串口操控:

因为操控接口选用的是44端的并行端口,这儿边要找数量多点的IO端口进行输入,试验室选用的是具有53个IO端口的PIC32作为编程器。这儿边考虑2个方面的操控

脉冲光的频率:

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,安稳后输出,只设两个端口,一个输出0,一个输出1,确保频率不变。

首要是操控并口的:

这儿边起伏有8位数操控,操控数与起伏巨细成正比,也便是说从255到0操控起伏最大的值到最小的值。设置

8位码操控。实际上试验室选用的是10000001码,能够用并口直接写入。

操控时首要状况剖析:首要是操控电源部分,经过单片机管脚写高电平,运用继电器单闸开关挑选电源供电。数据流的写入就交给单片机IO端口完结。脉冲光操控:操控时钟设置:经过TC0作为定时器,挑选操控脉冲宽度,一个定时器为4us,经过2个中止来设置脉冲宽度:比较匹配,溢出匹配。比较匹配中止:当到达匹配值的时分,发生匹配中止,输出光信号溢出匹配:定时器技能,到达计数值,发生中止溢出,中止光输出。

软件规划:直接用单片机写相应的码形。同步时钟经过主机发送,当有数据流时,主机发送一个操控时钟信号,每个信号脉冲触发一次外部的中止。外部中止从头铲除定时器,从头开端计数操控脉冲宽度。

2.1.2电光操控模块

发送方需求把待发送信息调制到光载波上。在本体系中,便是运用电光调制来完结信息的调制。其间包含起伏调制和相位调制。电光调制即在光脉冲信号中参加有用信息,电路包含首要包含:信息发生电路,起伏操控电路,相位操控电路。下面一步一步来剖析:信息发生电路:由FPGA发生随机高斯数信号起伏操控电路:经过单片机操控数字信号转化成模仿信号操控起伏调制器。 相位操控电路:经过单片机操控数字信号转化成模仿信号操控相位调制器。

图10. 电光调制硬件结构图

首要是经过Labview发生4位随机码,经过PIC变化成8为高斯随机码,然后经过DA转化器,把信号变成模仿信号,模仿信号经两个声光调制器,首要进行起伏调制,然后进行相位调制。

电源部分:剖析供电部分:PIC单片机选用5V供电,一个MC7812或许LM7812 供给12V电压,一个MC7805或许LM7805供给5V电压,经过LM117把5V电压将为3.3V。电流在500MA坚持住.电路规划图如下:

随机数发生:

上位机选用LABVIEW程序发生随机高斯数,经过数据收集卡输出4位随机数,模仿有用信号。LABVIEW是NI公司规划一种虚拟仪器软件。虚拟仪器(virtual instrumention)是依据计算机的仪器。计算机和仪器的亲近结合是现在仪器开展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种办法,一种是将计算机装入仪器,其典型的比如便是所谓智能化的仪器。跟着计算机功用的日益强壮以及其体积的日趋缩小,这类仪器功用也越来越强壮,现在现已呈现含嵌入式体系的仪器。另一种办法是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作体系为依托,完结各种仪器功用。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形

上位机选用LABVIEW程序发生随机高斯数,经过数据收集卡输出4位随机数,模仿有用信号。LABVIEW是NI公司规划一种虚拟仪器软件。虚拟仪器(virtual instrumention)是依据计算机的仪器。计算机和仪器的亲近结合是现在仪器开展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种办法,一种是将计算机装入仪器,其典型的比如便是所谓智能化的仪器。跟着计算机功用的日益强壮以及其体积的日趋缩小,这类仪器功用也越来越强壮,现在现已呈现含嵌入式体系的仪器。另一种办法是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作体系为依托,完结各种仪器功用。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程言语,它广泛地被工业界、学术界和研讨试验室所承受,视为一个规范的数据收集和仪器操控软件。LabVIEW集成了与满意GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据收集卡通讯的悉数功用。它还内置了便于运用TCP/IP、ActiveX等软件规范的库函数。这是一个功用强壮且灵敏的软件。运用它能够便利地树立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及运用进程都生动有趣。图形化的程序言语,又称为“G”言语。运用这种言语编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图或流程图。它尽可能运用了技能人员、科学家、工程师所了解的术语、图标和概念,因而,LabVIEW是一个面向最终用户的东西。它能够增强你构建自己的科学和工程体系的才能,供给了完结仪器编程和数据收集体系的快捷途径。运用它进行原理研讨、规划、测验并完结仪器体系时,能够大大进步作业效率。

下面是规划的随机数参数软件界面:

起伏操控电路:

起伏操控和相位操控都是来操控输入电压,经过输入电压的改动来改动光载波的起伏与相位。

依照说明书经过这个公式操控起伏:

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

相位操控电路:

相位操控和起伏操控都是来操控输入电压,经过输入电压的改动来改动光载波的起伏与相位。

依照说明书经过这个公式操控相位:

电路全体规划:

经过labview输入四位二进制随机码给单片机,单片机操控发生8位二进制码行(经过查表法),操控数模转化器。发生相应的电压驱动模仿量。

单片机挑选:PIC32单片机。

数模转化器挑选:MCP4725.长处:比较常用,功耗低,电路规划老练,价格低廉。

作业办法的挑选:电流通化形式和电压转化形式因为要求输出电压值,能够减小噪声和漂移对运算扩大器的影响,下面是从PDF里找到的典型的运用电路办法:

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。 用户可将装备寄存器位(2位)和DAC输入数据(12位)存储到非易失性EEPROM(14 位)存储器中。经过设置装备寄存器位能够把 DAC 装备成正常形式或节约功耗的关断形式。 器材能够运用 2 线 I2C 兼容串行接口,且由电压规模为2.7V 至 5.5V 的单电源供电。输出电压公式如下,更多内容参阅MCP4725作业手册。下面咱们使器材输出1.6V的电压。电压转化公式如下:

输出电压规模为:0到

以这个DA为根底,规划DA转化电路。DA写片选信号经过单片机发生PWM波操控写的频率,也便是操控输出信号发生时刻距离。

随机码的转化:

把四位二进制随机码转化成8位二进制码,设置数码对照表,查表进行。

操控写:经过端口发生PWM操控写入时刻距离。

操控程序规划模块:

图13:操控程序操控模块

经过这种办法,咱们能够来独自或许联合调制光信号的起伏和相位,这儿边我先完结了独自调制起伏和相位的作业。

2.2接纳端电路规划

光信号检测模块首要运用于两方面[2]:一个是用于光信号数据收集;另一个则是用于完结发送与接纳端之间的同步

检测电路应该分为几个部分:榜首:光电转化和前置扩大。第二部分:差分扩大电路。

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 光勘探电流模块

本模块的首要效果便是经过光电二级管把接纳到的光信号转变为电信号。经过光电二级管BPX65接纳光信号,生成弱小的电流信号。测控生成电路信号但是设置为:

电流通电压经过SA5212变为电压信号。

输出增益为:

SA5212的跨租增益值为:

其间

就能够求得。与试验彼此验证。

2.2.1 光勘探电流模块

差分扩大是最常用的线性扩大办法。这儿进一步对信号进行扩大。这儿选用AD8021作为运算扩大器,也能够挑选其他的AD扩大器

AD8021闭环增益为10的时分有190MHz的带宽。便利线性操控。

依据扩大器理论计算输出:

去不同的电阻值,确保扩大器线性

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

有源滤波的效果是对前面的扩大信号进行滤波扩大[3]。首要是要滤掉低频重量,便于后端收集,防止频谱混叠现象,而且低频重量包含很多噪声。

首要是规划二阶低通滤波器。这儿相同能够选用AD8021做为首要器材,图13给出了AD8021常用的电路运用图:

图14:AD8021运用电路

低通滤波器的增益为:

频率呼应:

归一化传递函数:

设置截止频率为1.8MHZ。

能够得到相应的电阻电容值。

则输出电压值:

整体电路如下:

图14: 光电感应电路

三:总结

本次规划首要是针对相干光的操控和查看体系来说的。首要是规划了PIC操控光放射端。经过PIC操控声光调制器构成适宜的光源,然后起伏或许相位的编码就交给PIC来操控电光调制器来完结。咱们经过随机数来模仿了信息码,经过PIC来对适宜的光源进行信息编码。在接纳端,因为时刻紧,只是规划了光电感应电路,关于信息的处理操控也能够有PIC来完结,但限于只要一块开发板,而关于通讯体系中,接纳端和发射端操控应该别离的基本原则,并没有完结接纳操控。这也是今后咱们将持续研讨的方向。

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