基于PIC32的相干光发射与接收系统的设计解析

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）的应用已经极大的提高了光通信系统的带宽和传输距离，伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。光通信系统采用强度调制/直接检测(IM/DD)，即发送端调制光载波强度，接收机对光载波进行包络检测。尽管这种结构具有简单、容易集成等优点，但是由于只能采用ASK调制格式，其单路信道带宽很有限。因此这种传统光通信技术势必会被更先进的技术所代替。然而在通信泡沫破灭的今天，新的光通信技术的应用不可避免的会带来对新型通信设备的需求，面对居高不下的光器件价格，大规模通信设备更换所需要的高额成本，是运营商所不能接受的，因此对设备制造商而言，光纤通信新技术的研发也面临着很大的风险。如何在现有的设备基础上提高光通信系统的性能成为了切实的问题。在这样的背景下，二十多年前曾被寄予厚望的相干光通信技术，再一次被放到了桌面上。

相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究工作。经过十年的研究，相干光通信进入实用阶段。英美日等国相继进行了一系列相干光通信实验。AT&T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实验，相距35公里，接收灵敏度达到-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相干传输实验，总长431公里。直到19世纪80年代末，EDFA和WDM技术的发展，使得相干光通信技术的发展缓慢下来。在这段时期，灵敏度和每个通道的信息容量已经不再备受关注。然而，直接检测的WDM系统经过二十年的发展和广泛应用后，新的征兆开始出现，标志着相干光传输技术的应用将再次受到重视。在数字通信方面，扩大C波段放大器的容量，克服光纤色散效应的恶化，以及增加自由空间传输的容量和范围已成为重要的考虑因素。在模拟通信方面，灵敏度和动态范围成为系统的关键参数，而他们都能通过相关光通信技术得到很大改善。 

本次设计将以PIC32单片机作为主控系统，设计合适的相干光通信系统，能够在系统中进行信息码输着这个目的以完成本是设计。

系统结构：

如下图所示：本系统主要是完成相干光前端的信号调制控制和系统同步控制。其中发射端包括生光控制系统和电光控制系统，包括幅度调制和相位调制将是PIC单片机的主要控制工作。

图1.系统设计总体流程图

2.1发射控制模块设计

2.1.1声光控制模块

激光器(SDL5412)发出的是连续光，而在信号传输的过程中需要提供同步时钟以使发送端和接收端能够同步。在本系统设计中，对光源产生的连续激光进行声光调制，产生脉冲光信号，作为接收端的同步信号。

1 声光调制器：

本系统中采用的声光调制器(MT80-B30A1-IR)集成了了声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置等。调制器中所采用的声光晶体为TeO2 。

TeO2晶体是一种具有高品质因数的声光材料，有良好的双折射和旋光性能，沿[110]方向传播的声速慢；具有响应速度快、驱动功率小、衍射效率高、性能稳定可靠等优点。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件的理想单晶材料。

2 调制信号驱动器：

系统中的声光调制信号由直接数字合成器(DDS)产生，利用DDS信号源可以方便地实现对输出频率和幅度的数字控制。DDS信号源的控制端口有31位频率控制和8位幅度控制。

3 控制模块设计：

控制模块实现对声光调制信号驱动器的控制，使其产生频率为80MHz、幅度为脉冲波的射频信号，以驱动声光调制晶体进行声光调制。

控制模块主要由PIC单片机加外围控制电路实现。由于控制需要的引脚数量较多(31位频率控制，1位频率锁定，8位幅度控制，1位外部触发位，共41位)，主控单片机采用PIC系列的来实现，采用2位设置固定频率，8位设置幅度，1位触发。下图2给出声光调制硬件结构图：

图2.声光调制控制硬件结构

电路设计时候首先考虑用变压器降压到合适电压，整流滤波后在通过稳压芯片稳压，集成稳压片输出电源摆动值比较小，合适的集成芯片主要是5V好12V输出的比较多这里面就选择用2个MC7812或者LM7812 提供24V电压，一个MC7805或者LM7805提供5V电压，电路在500MA保持住。

图3. MC7812和LM7805输出性能参数

电源模块的电路如图4所示：

图4.电源模块