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(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(shù)的研發(fā)也面臨著很大的風險。如何在現(xiàn)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(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)的關鍵參數(shù)，而他們都能通過相關光通信技術(shù)得到很大改善。

本次設計將以PIC32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(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位設置固定頻率，8位設置幅度，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(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(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(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