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）技術和摻鉺光纖放大器（EDFA）的應用已經極大的提高了光通信系統的帶寬和傳輸距離，伴隨著視頻會議等通信技術的應用和互聯網的普及產生的信息爆炸式增長，對作為整個通信系統基礎的物理層提出了更高的傳輸性能要求。光通信系統采用強度調制/直接檢測（IM/DD），即發送端調制光載波強度，接收機對光載波進行包絡檢測。盡管這種結構具有簡單、容易集成等優點，但是由于只能采用ASK調制格式，其單路信道帶寬很有限。因此這種傳統光通信技術勢必會被更先進的技術所代替。然而在通信泡沫破滅的今天，新的光通信技術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，光纖通信新技術的研發也面臨著很大的風險。如何在現有的設備基礎上提高光通信系統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，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被公認為具有靈敏度高的優勢，各國在相干光傳輸技術上做了大量研究工作。經過十年的研究，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技術的發展，使得相干光通信技術的發展緩慢下來。在這段時期，靈敏度和每個通道的信息容量已經不再備受關注。然而，直接檢測的WDM系統經過二十年的發展和廣泛應用后，新的征兆開始出現，標志著相干光傳輸技術的應用將再次受到重視。在數字通信方面，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的容量和范圍已成為重要的考慮因素。在模擬通信方面，靈敏度和動態范圍成為系統的關鍵參數，而他們都能通過相關光通信技術得到很大改善。

本次設計將以PIC32單片機作為主控系統，設計合適的相干光通信系統，能夠在系統中進行信息碼輸著這個目的以完成本是設計。

系統結構：

如下圖所示：本系統主要是完成相干光前端的信號調制控制和系統同步控制。其中發射端包括生光控制系統和電光控制系統，包括幅度調制和相位調制將是PIC單片機的主要控制工作。

2.1發射控制模塊設計

2.1.1聲光控制模塊

激光器（SDL5412）發出的是連續光，而在信號傳輸的過程中需要提供同步時鐘以使發送端和接收端能夠同步。在本系統設計中，對光源產生的連續激光進行聲光調制，產生脈沖光信號，作為接收端的同步信號。

1 聲光調制器：

本系統中采用的聲光調制器（MT80-B30A1-IR）集成了了聲光介質、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置等。調制器中所采用的聲光晶體為TeO2 。

TeO2晶體是一種具有高品質因數的聲光材料，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、驅動功率小、衍射效率高、性能穩定可靠等優點。它是制做聲光偏轉器、調制器、諧振器、可調濾光器等各類聲光器件的理想單晶材料。

2 調制信號驅動器：

系統中的聲光調制信號由直接數字合成器（DDS）產生，利用DDS信號源可以方便地實現對輸出頻率和幅度的數字控制。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：

控制模塊實現對聲光調制信號驅動器的控制，使其產生頻率為80MHz、幅度為脈沖波的射頻信號，以驅動聲光調制晶體進行聲光調制。

控制模塊主要由PIC單片機加外圍控制電路實現。由于控制需要的引腳數量較多（31位頻率控制，1位頻率鎖定，8位幅度控制，1位外部觸發位，共41位），主控單片機采用PIC系列的來實現，采用2位設置固定頻率，8位設置幅度，1位觸發。下圖2給出聲光調制硬件結構圖：

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壓芯片穩壓，集成穩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制器產生一定幅度和頻率的脈沖光信號。

聲光調制在本系統中有兩個作用：把連續激光變成120NS的脈沖光，第一：發送端作為本地載波。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聲光調制器，由于器件提供線性調制，我們理論上要按照器件提供的參數操作：

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

變為2進制：00101000011110101110000101000111

用PIC單片機輸出，輸出前先鎖存，穩定后輸出，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位數控制，控制數與幅度大小成正比，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。數據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，產生匹配中斷，輸出光信號溢出匹配：定時器技術，達到計數值，產生中斷溢出，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送，當有數據流時，主機發送一個控制時鐘信號，每個信號脈沖觸發一次外部的中斷。外部中斷重新清除定時器，重新開始計數控制脈沖寬度。

2.1.2電光控制模塊

發送方需要把待發送信息調制到光載波上。在本系統中，就是利用電光調制來實現信息的調制。其中包括幅度調制和相位調制。電光調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：信息產生電路：由FPGA產生隨機高斯數信號幅度控制電路：通過單片機控制數字信號轉換成模擬信號控制幅度調制器。 相位控制電路：通過單片機控制數字信號轉換成模擬信號控制相位調制器。

圖10. 電光調制硬件結構圖

主要是通過Labview產生4位隨機碼，通過PIC變化成8為高斯隨機碼，然后通過DA轉換器，把信號變成模擬信號，模擬信號經兩個聲光調制器，首先進行幅度調制，然后進行相位調制。

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：

隨機數產生：

上位機采用LABVIEW程序產生隨機高斯數，通過數據采集卡輸出4位隨機數，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合是目前儀器發展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，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，目前已經出現含嵌入式系統的儀器。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為依托，實現各種儀器功能。
來源；21ic