無線激光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)收發(fā)電路的設(shè)計與實現(xiàn)

王惠琴, 馬玉昆, 蔡紅亮, 張 悅, 曹明華

(蘭州理工大學(xué) 計算機與通信學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

無線激光通信是一種以光波作為載體，在大氣信道中進行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男滦屯ㄐ偶夹g(shù).與傳統(tǒng)的微波和光纖通信相比，無線激光通信具有容量大、速率高、設(shè)備體積小、無需頻譜許可、成本低、系統(tǒng)搭建周期短等優(yōu)勢，被認(rèn)為是解決“最后一公里”問題的有效措施之一[1-3].因此，無線激光通信引起了各國的高度重視.

近年來，隨著光電設(shè)備和光通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線光通信得到了越來越多的專家學(xué)者、通信廠商的關(guān)注[4-8].徐明[9]研制出一種無線光通信系統(tǒng)，其在天氣晴朗的環(huán)境下可實現(xiàn)距離為30 m、速率為1 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸.李文博[10]利用50 mW的激光器搭建了可以傳輸最高9 MHz正弦信號的水下無線光傳輸系統(tǒng)，并在4.5 m的距離下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.郭永超[11]利用FPGA設(shè)計了PPM調(diào)制的激光傳輸系統(tǒng)，并在800 kbit/s速率下實現(xiàn)了無線激光視頻傳輸.費海榮[12]設(shè)計了一種基于以太網(wǎng)傳輸?shù)亩叹嚯x激光語音視頻通信系統(tǒng)，建立了百兆通信速率的綜合業(yè)務(wù)通信平臺.

目前，國外用于大氣激光通信的半導(dǎo)體激光器和接收器件已逐漸實現(xiàn)了商品化.據(jù)報道，近年美國、日本及俄羅斯等國都相繼推出了適用于大氣激光通信的大功率器件，連續(xù)輸出光功率可從數(shù)十毫瓦到數(shù)瓦[13].國內(nèi)雖然也取得了豐碩的研究成果，但和國外相比，還有一定的差距.因此，本文以紅光作為載體，設(shè)計了一種無線激光通信系統(tǒng)的收發(fā)電路.該收發(fā)電路可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，同時具有功耗低、設(shè)計簡單、體積小、使用方便等特點.

1 系統(tǒng)組成

無線激光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示.發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)送終端、FPGA、調(diào)制驅(qū)動電路、激光器和光學(xué)天線組成.接收系統(tǒng)由光學(xué)天線、光電探測器、放大電路、FPGA和接收終端組成.其中，在FPGA內(nèi)主要完成信號處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及時鐘恢復(fù)；調(diào)制驅(qū)動電路的主要作用是根據(jù)需求實現(xiàn)信號的調(diào)制，并驅(qū)動激光器將信號發(fā)送出去[14]；光學(xué)天線主要完成光信號的準(zhǔn)直和能量匯聚；接收端的光電探測主要完成光/電轉(zhuǎn)換；放大電路用于放大接收到的弱信號，將毫伏級的電壓信號放大至伏級，以滿足FPGA對信號處理的要求[15].

圖1 無線激光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)框圖Fig.1 Wireless laser data communication system block diagram

2 收發(fā)電路的設(shè)計

2.1 激光發(fā)射電路

激光發(fā)射電路主要由激光器、調(diào)制驅(qū)動電路組成.其中，激光器作為信號發(fā)射源，是激光發(fā)射電路中最重要的部分.它的選取決定無線激光通信系統(tǒng)的傳輸距離和衰減特性，影響其性能的主要參數(shù)有功率、波長等.在大氣信道中，采用紅光進行短距離傳輸時，受到的影響較小，而且其對背景光噪聲和紫外光具有一定的抵抗能力[16].與1 550 nm半導(dǎo)體激光器相比，650 nm半導(dǎo)體激光器具有價格低廉的優(yōu)點，可大大降低系統(tǒng)的設(shè)計成本[17].因此，本文采用THORLABS公司生產(chǎn)的L650P007紅光LD作為信號發(fā)射源,波長為650 nm.該激光器輸出功率為7 mW，閾值電流為20 mA，且內(nèi)部含有一個光電探測器，利用該模塊可以完成功率閉環(huán)控制的設(shè)計要求.

除此之外，為激光器L650P007搭配一款合適的絕緣保護器和準(zhǔn)直裝置，其中絕緣保護器選用SR9A.SR9A內(nèi)部具有一個可安裝小型印刷電路板(PCB)的插座，該插座不僅為激光器的安裝和更換提供了一種便捷的接口，也為發(fā)射電路在光學(xué)天線的安裝提供了一種方法.準(zhǔn)直裝置選用LTN330-A，它可以通過外部控制改變激光的焦點和方向，使激光的傳輸距離和功率接收處于最佳狀態(tài).在PCB上還增加了肖特基二極管和穩(wěn)壓二極管，肖特基二極管用于抑制擊穿激光二極管的反向電壓，穩(wěn)壓二極管用于分流激光二極管中過量的電壓與靜電.

設(shè)計調(diào)制驅(qū)動電路時，按照激光器的要求合理設(shè)定主芯片所需偏置電流和調(diào)制電流范圍，并保證有足夠的余量[18].MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3669芯片是一款適用于SDH/SONET應(yīng)用的激光驅(qū)動器，偏置電流為1～80 mA,調(diào)制電流為5～75 mA，具有PECL接口以及可實現(xiàn)高達622 Mbit/s傳輸速率的特點，因此，本次設(shè)計選取MAX3669作為激光驅(qū)動器.同時，MAX3669還擁有電流檢測功能和自動功率控制功能，這些可使激光發(fā)射電路的工作溫度和發(fā)射功率保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，設(shè)計的調(diào)制驅(qū)動電路如圖2所示.該調(diào)制驅(qū)動電路有閉環(huán)和開環(huán)兩種工作模式，可以通過改變APCSET引腳的輸入阻值變換系統(tǒng)的開閉環(huán)工作模式.當(dāng)引腳輸入電阻為99 kΩ時，系統(tǒng)處于開環(huán)工作方式下，APC的反饋控制功能關(guān)閉.本次設(shè)計基于閉環(huán)工作模式下，因此將R12調(diào)節(jié)至100 kΩ，啟用電路的自動功率控制功能.

圖2 調(diào)制驅(qū)動電路Fig.2 Modulation drive circuit

在閉環(huán)工作模式下，系統(tǒng)的激光發(fā)射驅(qū)動電路分為穩(wěn)壓電路、具有自動功率控制的激光偏置電路、監(jiān)測電路、激光調(diào)制模塊以及接口電路五部分.

穩(wěn)壓電路的芯片選用TI公司的LM1117-3.3低壓降線性穩(wěn)壓器，在芯片的輸入和輸出端分別加入多個47 μF電解電容和0.1 μF瓷片電容，用于降低外部電源帶入的噪聲，為驅(qū)動芯片提供最穩(wěn)定的輸入電壓.

由于FPGA通常采用LVDS電平，而發(fā)射電路采用LVPECL電平.因此需要為FPGA和發(fā)射電路之間設(shè)計一個接口，用于兩個器件之間的電平兼容與匹配.在圖2中，電阻R1、R2、R3、R4和電容C1、C2構(gòu)成了接口模塊.其中，R1、R2的阻值均為82 Ω，R3、R4的阻值均為130 Ω.該接口電路將LVDS轉(zhuǎn)為LVPECL電平的信號，并通過C1、C2耦合至激光驅(qū)動芯片MAX3669.

自動功率控制電路及其外圍電路構(gòu)成了激光偏置電路.在閉環(huán)工作模式下，改變引腳BIASMAX的輸入阻值使激光二極管達到最大輸出功率.指示燈D1用于指示當(dāng)前環(huán)路工作狀態(tài)，若D1處于熄滅狀態(tài)時，表示自動功率控制功能正常；反之，則表示閉環(huán)環(huán)路失效，反饋功能關(guān)閉.引腳CAPC用于控制環(huán)路的時間常數(shù)，CAPC取值與響應(yīng)時間成正比，此次設(shè)計CAPC電容選取0.1 μF，可以在消除輸入抖動的同時保證環(huán)路時間常數(shù)的穩(wěn)定.為激光二極管加入電阻R16、R17和電容C8，用于消除二極管自身所產(chǎn)生的寄生電感；在BIAS與LD引腳間加入電感L1用于消除激光二極管的寄生電容[19].引腳MD和光電二極管連接，并附加電容C9去除外部的高頻噪聲.自動功率控制電路的工作原理是:當(dāng)激光二極管的發(fā)射功率發(fā)生變化時，光電探測器內(nèi)部會產(chǎn)生一個隨之變化的正相關(guān)電流,此時APC環(huán)路將根據(jù)反饋電流的變化對偏置電流進行補償，從而使激光的輸出功率保持在穩(wěn)定的狀態(tài).

監(jiān)測電路的作用是監(jiān)測激光二極管的偏置電流和調(diào)制電流.激光二極管的調(diào)制電流、偏置電流和引腳MODMON、BIASM的輸出電流具有一定的相關(guān)性，所以激光二極管的調(diào)制電流和偏置電流可以通過計算流經(jīng)電阻R5、R6的電流大小得出.需要注意的是引腳MODMON和BIASMON間的壓差必須大于2.3 V[20]，以防止引腳間的電流飽和造成監(jiān)測模塊的異常.

在調(diào)制模塊中，調(diào)節(jié)R11以使激光器達到所需的調(diào)制電流，從而保證輸出足夠的光功率.調(diào)制電流的引腳OUT-經(jīng)過電阻R14與LD的陽極相連，引腳OUT+經(jīng)過電容C7與LD-相連.其中，OUT+端電壓應(yīng)大于2 V，以便保證激光二極管正常工作.電容C7的作用是避免激光二極管產(chǎn)生的過沖現(xiàn)象，電阻R14用于減小噪聲對輸出信號的影響[21].除此之外，在激光二極管的兩端加入一個穩(wěn)壓二極管D3，以防止瞬時電壓過大擊穿激光二極管.

2.2 光電接收電路

無線激光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)接收電路如圖3所示，主要包括光電探測電路、前置放大電路、限幅放大電路、電源模塊和接口電路.

圖3 光電接收電路

接收端穩(wěn)壓電路與發(fā)射端穩(wěn)壓電路的設(shè)計類似，均采用TI公司的LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片.不同之處是增加了一個控制指示燈D1開關(guān)的端口P2，降低系統(tǒng)工作時指示燈對信號檢測造成的影響.

濱松公司生產(chǎn)的S1223 Si-PIN光電二極管探測的波長范圍較寬，可檢測到320～1 100 nm波長的信號.同時，它還具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、自身噪聲低等優(yōu)勢.所以，本設(shè)計以S1223 Si-PIN光電二極管作為探測器來實現(xiàn)光/電信號的轉(zhuǎn)換.

在前置放大電路中，選用MAX3658為前置放大芯片.其可實現(xiàn)的最大傳輸速率為622 Mbit/s，具有低噪聲、高增益及低功耗等特性.MAX3658由低通濾波器、跨阻放大器、輸出寄存器和電壓放大器等幾部分構(gòu)成.MAX3658的引腳IN與光電探測器Si-PIN的正極連接，引腳FILT與光電探測器的負極連接.光電探測器的輸出電流和接收到的光強成正比，接收的電流通過引腳IN首先進入MAX3658內(nèi)部的跨阻放大器內(nèi)，跨組放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為方便處理的電壓信號.電壓放大器可以為MAX3658提供一個較大的放大增益，并實現(xiàn)信號的差分輸出.利用低通濾波器中的低頻反饋構(gòu)成去直流電路，可以消除差分信號中的直流成分，降低信號的失真度[22]，信號最終經(jīng)輸出緩存器輸出.濾波電容C1是用于減少外部電源引入的系統(tǒng)噪聲，C1取值為400 pF.引腳MON為光電流監(jiān)測器，在MON和GND間加入一個電阻R1，可以通過監(jiān)測流經(jīng)電阻R1中的電流得出光電探測器所產(chǎn)生電流的大小.

限幅放大器主芯片采用MAX3645，其最大傳輸速率為200 Mbit/s，內(nèi)部集成功率檢測器、信號丟失檢測器和PECL輸出緩沖器.前置放大器輸出的差分信號經(jīng)過兩個電容C4、C5實現(xiàn)與限幅放大器的耦合，輸出增益可以通過改變引腳TH的輸入阻值來控制.當(dāng)輸入阻值為100 Ω時，限幅放大電路的增益為74 dB.引腳CAZ1、CAZ2構(gòu)成閉環(huán)反饋電路，該電路可通過校正放大器的直流失調(diào)來保持放大器的增益穩(wěn)定，反饋電路的時間常數(shù)由兩引腳間的電容C6決定，此次設(shè)計其取值為0.1 μF.電容C7和片內(nèi)電阻構(gòu)成一個低通濾波器，其中，C7的取值決定了功率檢測器的時間常數(shù)，進而決定了LOS的響應(yīng)時間[23].為了補償輸出信號的損失，保證輸出更加穩(wěn)定，將引腳LOS和引腳DIS直接連接.

與發(fā)射電路一樣，接收電路與FPGA也需要電平匹配，因此接口電路主要用于實現(xiàn)LVPECL到LVDS電平的轉(zhuǎn)換.在電路中，LVPECL輸出信號的正負兩極分別通過電阻R5、R6與GND連接，并分別串聯(lián)電阻R7、R8，以保證輸出信號滿足LVDS信號的要求.LVDS輸入端P1通過R9、R10接地，這樣可以提供約0.86 V的共模電壓，LVPECL的信號通過電容C8、C9耦合至LVDS電平.

3 實驗與結(jié)果

為了測試設(shè)計電路的性能，搭建了圖4所示的實驗測試系統(tǒng).其中，以Tektronix AFG320波形發(fā)生器為信號源，以RIGOL DS1052E示波器為信宿.在發(fā)送端，信號源產(chǎn)生幅度為1 V、占空比為50%的方波信號輸入到激光發(fā)射電路，該信號在發(fā)射電路中經(jīng)強度調(diào)制后加載到激光上發(fā)送出去.接收端利用直接檢測方式將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，再經(jīng)放大電路后將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，最后顯示在RIGOL DS1052E示波器中.比較示波器上顯示的輸入波形與輸出波形，即可觀察到收發(fā)電路的整體性能，選取6個不同頻率的波形進行對比，其結(jié)果如圖5所示.此時，示波器上顯示的第一個藍色波形是信號源的輸出波形，第二個紅色波形是接收電路的接收波形.整個測試過程是在教學(xué)樓樓道內(nèi)完成，其通信距離為100 m.

圖4 實驗測試系統(tǒng)

分析圖5可得到以下結(jié)論:

圖5 實驗測試結(jié)果

(1) 隨著輸入方波頻率的增大，時延隨之增大，但幅度略有減小.例如，輸入方波頻率由100 kHz增加到16 MHz時，其輸出信號的峰值由2.2 V減小到1.7 V.時延增大是因為示波器時隙刻度的變小，其數(shù)值固定為48 ns，因此并不會影響接收信號的判決.

(2) 當(dāng)輸入方波信號的頻率小于等于16 MHz時，其輸出波形與輸入信號波形基本相同，并且其對應(yīng)的接收信號在頻率上未失真.

由此可以證明，本文設(shè)計的收發(fā)電路能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸速率為16 Mbit/s的可靠傳輸.

4 結(jié)語

根據(jù)無線激光通信系統(tǒng)的需求，本文采用波長為650 nm的紅光LD和PIN光電二極管設(shè)計了一種基于強度調(diào)制/直接檢測的無線激光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)收發(fā)電路.其中，激光驅(qū)動器、前置放大器和限幅放大器分別采用MAX3669、MAX3658和MAX3645芯片.利用搭建的實驗測試系統(tǒng)對該收發(fā)電路的性能進行了測試,結(jié)果表明該收發(fā)電路能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸速率為16 Mbit/s的可靠傳輸.同時，該收發(fā)電路具有功耗低、設(shè)計簡單、穩(wěn)定性好等特點，為無線激光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了一種方法和依據(jù).但是系統(tǒng)在傳輸距離及信號調(diào)制方面仍有一定的提升空間，因此今后在功率分配和信號處理方面可以加以研究.