无线激光数据通信系统收发电路的设计与实现

王惠琴, 马玉昆, 蔡红亮, 张 悦, 曹明华

(兰州理工大学 计算机与通信学院, 甘肃 兰州 730050)

无线激光通信是一种以光波作为载体，在大气信道中进行数据信息传输的新型通信技术.与传统的微波和光纤通信相比，无线激光通信具有容量大、速率高、设备体积小、无需频谱许可、成本低、系统搭建周期短等优势，被认为是解决“最后一公里”问题的有效措施之一[1-3].因此，无线激光通信引起了各国的高度重视.

近年来，随着光电设备和光通信技术的快速发展，无线光通信得到了越来越多的专家学者、通信厂商的关注[4-8].徐明[9]研制出一种无线光通信系统，其在天气晴朗的环境下可实现距离为30 m、速率为1 Mbit/s的数据传输.李文博[10]利用50 mW的激光器搭建了可以传输最高9 MHz正弦信号的水下无线光传输系统，并在4.5 m的距离下实现数据的传输.郭永超[11]利用FPGA设计了PPM调制的激光传输系统，并在800 kbit/s速率下实现了无线激光视频传输.费海荣[12]设计了一种基于以太网传输的短距离激光语音视频通信系统，建立了百兆通信速率的综合业务通信平台.

目前，国外用于大气激光通信的半导体激光器和接收器件已逐渐实现了商品化.据报道，近年美国、日本及俄罗斯等国都相继推出了适用于大气激光通信的大功率器件，连续输出光功率可从数十毫瓦到数瓦[13].国内虽然也取得了丰硕的研究成果，但和国外相比，还有一定的差距.因此，本文以红光作为载体，设计了一种无线激光通信系统的收发电路.该收发电路可以实现数据的可靠传输，同时具有功耗低、设计简单、体积小、使用方便等特点.

1 系统组成

无线激光数据通信系统主要由发射系统和接收系统组成，其系统组成如图1所示.发射系统由发送终端、FPGA、调制驱动电路、激光器和光学天线组成.接收系统由光学天线、光电探测器、放大电路、FPGA和接收终端组成.其中，在FPGA内主要完成信号处理、数模转换以及时钟恢复；调制驱动电路的主要作用是根据需求实现信号的调制，并驱动激光器将信号发送出去[14]；光学天线主要完成光信号的准直和能量汇聚；接收端的光电探测主要完成光/电转换；放大电路用于放大接收到的弱信号，将毫伏级的电压信号放大至伏级，以满足FPGA对信号处理的要求[15].

图1 无线激光数据通信系统框图Fig.1 Wireless laser data communication system block diagram

2 收发电路的设计

2.1 激光发射电路

激光发射电路主要由激光器、调制驱动电路组成.其中，激光器作为信号发射源，是激光发射电路中最重要的部分.它的选取决定无线激光通信系统的传输距离和衰减特性，影响其性能的主要参数有功率、波长等.在大气信道中，采用红光进行短距离传输时，受到的影响较小，而且其对背景光噪声和紫外光具有一定的抵抗能力[16].与1 550 nm半导体激光器相比，650 nm半导体激光器具有价格低廉的优点，可大大降低系统的设计成本[17].因此，本文采用THORLABS公司生产的L650P007红光LD作为信号发射源,波长为650 nm.该激光器输出功率为7 mW，阈值电流为20 mA，且内部含有一个光电探测器，利用该模块可以完成功率闭环控制的设计要求.

除此之外，为激光器L650P007搭配一款合适的绝缘保护器和准直装置，其中绝缘保护器选用SR9A.SR9A内部具有一个可安装小型印刷电路板(PCB)的插座，该插座不仅为激光器的安装和更换提供了一种便捷的接口，也为发射电路在光学天线的安装提供了一种方法.准直装置选用LTN330-A，它可以通过外部控制改变激光的焦点和方向，使激光的传输距离和功率接收处于最佳状态.在PCB上还增加了肖特基二极管和稳压二极管，肖特基二极管用于抑制击穿激光二极管的反向电压，稳压二极管用于分流激光二极管中过量的电压与静电.

设计调制驱动电路时，按照激光器的要求合理设定主芯片所需偏置电流和调制电流范围，并保证有足够的余量[18].MAXIM公司生产的MAX3669芯片是一款适用于SDH/SONET应用的激光驱动器，偏置电流为1～80 mA,调制电流为5～75 mA，具有PECL接口以及可实现高达622 Mbit/s传输速率的特点，因此，本次设计选取MAX3669作为激光驱动器.同时，MAX3669还拥有电流检测功能和自动功率控制功能，这些可使激光发射电路的工作温度和发射功率保持在一个稳定的状态，设计的调制驱动电路如图2所示.该调制驱动电路有闭环和开环两种工作模式，可以通过改变APCSET引脚的输入阻值变换系统的开闭环工作模式.当引脚输入电阻为99 kΩ时，系统处于开环工作方式下，APC的反馈控制功能关闭.本次设计基于闭环工作模式下，因此将R12调节至100 kΩ，启用电路的自动功率控制功能.

图2 调制驱动电路Fig.2 Modulation drive circuit

在闭环工作模式下，系统的激光发射驱动电路分为稳压电路、具有自动功率控制的激光偏置电路、监测电路、激光调制模块以及接口电路五部分.

稳压电路的芯片选用TI公司的LM1117-3.3低压降线性稳压器，在芯片的输入和输出端分别加入多个47 μF电解电容和0.1 μF瓷片电容，用于降低外部电源带入的噪声，为驱动芯片提供最稳定的输入电压.

由于FPGA通常采用LVDS电平，而发射电路采用LVPECL电平.因此需要为FPGA和发射电路之间设计一个接口，用于两个器件之间的电平兼容与匹配.在图2中，电阻R1、R2、R3、R4和电容C1、C2构成了接口模块.其中，R1、R2的阻值均为82 Ω，R3、R4的阻值均为130 Ω.该接口电路将LVDS转为LVPECL电平的信号，并通过C1、C2耦合至激光驱动芯片MAX3669.

自动功率控制电路及其外围电路构成了激光偏置电路.在闭环工作模式下，改变引脚BIASMAX的输入阻值使激光二极管达到最大输出功率.指示灯D1用于指示当前环路工作状态，若D1处于熄灭状态时，表示自动功率控制功能正常；反之，则表示闭环环路失效，反馈功能关闭.引脚CAPC用于控制环路的时间常数，CAPC取值与响应时间成正比，此次设计CAPC电容选取0.1 μF，可以在消除输入抖动的同时保证环路时间常数的稳定.为激光二极管加入电阻R16、R17和电容C8，用于消除二极管自身所产生的寄生电感；在BIAS与LD引脚间加入电感L1用于消除激光二极管的寄生电容[19].引脚MD和光电二极管连接，并附加电容C9去除外部的高频噪声.自动功率控制电路的工作原理是:当激光二极管的发射功率发生变化时，光电探测器内部会产生一个随之变化的正相关电流,此时APC环路将根据反馈电流的变化对偏置电流进行补偿，从而使激光的输出功率保持在稳定的状态.

监测电路的作用是监测激光二极管的偏置电流和调制电流.激光二极管的调制电流、偏置电流和引脚MODMON、BIASM的输出电流具有一定的相关性，所以激光二极管的调制电流和偏置电流可以通过计算流经电阻R5、R6的电流大小得出.需要注意的是引脚MODMON和BIASMON间的压差必须大于2.3 V[20]，以防止引脚间的电流饱和造成监测模块的异常.

在调制模块中，调节R11以使激光器达到所需的调制电流，从而保证输出足够的光功率.调制电流的引脚OUT-经过电阻R14与LD的阳极相连，引脚OUT+经过电容C7与LD-相连.其中，OUT+端电压应大于2 V，以便保证激光二极管正常工作.电容C7的作用是避免激光二极管产生的过冲现象，电阻R14用于减小噪声对输出信号的影响[21].除此之外，在激光二极管的两端加入一个稳压二极管D3，以防止瞬时电压过大击穿激光二极管.

2.2 光电接收电路

无线激光数据通信系统接收电路如图3所示，主要包括光电探测电路、前置放大电路、限幅放大电路、电源模块和接口电路.

图3 光电接收电路

接收端稳压电路与发射端稳压电路的设计类似，均采用TI公司的LM1117-3.3稳压芯片.不同之处是增加了一个控制指示灯D1开关的端口P2，降低系统工作时指示灯对信号检测造成的影响.

滨松公司生产的S1223 Si-PIN光电二极管探测的波长范围较宽，可检测到320～1 100 nm波长的信号.同时，它还具有灵敏度高、响应速度快、自身噪声低等优势.所以，本设计以S1223 Si-PIN光电二极管作为探测器来实现光/电信号的转换.

在前置放大电路中，选用MAX3658为前置放大芯片.其可实现的最大传输速率为622 Mbit/s，具有低噪声、高增益及低功耗等特性.MAX3658由低通滤波器、跨阻放大器、输出寄存器和电压放大器等几部分构成.MAX3658的引脚IN与光电探测器Si-PIN的正极连接，引脚FILT与光电探测器的负极连接.光电探测器的输出电流和接收到的光强成正比，接收的电流通过引脚IN首先进入MAX3658内部的跨阻放大器内，跨组放大器将电流信号转换为方便处理的电压信号.电压放大器可以为MAX3658提供一个较大的放大增益，并实现信号的差分输出.利用低通滤波器中的低频反馈构成去直流电路，可以消除差分信号中的直流成分，降低信号的失真度[22]，信号最终经输出缓存器输出.滤波电容C1是用于减少外部电源引入的系统噪声，C1取值为400 pF.引脚MON为光电流监测器，在MON和GND间加入一个电阻R1，可以通过监测流经电阻R1中的电流得出光电探测器所产生电流的大小.

限幅放大器主芯片采用MAX3645，其最大传输速率为200 Mbit/s，内部集成功率检测器、信号丢失检测器和PECL输出缓冲器.前置放大器输出的差分信号经过两个电容C4、C5实现与限幅放大器的耦合，输出增益可以通过改变引脚TH的输入阻值来控制.当输入阻值为100 Ω时，限幅放大电路的增益为74 dB.引脚CAZ1、CAZ2构成闭环反馈电路，该电路可通过校正放大器的直流失调来保持放大器的增益稳定，反馈电路的时间常数由两引脚间的电容C6决定，此次设计其取值为0.1 μF.电容C7和片内电阻构成一个低通滤波器，其中，C7的取值决定了功率检测器的时间常数，进而决定了LOS的响应时间[23].为了补偿输出信号的损失，保证输出更加稳定，将引脚LOS和引脚DIS直接连接.

与发射电路一样，接收电路与FPGA也需要电平匹配，因此接口电路主要用于实现LVPECL到LVDS电平的转换.在电路中，LVPECL输出信号的正负两极分别通过电阻R5、R6与GND连接，并分别串联电阻R7、R8，以保证输出信号满足LVDS信号的要求.LVDS输入端P1通过R9、R10接地，这样可以提供约0.86 V的共模电压，LVPECL的信号通过电容C8、C9耦合至LVDS电平.

3 实验与结果

为了测试设计电路的性能，搭建了图4所示的实验测试系统.其中，以Tektronix AFG320波形发生器为信号源，以RIGOL DS1052E示波器为信宿.在发送端，信号源产生幅度为1 V、占空比为50%的方波信号输入到激光发射电路，该信号在发射电路中经强度调制后加载到激光上发送出去.接收端利用直接检测方式将探测到的光信号转换成电流信号，再经放大电路后将其转换成电压信号，最后显示在RIGOL DS1052E示波器中.比较示波器上显示的输入波形与输出波形，即可观察到收发电路的整体性能，选取6个不同频率的波形进行对比，其结果如图5所示.此时，示波器上显示的第一个蓝色波形是信号源的输出波形，第二个红色波形是接收电路的接收波形.整个测试过程是在教学楼楼道内完成，其通信距离为100 m.

图4 实验测试系统

分析图5可得到以下结论:

图5 实验测试结果

(1) 随着输入方波频率的增大，时延随之增大，但幅度略有减小.例如，输入方波频率由100 kHz增加到16 MHz时，其输出信号的峰值由2.2 V减小到1.7 V.时延增大是因为示波器时隙刻度的变小，其数值固定为48 ns，因此并不会影响接收信号的判决.

(2) 当输入方波信号的频率小于等于16 MHz时，其输出波形与输入信号波形基本相同，并且其对应的接收信号在频率上未失真.

由此可以证明，本文设计的收发电路能够实现传输速率为16 Mbit/s的可靠传输.

4 结语

根据无线激光通信系统的需求，本文采用波长为650 nm的红光LD和PIN光电二极管设计了一种基于强度调制/直接检测的无线激光数据通信系统收发电路.其中，激光驱动器、前置放大器和限幅放大器分别采用MAX3669、MAX3658和MAX3645芯片.利用搭建的实验测试系统对该收发电路的性能进行了测试,结果表明该收发电路能够实现传输速率为16 Mbit/s的可靠传输.同时，该收发电路具有功耗低、设计简单、稳定性好等特点，为无线激光数据通信系统的推广应用提供了一种方法和依据.但是系统在传输距离及信号调制方面仍有一定的提升空间，因此今后在功率分配和信号处理方面可以加以研究.