1、第23卷第5期聲光可調濾波器中的射頻電路設計王瀟瀟,朱廣信,池永江,樂孜純(浙江工業大學信息學院,浙江杭州310014)摘要:聲光可調濾波器(AOTF)是未來全光網絡中實現波長路由選擇的首選器件,為制作該器件必須首先完成驅動模塊射頻電路的設計。介紹了一種用于中心波長為1500nm的波分復用光網絡的聲光可調諧濾波器的驅動系統的設計方案。該方案基于鎖相環和單片機控制的原理,以大規模集成芯片MC145170為中心,配以低通濾波、壓控振蕩器和單片機頻率控制系統。以這種方式設計的射頻電路覆蓋了1nm1600nm的光譜范圍,能實現1nm的波長調諧,具有結構簡單、操作方便、。關鍵詞:聲光可調濾波器(AOTF

2、);射頻控制電路;鎖相環;中圖分類號:TN65文獻標識碼:Aofio(RF)CircuitintheAcousto-opticTunableFilterWANGXiao2xiao,ZHUGuang2xin,CHIYong2iang,LEZi2chun(CollegeofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,HangZhou310014,PRC)Keywords:AOTF,Radio-frequencycontrolcircuit,PLL,Single-chipmicrocomputercontrol0引言未來的波分復用WDM

3、全光網將向著基于波長選路和波長交換的高度靈活的組網方向發展,其中的兩種關鍵性節點光交叉連接器(OXC)和光分插復用器(OADM)已經成為研究的前沿和熱點。聲光可調濾波器AOTF具有調諧范圍寬,多收稿日期:2005-04-17;修訂日期:2005-06-29波長同時獨立可調、無需機械調節、易于集成等特點,與其它可調濾光器如F-P干涉濾光器、光纖光柵等相比,更適合組成OXC和OADM。鑒于它的廣闊應用前景,AOTF的研究和設計越來越引起關注。射頻電路作為AOTF的驅動電路,是實現AOTF必不可少的先決模塊,其性能的好壞對于AOTF核心的波長選路功能具有舉足輕重的1作者簡介:王瀟瀟(1981-),女

4、,浙江工業大學通信2003級碩士研究生,主要研究方向為光器件與光通信研究?；痦椖?浙江省科技廳項目(2005C21010)。第5期王瀟瀟等:聲光可調濾波器中的射頻電路設計521作用,而這方面的設計未有文獻詳細報道。本文設計了一種單片機控制的射頻電路,它具有高穩定性,精密步長調整,友好用戶界面的特性,基于該射頻控制的AOTF能用于目前光通信廣泛使用的中心載波為1550nm的WDM網絡。169MHz,中心頻率為164MHz。同時考慮理論設1AOTF的射頻控制原理及設計要求AOTF的結構如圖1所示,在聲光晶體LiNbO3計的誤差,設計了155-175MHz范圍內的頻率調諧。為了實現密集波長的解波分

5、復用,必須能對波長進行精密的控制,對(2)式求導得到,nVfs=(3)(+)由(3)式可見fs是波長的非線性函數,假設=1nm為的調整,fs至少應實現要滿足波長100KHz的步長變換。由于AOTF的衍射效率基本上與聲功率Pa成正比=(2M2L/22(4)Pa0H)×因此可以通過輸入電信號功率的大小來控制對某一光波長的衍射效率。為了獲得較高的衍射效率,在信號合成后加了兩級射級放大電路,對信號進行功率放大。圖1AOTF的結構框圖上制作有光波導、叉指換能器,(AW)起光波導折射率周期性的調制,這種折射率的變化對滿足相位匹配條件的光波波長(如1)發生TE/TM或TM/TE之間的相互轉化,且該

6、光波波:頻率合成、信號放大。頻率合成采用穩定性高的鎖相電路來實現。單片機控制部分實現頻率合成的分頻比控制數的設置,它具有友好的用戶界面,可以通過鍵盤獲取分頻數,由液晶顯示所產生頻率信號。信號放大模塊將頻率合成模塊產生的頻率信號進行放大,達到足夠的驅動功率來驅動AOTF。頻率合成是射頻控制電路的核心模塊,它通常可以由直接頻率合成法、直接數字頻率合成法(DDS)、間接頻率合成法(鎖相)等方法實現。直接法的頻率合成器結構太復雜,輸出的濾波噪聲過大、輸出信號譜純度不高。DDS方法受器件的限制,獲得的頻率較低,無法滿足光通信設計中165MHz左右高頻信號的要求,而鎖相環法具有穩定度高、信號譜純度高,而且

7、價格低廉等優點。因此選用了鎖相環(PLL)頻率合成法,其鎖相環原理框圖如圖2所示。長與聲波是相對應的。經過模式轉化的光波長(如TM模1)在經過后一個偏振分束器后,TE、將在下行波導重新合并,而未經過模式轉化的光波波長將在上行波導重新合并,從而分離出波長通過改變輸入的射頻信號頻率,可以連續、1。隨機和高速地選擇波長。一個AOTF不僅可以對單個波長進行選擇,通過改變射頻信號的數目和它們的頻率,還可以控制需要的波長數目和頻率。根據耦合模式理論波長與射頻頻率應滿足Vn=c4,在共線性的結構中,(1)其中、Vs分別為聲表面波的角頻率和速度;、c分別為光波的角頻率和速度;n=|nTE-nTM|為兩個模式在

8、鈮酸鋰介質中的折射率之差。從而可推導得到nVs(2)fs=為實現中心載波為1550nm的WDM網絡的應用,并選取了15001600nm的復用范圍,根據公式(2)可以得到相應的射頻頻率范圍為159圖2鎖相環原理框圖鑒相器將晶振經過參考分頻器產生的標準輸入信號fR與輸出信號fv的若干次分頻信號進行相位比較,輸出一個與其相位差成正比的誤差電522江西科學2005年第23卷壓。誤差電壓經低通濾波器濾除其中高頻成分和噪聲,作為壓控振蕩器(VCO)的控制信號。VCO受控制電壓控制,使VCO的輸出頻率向參考頻率靠近,也使差拍頻率越來越低,最終消除頻率差而鎖定。當相位鎖定時,輸出的頻率是fv=NfR。根據上述

9、基本原理,設計了以下電路系統:圖3射頻頻率合成電路系統選用MC145170作為鎖相集成芯片,它內含三個可編程寄存器鑒相R、N、C,集成了鑒相、分頻的功能,其內部電路、時序及各個引腳可參考文獻5。它通過數據輸入端(DATAIN)、使能控制端(ENABLE)和時鐘信號端(CLK)與單片機接口。當DATAIN給MC145170內部三個可編程寄存器R、N、C置數后,晶振的標準頻率fr被參考分頻器分頻(分頻比由R寄存器決定),產生參考頻率fR,同時輸出頻率經程序分頻器分頻(分頻比由寄存器N決定)后,進入鑒相器PD中與fR進行比相,產生輸出誤差電壓Vd。Vd經低通濾波器濾除高頻和干擾成分后,經LF351放

10、大送入壓控振蕩器VCO電路,低通濾波電路同時也消除了參考頻率對VCO的反饋。VCO由于低通送入的控制電壓的改變而改變其變容二極管的電容值,使得振蕩頻率發生變換,振蕩信號經過兩極射極跟隨器的放大送入PLL的fin端,再與參考頻率鑒相,即構成環路,環路本身的負反饋作用使fv接近fR,從而Vd使趨于零,最后當fv=fR時,環路進入穩定的平衡狀態,即鎖定狀態。VCO采用單片集成射極耦合振蕩器芯片MC1648,外接由電感L和變容二極管構成的并聯諧振回路,組成LC負阻型VCO,通過改變變容器的反偏電壓,實現電壓頻率的變換。值得注意的是為配合VCO的輸入電壓極性,控制C寄存器中的最高位必須設置為1,以確保鑒

11、相輸出的極性滿足VCO的要求。在系統中晶振、R寄存器(置數范圍為1或532767)和N寄存器(置數范圍為4065535)都具有可選性,可見本系統在滿足設計要求的159M169M的范圍外,還具有很寬的頻譜范圍,所以該射頻電路除驅動通信用的AOTF外,也適用于光譜分析等應用中的AOTF,只要進行適當的數據設置。下面舉例說明光通信中的數據設置確定。假設硬件選擇高穩定的12MHz石英晶振,則經參考分頻器輸出參考頻率fr也具有極高的頻率穩定度。由于PLL的分辨率由參考頻率決定,根據3.1的參數要求,為了實現100KHz頻率調諧的步長,R應設置為120;經計算確定155175MHz調諧范圍的中心頻率為16

12、5MHz,則程序分頻數N的平均值需設置為165MHz/100KHz=1650方可與參考頻率比相。程序分頻數N通過MC145170的數據線端口由單片機的鍵盤輸入,當單片機改變程序分頻器的分頻比N時,就第5期王瀟瀟等:聲光可調濾波器中的射頻電路設計523可以改變輸出信號的頻率fv,達到頻道選擇的目的。控制系統以單片機AT89C52為主控制器。AT89C52有4個I/O口P0P3,現以P3口作數據線。片內振蕩器外接12MHz晶體,這樣可以達到較高的運行速度。P2口作12個鍵盤的輸入和掃描。P0端口為輸出端口,控制液晶的顯示。單片機與PLL的三個接口DATAIN、ENA2BLE和CLK的時序控制應滿足

13、圖4的要求:三個寄存器的數據均由DATAIN這個串行口輸入,數據與寄存器的對應關系由比特位數來識別。8位CLK的時鐘信號和數據表明C寄存器的送數,15位CLK的時鐘信號和數據表明R寄存器的送數,16位CLK的時鐘信號和數據表明N寄存器的送數。數據在時鐘CLK上升沿觸發,當ENB為高電平時數據處于等待狀態。另一方面也要求頻譜純度好,雜散與諧波盡可能小。但是在實際情況中,這些要求往往是互相矛盾的,例如提高頻率穩定度必然要縮小線性頻率控制范圍和降低控制靈敏度,因此在設計中就需要進行綜合考慮。另外從整個環路設計的角度出發,為了達到系統對頻率穩定度和準確度的要求,采用了基于高穩定度恒溫晶體振蕩器的頻率綜

14、合器方案。在確定環路參數時,按照下面的原則:盡可能提高鑒相器頻率fr,減小可變程序分頻器的分頻比N,從而降低低通型噪聲,并在此基礎上適當增加環路帶寬,直到可以忽略VCO的開環噪聲的影響為宜。當把環路帶寬放得足夠寬時,在環路帶寬內測得的結果就是低通型噪聲的相對功率譜,此時絕大部分高通型噪聲已被環路所濾除。,如,這就需要。4結束語圖4單片機的控制時序程序的主要功能為:C控制寄存器的送數、R寄存器(參考分頻比)的送數、鍵盤掃描、計算程序分頻比的輸入數、N寄存器(程序分頻比)的送數、液晶顯示。通過單片機的直接鍵盤輸入,就可以直接輸出所需的頻率,控制簡單方便,由液晶顯示輸出頻率,結果清晰可見,實現友好用

15、戶界面。本文設計的射頻電路是基于AOTF在光通信,特別是OADM上應用而設計的。然而要真正滿足WDM實際網絡的需求,該電路在溫度反饋控制、光譜檢測反饋控制、多波長同時可調上需要進一步的考慮。參考文獻:1顧畹儀,等1全光通信網M1北京:北京郵電學院出版社,1999.1112范國芳1聲光可調諧濾波器特性矩陣與旁瓣抑制3結果與討論在頻率合成模塊設計中最大的難點是壓控振蕩器(VCO)的設計。VCO芯片的外接振蕩槽路,需要高Q值的電感電容及變容二極管等元件。根據鎖相環的用途,要求壓控振蕩器能滿足相位及頻率的準確且長期穩定。只有輸出頻率準確,才能保證AOTF正常工作。另外如果長期穩定度不好,其頻率就會隨外界環境如溫度等的變化而變化,如果其頻率漂移太大,以至跳出環路的鎖定范圍,就會造成環路失鎖,不能正常工作。的研究D1天津大學碩士論文,2003,12:7-1813KWOK-WAICHEUNG.AcoustooptictunablefiltersinnarrowbandWDMnetworks:sys