声光可调滤波器中的射频电路设计

1、第23卷第5期声光可调滤波器中的射频电路设计王潇潇,朱广信,池永江,乐孜纯(浙江工业大学信息学院,浙江杭州310014)摘要:声光可调滤波器(AOTF)是未来全光网络中实现波长路由选择的首选器件,为制作该器件必须首先完成驱动模块射频电路的设计。介绍了一种用于中心波长为1500nm的波分复用光网络的声光可调谐滤波器的驱动系统的设计方案。该方案基于锁相环和单片机控制的原理,以大规模集成芯片MC145170为中心,配以低通滤波、压控振荡器和单片机频率控制系统。以这种方式设计的射频电路覆盖了1nm1600nm的光谱范围,能实现1nm的波长调谐,具有结构简单、操作方便、。关键词:声光可调滤波器(AOTF

2、);射频控制电路;锁相环;中图分类号:TN65文献标识码:Aofio(RF)CircuitintheAcousto-opticTunableFilterWANGXiao2xiao,ZHUGuang2xin,CHIYong2iang,LEZi2chun(CollegeofInformationEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,HangZhou310014,PRC)Keywords:AOTF,Radio-frequencycontrolcircuit,PLL,Single-chipmicrocomputercontrol0引言未来的波分复用WDM

3、全光网将向着基于波长选路和波长交换的高度灵活的组网方向发展,其中的两种关键性节点光交叉连接器(OXC)和光分插复用器(OADM)已经成为研究的前沿和热点。声光可调滤波器AOTF具有调谐范围宽,多收稿日期:2005-04-17;修订日期:2005-06-29波长同时独立可调、无需机械调节、易于集成等特点,与其它可调滤光器如F-P干涉滤光器、光纤光栅等相比,更适合组成OXC和OADM。鉴于它的广阔应用前景,AOTF的研究和设计越来越引起关注。射频电路作为AOTF的驱动电路,是实现AOTF必不可少的先决模块,其性能的好坏对于AOTF核心的波长选路功能具有举足轻重的1作者简介:王潇潇(1981-),女

4、,浙江工业大学通信2003级硕士研究生,主要研究方向为光器件与光通信研究。基金项目:浙江省科技厅项目(2005C21010)。第5期王潇潇等:声光可调滤波器中的射频电路设计521作用,而这方面的设计未有文献详细报道。本文设计了一种单片机控制的射频电路,它具有高稳定性,精密步长调整,友好用户界面的特性,基于该射频控制的AOTF能用于目前光通信广泛使用的中心载波为1550nm的WDM网络。169MHz,中心频率为164MHz。同时考虑理论设1AOTF的射频控制原理及设计要求AOTF的结构如图1所示,在声光晶体LiNbO3计的误差,设计了155-175MHz范围内的频率调谐。为了实现密集波长的解波分

5、复用,必须能对波长进行精密的控制,对(2)式求导得到,nVfs=(3)(+)由(3)式可见fs是波长的非线性函数,假设=1nm为的调整,fs至少应实现要满足波长100KHz的步长变换。由于AOTF的衍射效率基本上与声功率Pa成正比=(2M2L/22(4)Pa0H)×因此可以通过输入电信号功率的大小来控制对某一光波长的衍射效率。为了获得较高的衍射效率,在信号合成后加了两级射级放大电路,对信号进行功率放大。图1AOTF的结构框图上制作有光波导、叉指换能器,(AW)起光波导折射率周期性的调制,这种折射率的变化对满足相位匹配条件的光波波长(如1)发生TE/TM或TM/TE之间的相互转化,且该

6、光波波:频率合成、信号放大。频率合成采用稳定性高的锁相电路来实现。单片机控制部分实现频率合成的分频比控制数的设置,它具有友好的用户界面,可以通过键盘获取分频数,由液晶显示所产生频率信号。信号放大模块将频率合成模块产生的频率信号进行放大,达到足够的驱动功率来驱动AOTF。频率合成是射频控制电路的核心模块,它通常可以由直接频率合成法、直接数字频率合成法(DDS)、间接频率合成法(锁相)等方法实现。直接法的频率合成器结构太复杂,输出的滤波噪声过大、输出信号谱纯度不高。DDS方法受器件的限制,获得的频率较低,无法满足光通信设计中165MHz左右高频信号的要求,而锁相环法具有稳定度高、信号谱纯度高,而且

7、价格低廉等优点。因此选用了锁相环(PLL)频率合成法,其锁相环原理框图如图2所示。长与声波是相对应的。经过模式转化的光波长(如TM模1)在经过后一个偏振分束器后,TE、将在下行波导重新合并,而未经过模式转化的光波波长将在上行波导重新合并,从而分离出波长通过改变输入的射频信号频率,可以连续、1。随机和高速地选择波长。一个AOTF不仅可以对单个波长进行选择,通过改变射频信号的数目和它们的频率,还可以控制需要的波长数目和频率。根据耦合模式理论波长与射频频率应满足Vn=c4,在共线性的结构中,(1)其中、Vs分别为声表面波的角频率和速度;、c分别为光波的角频率和速度;n=|nTE-nTM|为两个模式在

8、铌酸锂介质中的折射率之差。从而可推导得到nVs(2)fs=为实现中心载波为1550nm的WDM网络的应用,并选取了15001600nm的复用范围,根据公式(2)可以得到相应的射频频率范围为159图2锁相环原理框图鉴相器将晶振经过参考分频器产生的标准输入信号fR与输出信号fv的若干次分频信号进行相位比较,输出一个与其相位差成正比的误差电522江西科学2005年第23卷压。误差电压经低通滤波器滤除其中高频成分和噪声,作为压控振荡器(VCO)的控制信号。VCO受控制电压控制,使VCO的输出频率向参考频率靠近,也使差拍频率越来越低,最终消除频率差而锁定。当相位锁定时,输出的频率是fv=NfR。根据上述

9、基本原理,设计了以下电路系统:图3射频频率合成电路系统选用MC145170作为锁相集成芯片,它内含三个可编程寄存器鉴相R、N、C,集成了鉴相、分频的功能,其内部电路、时序及各个引脚可参考文献5。它通过数据输入端(DATAIN)、使能控制端(ENABLE)和时钟信号端(CLK)与单片机接口。当DATAIN给MC145170内部三个可编程寄存器R、N、C置数后,晶振的标准频率fr被参考分频器分频(分频比由R寄存器决定),产生参考频率fR,同时输出频率经程序分频器分频(分频比由寄存器N决定)后,进入鉴相器PD中与fR进行比相,产生输出误差电压Vd。Vd经低通滤波器滤除高频和干扰成分后,经LF351放

10、大送入压控振荡器VCO电路,低通滤波电路同时也消除了参考频率对VCO的反馈。VCO由于低通送入的控制电压的改变而改变其变容二极管的电容值,使得振荡频率发生变换,振荡信号经过两极射极跟随器的放大送入PLL的fin端,再与参考频率鉴相,即构成环路,环路本身的负反馈作用使fv接近fR,从而Vd使趋于零,最后当fv=fR时,环路进入稳定的平衡状态,即锁定状态。VCO采用单片集成射极耦合振荡器芯片MC1648,外接由电感L和变容二极管构成的并联谐振回路,组成LC负阻型VCO,通过改变变容器的反偏电压,实现电压频率的变换。值得注意的是为配合VCO的输入电压极性,控制C寄存器中的最高位必须设置为1,以确保鉴

11、相输出的极性满足VCO的要求。在系统中晶振、R寄存器(置数范围为1或532767)和N寄存器(置数范围为4065535)都具有可选性,可见本系统在满足设计要求的159M169M的范围外,还具有很宽的频谱范围,所以该射频电路除驱动通信用的AOTF外,也适用于光谱分析等应用中的AOTF,只要进行适当的数据设置。下面举例说明光通信中的数据设置确定。假设硬件选择高稳定的12MHz石英晶振,则经参考分频器输出参考频率fr也具有极高的频率稳定度。由于PLL的分辨率由参考频率决定,根据3.1的参数要求,为了实现100KHz频率调谐的步长,R应设置为120;经计算确定155175MHz调谐范围的中心频率为16

12、5MHz,则程序分频数N的平均值需设置为165MHz/100KHz=1650方可与参考频率比相。程序分频数N通过MC145170的数据线端口由单片机的键盘输入,当单片机改变程序分频器的分频比N时,就第5期王潇潇等:声光可调滤波器中的射频电路设计523可以改变输出信号的频率fv,达到频道选择的目的。控制系统以单片机AT89C52为主控制器。AT89C52有4个I/O口P0P3,现以P3口作数据线。片内振荡器外接12MHz晶体,这样可以达到较高的运行速度。P2口作12个键盘的输入和扫描。P0端口为输出端口,控制液晶的显示。单片机与PLL的三个接口DATAIN、ENA2BLE和CLK的时序控制应满足

13、图4的要求:三个寄存器的数据均由DATAIN这个串行口输入,数据与寄存器的对应关系由比特位数来识别。8位CLK的时钟信号和数据表明C寄存器的送数,15位CLK的时钟信号和数据表明R寄存器的送数,16位CLK的时钟信号和数据表明N寄存器的送数。数据在时钟CLK上升沿触发,当ENB为高电平时数据处于等待状态。另一方面也要求频谱纯度好,杂散与谐波尽可能小。但是在实际情况中,这些要求往往是互相矛盾的,例如提高频率稳定度必然要缩小线性频率控制范围和降低控制灵敏度,因此在设计中就需要进行综合考虑。另外从整个环路设计的角度出发,为了达到系统对频率稳定度和准确度的要求,采用了基于高稳定度恒温晶体振荡器的频率综

14、合器方案。在确定环路参数时,按照下面的原则:尽可能提高鉴相器频率fr,减小可变程序分频器的分频比N,从而降低低通型噪声,并在此基础上适当增加环路带宽,直到可以忽略VCO的开环噪声的影响为宜。当把环路带宽放得足够宽时,在环路带宽内测得的结果就是低通型噪声的相对功率谱,此时绝大部分高通型噪声已被环路所滤除。,如,这就需要。4结束语图4单片机的控制时序程序的主要功能为:C控制寄存器的送数、R寄存器(参考分频比)的送数、键盘扫描、计算程序分频比的输入数、N寄存器(程序分频比)的送数、液晶显示。通过单片机的直接键盘输入,就可以直接输出所需的频率,控制简单方便,由液晶显示输出频率,结果清晰可见,实现友好用

15、户界面。本文设计的射频电路是基于AOTF在光通信,特别是OADM上应用而设计的。然而要真正满足WDM实际网络的需求,该电路在温度反馈控制、光谱检测反馈控制、多波长同时可调上需要进一步的考虑。参考文献:1顾畹仪,等1全光通信网M1北京:北京邮电学院出版社,1999.1112范国芳1声光可调谐滤波器特性矩阵与旁瓣抑制3结果与讨论在频率合成模块设计中最大的难点是压控振荡器(VCO)的设计。VCO芯片的外接振荡槽路,需要高Q值的电感电容及变容二极管等元件。根据锁相环的用途,要求压控振荡器能满足相位及频率的准确且长期稳定。只有输出频率准确,才能保证AOTF正常工作。另外如果长期稳定度不好,其频率就会随外界环境如温度等的变化而变化,如果其频率漂移太大,以至跳出环路的锁定范围,就会造成环路失锁,不能正常工作。的研究D1天津大学硕士论文,2003,12:7-1813KWOK-WAICHEUNG.AcoustooptictunablefiltersinnarrowbandWDMnetworks:sys