0引言
光纤通信，是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。光纤通信和电通信相比，具有传输频带宽、传输损耗低、损耗均匀且不受温度的影响、抗干扰能力强及保真度高的特点。正因为如此，光纤通信系统逐渐成为主流通信系统。因而光纤通信相关人才的需求也越来越大，各高校对于光纤通信教育也随之重视。随着各高校对光纤通信实验课程的开设，与之相关的光纤通信的实验设备需求也越来越大，对于实验可开发性高的光纤通信实验设备的光发送端需求更大[1,2]。目前，市场上光纤通信实验的光发送端存在着结构相对封闭、不利于维护以及价格昂贵等不足之处[1]。为此，本文设计了基于CPLD的光纤通信实验编码发送模块，提出了一种模块化的、布置多探测点的、利于检测维护的系统实现方案。
1系统框架
系统主要有CPLD编码处理模块、光信号发送模块、编码传输接口电路等部分组成，如图1所示。CPLD编码处理模块的数据处理功能由Altera公司MAXII系列的CPLD芯片EPM240T100C5实现。光信号发送模块的光信号放大发送功能由三级放大电路、稳压偏置电流输入电路、光编码调制输入缓冲电路和激光驱动电路实现，其中激光管采用常见的FT-F54F3SS4激光管，此激光管发射激光波长为1550nm，具有效率高、体积小和寿命长等优点。
2系统设计
2.1CPLD编码处理模块设计
CPLD编码处理模块主要实现的功能：①实现伪随机码的生成与输出，使之成为光信号发送模块的调制信号；②实现PN码向CMI码的转换，并将转换后的CMI码输出，使之成为光信号发送模块的调制信号；③实现自定义8位与16位PN码，且可实现将8位PN码转换为CMI码，并将自定义的PN码或其CMI转码输出，使之成为光信号发送模块的调制信号。本系统采用Altera公司MAXII系列的EPM240T100C5CPLD芯片作为核心处理器，其功耗低，内部有240个宏单元，80个输入/输出线，UFM大小为8192位，采用3.3V低耗供电。本设计方案配合Quar-tusII软件开发环境，将VerilogHDL与VHDL两种硬件描述语言相结合，并采用自顶向下模块化设计方式对CPLD进行开发。自顶向下模块化的设计方法是先根据系统整体功能进行功能模块的划分，再根据各模块功能，利用VHDL或VerilogHDL硬件描述语言进行各功能模块独立设计，并引出模块端口，然后通过QuartusII编译生成功能模块Symbol，最后采用QuartusII的原理图设计方法，将各功能模块Symbol通过模块端口的连接整合为一个系统，从而实现系统功能。分频器由VerilogHDL编写[3,4]，实现功能为将外部输入时钟分频，生成适用的时钟；缓冲器是利用分频器实现的，即只将时钟高低电平的位置互换，而不改变频率大小，这样即可实现缓冲作用。脉冲器由VerilogHDL编写[3,4]，主要用于实现对8位移位寄存器的串行以及并行输入的选择控制，从而达到两个8位移位寄存器的级联，输出16位码型。伪随机码生成器是根据周期为16的M序列生成原理设计，由VerilogHDL编写[3,4]，可实现生成周期为16的伪随机码，并保持循环输出。伪随机码转换CMI码器，由VHDL硬件描述语言编写[5,6]，可实现对PN码向CMI码型的转换。8位移位寄存器、8选1数据选择器、2选1数据选择器及D触发器则是直接采用QuartusII中的自带库宏模块。CPLD编码处理模块共布置有5个探测点，并通过CPLD引脚引出探测头，主要用于对关键功能的探测检查。探测点T1用于实现对外部输入时钟分频后的适用时钟的探测观察，检测CPLD编码处理模块设计的时钟情况。探测点T2用于实现对伪随机码的输出探测观察，探知伪随机码的初始码型分布。探测点T3用于实现对伪随机码的CMI转码的探测观察。探测点T4用于实现对自定义PN拨码的初始码型的探测观察。探测点T5用于实现对自定义拨码的CMI转码的探测观察。CPLD数据处理模块设计框架图如图2所示。
2.2编码传输接口电路设计
编码传输接口电路主要实现：提供编码信号时钟输出的金属线缆接口；对调制输出信号的进行数据缓冲，并提供金属线缆接口。其中SMA3为调制信号输出端口，SMA4为时钟输出端口。编码传输接口电路设计图如图3所示。SN74LVC4245A主要是用于数据总线的异步通信，可根据方向控制端的控制输入信号不同，实现数据从A总线向B总线或B总线向A总线传输。在编码传输接口电路中，选用两个传输通道B1-A1、B8-A8，分别用于码型输出与时钟输出。
2.3光信号发送模块设计
光信号发送模块中，调节电位器WBIAS1可改变偏置电流，进而改变偏置信号，偏置信号通过耦合电阻可耦合到下一级。CPLD编码处理模块生成的调制信号通过金属线缆接口输入到光信号发送模块，继而通过调制电流输出电路进行信号缓冲，调制信号幅度大小可通过调节电位器WMOD1进行幅度调节，最后通过耦合电阻可耦合到下一级。偏置信号与调制信号在耦合电阻耦合为传输信号，再经过三级放大电路以及驱动二极管电路，形成半导体激光管的驱动电流。其中保护电阻，起到分压作用，防止激光管过载损坏。光信号发送模块原理设计架构图如图4所示。光信号发送模块设置了多个探测点T201-T214。探测点T201用于对调制电流输出电路中的金属光缆输入端进行模拟信号与数字信号输入信号观察。探测点T204-T205用于对调制电流输出电路输出端处进行调制电流的信号观察，同时可以与探测点T201信号进行对比，达到检查作用。探测点T202-T203用于对偏置电流输出电路输出端处进行信号观察，了解偏置电流的变化。探测点T206-T207、探测点T208-T209和探测点T210-T211，用于对各级放大电路放大输出端处进行信号观察，了解各级放大器的信号放大比例，同时可起到对各级放大器的增益性能检查作用，对于数字信号，可观察信号的波形变化。探测点T212与探测点T213用于对半导体激光管阳极端与半导体激光管阴极端两端进行信号观察，可测量出半导体激光管电压，同时保障半导体激光管工作在合理电压范围内。探测点T213与探测点T214用于对保护电阻两端进行信号观察，并通过计算可知半导体激光管的激发电流，从而可为进行阈值电流等相关实验提供数据，同时保障半导体激光管工作在合理的电流范围内，起到保障维护与检查作用。
3实验测试与分析
3.1P-I-V特性曲线实验测试与分析
LD的P-I曲线一般起始部分增益很小，达到一定条件时增益变大。出现强增益的条件称为阈值条件，此时电流即阈值电流Ith。当输入电流I>Ith时，P-I曲线近似成线性关系，P增大的速率称为斜率效率，此时LD发光是由受激辐射产生的激光。而当输入电流I<Ith时，LD输出的光功率较小，此时主要是自发辐射。光信号发送模块半导体激光器的P-I-V特性曲线实验结果如图5、图6所示。测试结果表明，该激光管阈值电流Ith=8.7mA，其斜率效率为0.088W/A。从图6中可以看出LD的P-I曲线起始部分增益很小，LD输出的光功率较小，此时主要是自发辐射；当I>8.7mA时，增益变大，P-I曲线近似成线性关系，且P的斜率效率为0.088W/A,此时LD发光是由受激辐射产生的激光。
3.2码型实验测试与分析
光纤通信实验编码发送模块的主要码型输出功能如下：①伪随机码输出及其CMI转码：CPLD编码处理模块生成周期为16的M序列作为伪随机码，此伪随机码即为PN码。②自定义8位PN码输出及其CMI转码：CPLD编码处理模块可实现自定义生成的8位PN码，并可将此8位PN码转换为CMI码，最后循环输出自定义8位PN码及其CMI转码。③自定义16位PN码输出：CPLD编码处理模块可实现自定义生成的16位PN码，且循环输出。本光纤通信实验编码发送模块中调制信号主要码型为PN码和CMI码，PN码为二元归零码，CMI码是编码传号反转码，具有一定的纠错能力，易于实现，易于定时提取，因此CMI码常被选为低速系统中传输码型。PN码和CMI码的变换规则如表所示1。伪随机码输出及其CMI转码功能实验测试如图8所示：第一通道为CPLD编码处理模块产生的伪随机码；第二通道为伪随机码的时钟，可知时钟为2MHz；第三通道为伪随机码转换后的CMI码，CPLD编码处理模块可将PN码转换为CMI码；第四通道为CMI码的时钟，可知时钟为4MHz。根据图7，对应时钟可读出伪随机码与其CMI转码，如表2所示。根据表2可知，CPLD编码处理模块实现伪随机码的生成，而且对于伪随机码转换CMI码的功能也可稳定实现，并且伪随机码及其CMI转码满足CMI码与二元码的转换关系。
4结束语
以上我们提出了一种基于CPLD的模块化的、易于检测维护的光纤通信实验编码发送模块的实现方案。本方案采用自顶向下模块化设计方法，对相关软硬件进行设计与实现。测试结果表明，基于CPLD的光纤通信实验编码发送模块可稳定满足设计要求，系统不仅具有较好的稳定性和可靠性，而且模块化与多探测点可很好地满足实验实操要求。本设计虽已制作出硬件实物，但要形成完善产品还需做PCB优化工作。
作者：林俊宇 郭健平 魏正军 钟丽云 单位：华南师范大学 信息光电子科技学院 广东省光电信息实验教学示范中心