（光学工程专业论文）1550nm帧头提取光信号源的研制.pdf

中文摘要 摘要：全光分组交换广泛应用于高速光网络中，光分组由信头和净荷两部分组成， 为完成高速的全光交换功能，须对分组包帧头进行快速提取和处理。实验室正在 开展关于全光帧头提取和全光比较器的项目研究工作，编码发生器价格较高，性 能指标不能完全满足实验室项目的需要，为使研究工作顺利进行，可编程的1 5 5 0 n t o 光信号源成为进行模拟信头工作的关键。 本文的主要工作是设计并研制可编程的1 5 5 0 n r n 光信号源，并进行调试、组装 与信号测试，以及做出相应的改进，以满足全光帧头提取和全光比较器研究工作 的需要。 该可编程光信号源，可根据使用要求更改数据序列并直接输出光信号，波长 为1 5 5 0 n t o ，包括交流驱动电路、温控电路、显示电路、信号处理电路四部分。为 方便调试，也是为了提高电路板的通用性，论文采用四块电路板分别实现这四部 分功能，进行了设计和调试。主要采用m a x 3 6 6 9 激光器驱动芯片、温控芯片、x i l i n x 公司s p a r t a n - 3f p g a 芯片，以及f u r u k a w a 公司d f b 激光器。光信号源造价低廉， 最高速率为6 2 2 m b p s ，最大光功率可达l o m w 。可以实现直流偏置、交流调制、温 度控制等功能，并可实时控制与显示。在f p g a 程序的控制下，光信号源可以模拟 信头进行实验，也可以作为大功率直流激光源使用。 关键词：可编程光信号源；1 5 5 0 n m ；帧头提取；全光分组交换。 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l l - - o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gi sw i d e l yu s e di nh i g h - - s p e e do p t i c a ln e t w o r k , o p t i c a lp a c k e ti sc o n s i s to fh e a d e ra n dp a y l o a d i no r d e rt oi m p l e m e n tt h eh i g h - s p e e d a l l o p t i c a ls w i t c h i n gf u n c t i o n ，t h eh e a d e rm u s tb er a p i d l ye x t r a c t e da n dp r o c e s s e d o u r l a bi sc a r r y i n go u tap r o j e c to fa l l - o p t i c a lh e a d e re x t r a c t i o na n da l l o p t i c a lc o m p a r a t o r s i n c eac o d eg e n e r a t o rp r o d u c ei se x p e n s i v e ，a n dc a nn o tf u l l ym e e tt h en e e do f l a b o r a t o r yp r o j e c t i no r d e rt om a k et h er e s e a r c hw o r kg oo nw h e e l s ，ap r o g r a m m a b l e 15 5 0 n mo p t i c a ls i g n a ls o u r c ei st h ek e yt os i m u l a t et h eh e a d e r t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st od e s i g na n dd e v e l o pap r o g r a m m a b l e15 5 0 n m o p t i c a ls i g n a ls o u r c e d e b u g g i n g ，a s s e m b l i n ga n dt e s t i n gi tt om a k es o m ec o r r e s p o n d i n g i m p r o v e m e n t , s ot h a tt h ep r o g r a m m a b l e15 5 0 n mo p t i c a ls i g n a ls o u r c ec a nm e e tt h e n e e do ft h ea l l - o p t i c a lh e a d e re x t r a c t i o na n da l l - o p t i c a lc o m p a r a t o rp r o j e c t t h i sp r o g r a m m a b l eo p t i c a ls i g n a ls o u r c e , c a nb eu s e dt oc h a n g et h ed a t a s e q u e n c ea c c o r d i n gt o u s e r sr e q u i r e m e n ta n dd i r e c t l y e x p o r to p t i c a ls i g n a l i n w a v e l e n g t h15 5 0 n m i ti sc o n s i s to ff o u rp a r t s - - 一a cd r i v e rc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l c i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t i no r d e rt od e b u gt h e me a s i l y , a n da l s o i n c r e a s et h ev e r s a t i l i t yo ft h ec i r c u i tb o a r d s ，t h et h e s i sa d o p t sf o u rc i r c u i tb o a r d st o a c h i e v et h ef u n c t i o no ft h e s ef o u rp a r t sr e s p e c t i v e l y a cd r i v e rc i r c u i t ，t e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e da n dd e b u g g e d m a x 3 6 6 9l a s e rd r i v e ri c ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lc h i p ，s p a r t a n - 3f p g ac h i po fx i l i n x i n c ，a n dd f bl a s e ro ff u r u k a w ac o m p a n ya r eu s e d t h eo p t i c a ls i g n a ls o u r c ei s c h e a p ，i t sm a x i m u mr a t ei s6 2 2 m b p s ，a n di t sm a x i m u mo p t i c a lp o w e ri s10 m w l o t so f f u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e ds u c ha sd cb i a s ，a cm o d u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n d r e a l i z er e a l - t i m ec o n t r o la n dd i s p l a y t h i so p t i c a ls i g n a ls o u r c ec a ns i m u l a t eh e a d e r u n d e rt h ec o n t r o lo ff p g ap r o g r a mi nt h ee x p e r i m e n t ，a n dc a na l s ob eu s e da sa h i g h - p o w e rd c s o u r c e k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l eo p t i c a ls i g n a ls o u r c e ；15 5 0 n m ；h e a d e re x t r a c t i o n ； a l l - o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 跳譬 导师签名： 签字日期：汐吁年7 月日 签字日期川年- 7 月乙日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名枷阜签字日期谚夕年7 月z 日 致谢 本论文的工作是在我的导师盛新志教授和吴重庆教授的悉心指导下完成的， 盛教授和吴教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在 此衷心感谢两年来两位导师对我的关心和指导。 盛新志教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向老师表示衷心的谢意。 吴重庆教授、王智教授、王健副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王亚平、王拥军等师兄师姐和同学对我论文 中的实验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外，还要 感谢杨双收、高凯强师兄，赵爽师姐，他们热情指导帮助我顺利完成了实验研究 工作。 另外也感谢我的父母及亲人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 1 研究意义 1引言 全光分组交换广泛应用于高速光网络中，全光帧头提取是实现全光分组交换 的关键技术之一。光分组由信头和净荷两部分组成，信头包含目的节点地址、优 先级、空满标志等信息，净荷包含分组编号、信源地址、用户数据等信息。为完 成高吞吐量的交换功能，需要对分组包的信头进行快速的提取和处理。当光分组 到达交换节点时，分组处理模块将信头与净荷分离，其中信头被送到信头处理模 块进行信头识别，提取路由信息，再由路由器进行路由计算，指出光分组应该到 达的下一节点，并控制交换矩阵完成相应的交叉连接配置。同时，还要为光分组 生成新的信头。 因此，对光分组帧头信息的编码、提取和处理就成为全光分组交换节点中一 个很重要的步骤，它决定了能否迅速准确的获得路由转发的控制信息，是影响整 个交换节点吞吐量的关键因素。 1 2 研究现状 在全光分组交换网络中，信头不是很大，速率可以比净荷小，因此可以在电 域中对信头进行处理，用比净荷低的速率来调制信头并加在净荷前面。在交换节 点处，信头在提取装置的作用下被提取出来做进一步处理，进而实现对路由和交 换的控制。 基于这种思路，很多机构作了相关研究并提出多种方案，其中典型的是基于 f b g 1 1 、t o a d 2 】以及基于s o a m z i 【3 1 的方案。 方案一【l 】：如图1 2 所示，a o l i e ( a 1 1 o p t i c a ll a b e li n f o r m a t i o ne x t r a c t o r ) 利 用窄带f b g 将d p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) 标签脉冲转换为o o k ( o n o f f k e y i n g ) 标签脉冲，同时抑制了净荷。 堕 参 呦删哩磐些皿j 巫巫亟巫妇 轰鏊 a 图1 1 帧头示意图 图1 1 中，两个“a ”标签脉冲之间的脉冲宽度为2 4 0 p s ，“0 和“l 相 互交替的比特序列“b 与净荷有相同的比特率，净荷是1 2 5 g b s 的曼彻斯特码。 a o l i e 由一个窄带高斯光纤光栅滤波器组成( 在1 5 4 9 9 2 n m 处的反射率为 9 7 7 ，在最大光学带宽的一半处有5 8 g h z 的全宽) ，中心位于d p s k 数据包 的载波上。全光相位振幅调制转换可通过窄带过滤d p s k 信号获得，光学滤波 器实际上消除了相应于( 快速) 相位转换的高频成分，这实际上是将d p s k 脉冲 转换成了o o k 脉冲，为检测做好准备。当d p s k 进入a o l i e 后，这两个2 4 0 p s 的标签脉冲进行相位到振幅的转换。另一方面，无论是标签中填充的“0 “1 交替变换的序列还是有效净荷中的曼彻斯特码，都被滤波器过滤掉了。实际上， 在光纤光栅输出处，只有两个o o k 标签脉冲，它们被送入e d f a 进行放大，再 进入f i l t e r 进行滤波，最后就得到了光学帧头。 图1 - 2 帧头提取系统原理图 如图1 2 所示，1 5 4 9 9 2 n m 的激光源被相位调制器调制，并由1 2 5 g b s 的码 型发生器驱动，产生d p s k 码。经过环形器后，由f b g 将d p s k 码转换成o o k 码，提高了脉冲“a 的振幅，抑制了脉冲“b ”的振幅，经过环形器进入e d f a 进行放大，再通过f i l t e r 进行滤波，最后得到光学帧头。 方案二：文献【4 】提出了一种基于改进的t o a d ( t e r a h e r t zo p t i c a la s y m m e t r i c d e m u l t i p l e x e r ) 结构的方案。 2 6 n h e a d e r l - p a y l o a d b t p u tp a c k e t 。g 荐竺 上m - j = l p p p e 咖a k 4 d d p e a l cd p e a k 其中，1h e a d e r 、1 肼捌分别表示输出的信头和净荷信号为“1 ”时的最大功率， 3 影响两束光的相位差，从而降低系统的开关比。 输入信号脉冲的能量大小和耦合器分光比对开关比有显著影响。给定输入脉 冲能量的情况下，a 的最佳取值为o 5 ，增大s o a 的线宽增强因子也可提高开关 比。 方案三【3 】：如图1 4 所示，采用非对称s o a m z i 结构方案。由耦合器c 2 和c 3 连接m z i 的上下臂，两个s o a 分别位于上下臂的不同位置，且水平距离 折算成光传输时间缸。在每个时隙中，光分组从端口1 进入信头提取系统，并被 耦合器c 1 分成强度不等的小信号a 和大信号b 。小信号a 作为探测信号由c 2 分成能量相同的两路脉冲进入非对称s o a - 一m z i 的上下臂，上臂信号标记为 c w ，下臂信号标记为c c w ；大信号b 作为控制信号由c 3 分成能量相同的两路 脉冲b 1 和b 2 进入s o a m z i 的上下臂。调节控制信号和探测信号的传输时间， 保证在控制信号b 导致两个s o a 迅速饱和的时间间隔缸内，c w 信号的分组头 脉冲在s o a l 中能量获得放大，并使s o a l 进入饱和状态。通过信号b l 和b 2 的控制，探测信号c w 和c c w 通过s o a 后在c 3 处发生干涉，并从端口2 和端 口3 输出，从而提取出信头脉冲。 m 图1 - 4 非对称s o a - m z i 的分组头提取系统原理图 该信头提取方案利用了s o a 的增益饱和特性，当输入能量达到一定程度， s o a 进入饱和状态并丧失放大功能。当第一个脉冲通过时，s o a 的增益由未饱 和状态迅速下降至饱和状态，并引起脉冲相位的变化。第一个脉冲过去后，s o a 的增益开始缓慢的恢复，如果脉冲周期远小于s o a 的载流子寿命，第二个脉冲 到来时，s o a 的增益仅恢复了一部分，就又降至饱和状态，这样使得第二个脉 冲及后面脉冲的增益和相位变化较小。同时，控制信号的输入也促使s o a 更迅 速的饱和。 1 3 研究背景 实验室正在开展全光帧头提取和全光比较器的研究工作，为使研究顺利进 行，可编程的1 5 5 0 n m 光信号源是进行模拟信头工作的关键。帧头分信头和净荷 4 两部分，净荷可以由p p g ( 可编程脉冲发生器) 发出的2 5 g b p s 的随机序列进行 模拟，由于信头不是很大，频率可以比净荷低，而且需要不同的码型序列来模拟 地址信号以决定是否在某一节点下路，所以需要一个可编程的光信号源来模拟信 头。由于编码发生器价格较高，而且产品性能指标不能完全满足实验室项目的需 要，所以需要制作一个符合要求信号源。本文承担了可编程光信号源的设计开发 工作，信号源最高速率要求为6 2 2 m b p s ，波长为1 5 5 0 n m ，最大光功率为1 0 m w 。 1 4 本论文的工作 1 对1 5 5 0 n m 帧头提取光信号源实验系统所能采用的芯片及器件进行了调 研，设计出实现光信号源的具体技术方案。 2 制作光信号源，包括交流驱动电路、温控电路、显示电路、信号处理电 路四部分，分别制作为四块电路板，并进行投板、焊接、调试。 3 光信号源测试，包括电信号测试；直流、交流p i 曲线测试分析；取不 同交流值时，周期、频率、过冲、噪声、上升沿、下降沿、功率幅值、 信号质量测试分析；采用三种不同频率、不同占空比的信号程序，对输 出光信号进行各项测试分析。 4 对所做的工作进行总结，并展望下一步需要做的工作。 5 2 可编程逻辑器件 f p g a ( 现场可编程逻辑门阵列) 是除c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 外的 另一大类高密度p l d 可编程逻辑器件，它是2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来的 一种可编程的大规模集成器件。f p g a 的电路结构由若干个可编程逻辑模块组 成，用户通过编程可将这些模块连接成所需要的数字系统。由于这些模块的排列 形式与门阵列中的单元的排列形式相似，所以延用了门阵列的名字，加之采用 s r a m 制造工艺具有在线可编程的能力，通常称之为现场可编程门阵列。 同其他类型的p l d 器件相比，f p g a 在结构、集成度、可编程、性能等多 方面都有无可比拟的优越性，已经在计算机、数字仪表、图像处理、数字通信等 领域中成为热门的a s i c 产品，具有十分广阔的发展前景 6 1 。 2 1f p g a 工作原理 c p l d 是基于乘积项的可编程逻辑结构，由“与阵列和“或阵列”两极阵 列组成逻辑函数，而f p g a 采用可编程的查找表u j t ( l o o ku pt a b l e ) 结构， 一个u j t 就是一个逻辑函数发生器，是f p g a 中可编程的最小逻辑单元。 大多数f p g a 都采用静态随机存储器s r a m 来构成逻辑函数发生器。一个 n 输入查找表可以实现任意n 输入变量的组合逻辑函数，图2 1 是4 输入查找表 u j t 框图，其内部结构如图2 2 所示。由结构图可知，4 输入查找表u 玎由1 5 个二选一多路选择器和一个1 6 1 的s r a m 存储体构成，输入逻辑变量a 、b 、 c 、d 是作为多路选择器的控制信号，逻辑函数的输出就是最后一个多路选择器 的输出。任何4 变量逻辑函数都可以表示为唯一的一个1 6 行逻辑真值表，每一 行对应一组逻辑变量的取值及其对应的函数输出。u j t 就是利用输入变量a 、b 、 c 、d 为函数输出和它对应的函数值之间建立一条通道，1 6 1s r a m 存储体中的 每一位存储的就是对应逻辑函数的输出值。由u j t 构成函数时，只需将真值表 中逻辑函数输出值存储剑s r a m 存储体的对应位，将哪一位输出由逻辑变量a 、 b 、c 、d 决定。n 输入的查找表，需要s r a m 存储n 输入形成的2 n 位逻辑函 数输出，因此需要用2 n 位的s r a m 单元。 由l u t 的结构可知，当利用n 输入查找表去实现n 1 输入的逻辑函数时， 几乎一半资源处于闲置状态，所以n 不可能很大，否则l u t 的利用率很低；当 利用n 输入查找表实现输入多于n 的逻辑函数时，必须使用几个n 输入查找表 实现【矾。 6 图2 - 1 输入查找表框图 图2 2 输入查找表原理图 2 2x i l i n xs p a r t a n - 3 系列f p g a s p a r t a n 3f p g a 系列产品采用x i l i n x 公司最成功的v i r t e x i if p g a 架构，并 利用9 0 n m 和3 0 0 m m ( 1 2 英寸) 晶圆工艺生产，该系列产品可提供5 万至5 0 0 万的系统逻辑门，还提供四个功能强大的数字化时钟管理器( d c m ) 。由基本 的延迟锁相环( d l l ) 构成的可编程时钟管理器，具有灵活、完善的频率合成、 相移、时钟偏移消除等功能。另外，s p a r t a n - 3 还提供丰富的嵌入型d s p ( 数字 信号处理) 功能，这项功能可保证每秒执行3 3 0 0 亿次乘累加( m a c ) 运算的高 性能d s p 应用。在存储器( r a m ) 方面，s p a r t a n - 3 系列提供多达1 8 7 2 k b 的块 存储器及多达5 2 0 k b 的分布式存储器，这些存储器都具有完全的双口功能。另 外，s p a r t a n 3 系列还可提供高速的外部数据接口，与外部的海量存储器实行对 接【7 1 。 s p a r t a n 一3 系列主要特性 内部时钟频率可达3 2 6 m h z ，可提供7 4 8 8 0 个逻辑单元，5 0 0 万个系统 门。 7 支持多达1 7 种的单端接口标准和6 种差分接口标准。输出信号的摆幅范 围可达1 1 4 v 和3 4 5 v ；每个y o 口支持6 2 2 m b s 的数据传输率，同时 还支持d d r 数据传输方式。 高性能的内部存储器s e l e c t r a m 结构。每个块存储器容量18 k b ，并且 是完全的双口存储器结构。最多可提供1 8 7 2 k b 的块存储器资源，以及 5 2 0 k b 的分布式存储器资源。支持高性能的外部存储器接口，这些接口 包括s d r d d r 、s d r a m s r a m 、f c r a m 、q d rs r a m 、和c a m 接 口等。 专用的18 位 18 位乘法器模块和超前进位逻辑链( l o o k a h e a dc a r r y ) 构成了高性能的算术处理功能。 多达四个数字时钟管理器模块和8 个全局时钟多路复用缓冲器，构成了 内部高性能和丰富的时钟资源，从而可提供灵活的系统时钟解决方案。 片内的数字化阻抗匹配技术和可编程输出电流( 从2 m a 到2 4 m a ) ，克 服了因阻抗不匹配造成的系统不稳定性( 信号完整性) 问题。 表2 - 1s p a r t a n - 3 系列器件主要技术参数 嚣件蟹蟮x c j s 5 x c 髂2 x c 3 s 4 “x c j s i o x f j s i5 螂x c j s 墨x x )x c j s 舢x mx c j s 5 i m 氟缝f l 盯f s4 01 0 d l s o 啪 4 0 仔，蝌 逻辑币l c - 7 冀4 ，2 b8 0 6 41 7 ：秘02 9 啦4 6 嘏06 2 3 0 簋7 4s 8 n j h 囊浓嚣争数 41 21 62 41 24 09 6l l 珥 1 8 k b 块打键嚣十敏41 2t 62 43 24 09 6l f 珥 蜓办他器铎艟k b )? 22 1 62 i l s4 j ： s 7 6了2 01 7 勰1 s 7 2 舒 tl 弋存诒嚣t k b ) 1 2舯5 61 2 ua 辩j 2 u4 2 t 25 2 0 时钟许坶i 戳i ) c m ) 24444444 土特i o 杯墩2 j2 32 32 32 32 3 璇k 照分村敢5 67 6l t 61 7 ，2 2 -2 7 0j 1 2 魅# 譬媚f 二ji o 脚 斟1 7 32 6 4船i 4 s 75 6 s7 1 27 甜 c l b 阵列f 打x 岛 1 6 x | 22 4 o oj h 2 s4 s 4 0b 4 x 5 28 0 x 6 49 6 x 7 2 “h x g o v q i i l 抽m x l 4扭 t q l 4 4踟m x 2 2 m m 钾 9 7 9 7 p 。2 锵3 0 6 m m x 3 0 6 m m1 2 i1 4 l1 4 i f 12 5 61 7 m i n x l 7 r a m1 7 31 7 31 7 j f 0 4 5 62 h r a , a x 幻m m1 6 43 3 33 3 3 i ( ；6 7 62 7 m m x 2 7 m m3 9 1髓7, 4 8 9 f ( 7 , 9 0 03 i m m x 3 i i b m5 6 56 3 36 3 3 f g l l 5 63 5 m m x 3 5 m m7 i ：7 5 4 2 3f p g a 开发环境 目前流行的基于f p g a 的e d a 工具有x i l i n x 公司的i s e 集成开发环境、 a l t e r a 公司的q u a r t u si i 集成开发环境和l a t t i c e 公司的i s p l e v e r 集成开发环境。 此外还有一些第三方e d a 公司开发的软件如用于时序仿真的m o d e l s i m 等，用 于逻辑综合的s y n p l i f yp r o 、l e o n a r d o s p e c t r u m 等。 8 i s e 是集成综合环境的缩写，是x i l i n x 公司主推的设计工具，i s e 可以完成 f p g a 开发的全部流程，包括设计输入、仿真、综合、布局布线、生成b i t 文件、 配置以及在线调试等，功能非常强大。i s e 集成了大量实用工具，包括h d l 编 辑器h d le d i t o r 、i p 核生成器c o r eg e n e r a t o rs y s t e m 、约束编辑器c o n s t r a i n t s e d i t o r 、静态时序分析工具s t a t i ct i m i n ga n a l y z e r 、布局布线工具f l o o r p l a n n e r 、 f p g a 编辑工具f p g ae d i t o r 和功耗分析工具x p o w e r 等，这些工具可以帮助设 计人员完成设计任务，提高工作效率【引。 2 4f p g a 设计流程 2 5 硬件描述语言 图2 3f p g a 设计流程图 v h d l 和v e r i l o gh d l 是目前最流行的两种硬件描述语言。v h d l 是1 9 8 5 9 年在美国国防部的支持下正式推出的，它是目前世界上标准化程度最高的一种硬 件描述语言，1 9 8 7 年i e e e 将v h d l 采纳为硬件描述语言标准( i e e es t d 1 0 7 6 ) 。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，包括从系统到电路的所有设计层次。在描 述风格上v h d l 支持结构、数据和行为三种描述形式以及三种描述形式的混合 描述方法。因此v h d l 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，可以完成至 顶向下或至底向上的电路设计。v e r i l o gh d l 是出现最早的一种硬件描述语言， 它的最大特点是支持混合模式的描述，即描述的集成电路可以包括不同的抽象层 次、行为层次和结构层次，并且能用仿真程序进行仿真。v e r i l o gh d l 把一个数 字系统当作一组模块来描述，每一个模块都具有模块接口以及关于模块内容的描 述，这些模块用网络相互连接通信。v e r i l o gh d l 语言与c 语言有许多相似之处， 并继承和借鉴了c 语言的多种操作符和语法结构【9 1 。 相比较而言，v h d l 的复杂性等级要高一些，其它语言更接近于硬件的概念。 v h d l 语言的应用领域最为广泛，包括集成电路设计、印刷电路板设计和系统设 计等领域。在建模能力上，在低层次设计描述中( 门级和开关级) ，v h d l 对电 气模型和模拟电路模型的支持还很缺乏，但是在高层次设计中( 系统级) ，v h d l 比其他语言显得更加有力。v e n l o gh d l 是专门为复杂数字系统的设计仿真而开 发的，本身就非常适合复杂数字逻辑电路和系统的仿真和综合。此外，v e r i l o g h d l 不仅支持数字逻辑电路的描述还支持模拟电路的描述，因此它还适用于混 合信号电路系统的设计。 v e r il o gh d l 硬件语言具有如下特点【1 0 】： 能够对从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统进行描 述，设计的规模是可以任意的。 能够对每个抽象设计层次的描述进行仿真，及时发现可能存在的设计错 误，缩短设计周期，并保证整个设计过程的正确性。 可采用各种不同方式或混合方式对设计进行建模。这些方式包括：行为 描述方式使用过程化结构建模；数据流方式使用连续赋值语句 方式建模；结构化方式使用门和模块实例语句描述建模。 基本逻辑门，如a n d 、o r 和n a n d 等都内置在语言中；开关级基本机构 模型，例如p m o s 和n m o s 等也被内置在语言中；用户定义原语( u d p ) 创建的灵活性，用户定义的原语既可以是组合逻辑原语，也可以是时序 逻辑原语。 借用c 语言的结构和语句，例如循环语句、条件语句等，既简化了电路 的描述，又方便了设计人员的学习和使用。 代码描述与具体工艺实现无关，便于设计标准化，提高设计的可重用性。 1 0 3 实验系统设计及实现 3 1 电路规划方案 电路原理框图如图3 - 1 所示，电路规划共分四部分电路，分别为交流驱动电 路、温度控制电路、显示电路、数字信号电路四部分，四部分电路均为独立的电 路板，板间用插针与跳线相互连接。优点是便于电路板调试，也可提高部分电路 板的通用性，制作别的信号源也可以使用。 工作原理：在数字信号电路中的f p g a 芯片里写入程序，由外部6 6 m 晶振提 供时钟，由s m a 接口输出p e c l 电平信号，p e c l 电平信号经过同轴电缆，控制交 流驱动电路的交流调制信号输出与否，同时交流驱动电路还提供直流偏置电流的 输出，直流偏置和交流调制电流的大小均可以通过外置电位器调节。温控电路通 过判断d f b 激光器反馈的信号大小自动控制激光器的温度，保证其工作在恒温状 态，外置电位器可以调节温控电路输出电流的大小。显示电路接三块数码显示表， 分别显示直流、交流、温控电流的大小。 图3 - 1 电路原理框图 3 2 电源 三块电路板的输入电压均为+ 5 v 和一5 v ，采用性能良好、噪声较小的线性电 源供电。温控电路采用+ 5 v 供电，显示电路采用+ 5 v 和一5 v 供电，交流驱动电路 采用价格便宜、稳压效果好的国半公司的l m l 5 8 5 - 3 3 芯片，为电平转换芯片供 电，其最大输出电流为1 a ，正常工作状态下电源纹波小于5 0 m v 。m a x 3 6 6 9 激光 器驱动芯片采用- 5 v 供电。 3 3 信号处理电路 这部分采用x i l i n x 公司的现场可编程逻辑器件s p a r t a n - 3 系列f p g a ： x c 3 s 4 0 0 ，p q f p 封装，2 0 8 p i n ，最高工作频率3 2 6 m h z ，+ 3 3 v 供电，4 0 万系统门， 8 0 6 4 个逻辑单元l c ，1 6 个专用乘法器，1 6 个1 8 k b 块存储器，2 8 8 k b 块存储器 容量，5 6 k b 分布式存储器，4 个时钟管理器，最大1 1 6 个差分对，最多2 6 4 个单 端信号i o 脚，在x i l i n x 的开发平台i s e 上使用v e r i l o g 语言进行编程，实现 不同的逻辑电路功能，通过下载线，使用j t a g 接口对f p g a 进行程序烧录【1 1 】。 晶振频率6 6 m h z ，为数字电路提供一个准确的时钟基准。 3 4 交流驱动电路 半导体激光器是阈值器件，在阈值以上它的p - i 曲线才是线性的，为获得较 快的调制速率降低调制电流，应该给激光器加一个直流偏置。选择直流偏置电流 需考虑以下几个方面： 1 加大直流偏置电流使其接近阈值，可以减小电光延迟时间，还可以抑制张 弛振荡。当直流偏置在阈值附近时，较小的调制电流就能获得足够的输出光脉冲， 这样可以减小码型效应和结发热效应。 2 偏置电流不能过大，否则会使激光器消光比恶化，光源的消光比直接影响 接收机的灵敏度【1 2 】。 交流驱动电路设计要求偏置电流和调制电流信号加载到激光器上从而形成 激光输出。由m a x 3 6 9 0 输出的p e c l 电平信号控制驱动电路的交流信号输出与否。 偏置直流和调制电流的大小均可以通过外置电阻调节。所采用的主要芯片为 m a x i m 公司生产的m a x 3 6 6 9 激光器驱动芯片，可调节偏置电流范围1 瑚o m a ，可 调节调制电流范围5 7 5 m a ，且具有工作电流监视和平均光功率控制，符合a n s i 、 1 2 i t u 和b e l l c o r e 的s o n e t s d h 标准，适用于6 2 2 m b p s s d h s o n e t 接入节点和激光 器驱动芯片【1 3 】。 原理框图如图3 - 2 所示： 直流电源 图3 - 2 交流驱动电路原理框图 为系统各部分提供稳定、可靠的直流电源- s v 、+ 3 3 v ，- 5 v 由线性电源直接 提供，+ 3 3 v 由稳压芯片l m l 5 8 5 - 3 3 提供。 l i ； l ； ；l ； i ； ! ， 丝vl ；聊 ! ：| ： ：；i 。v c c r 一，l ；：r iil 。 l m l 5 8 5 - 3 3 | ! ll ； “1 r _ 1 “ 3 ：2 二 宣o u t 。件 + c 1 6 ：= ：c 9 + c 1 7 =墨1 0 = 1 0 u o t ，、l o v ： d 主l l 枣 、；母1 一l j i ，i ，j ，；一 ll ij l j 7 jl 卜；卞； 电平匹配 图直流电源原理图 ；| l ；l 卜 墩一 ： t ：rl j ； l l j ” k 臣 爱薹。 。l 彬r r “r “一 i ，o - 一曩l 一# 晖箸 ；翻l 碡 ；： 4 ： d a j r 丑 ! # 2 ：驷! 一 i ；：l ：1 r 。” ：；蔓转 譬4 ! 逆 p ，0 一 一 ：ln = 噎! l ： ：! 电路原理图 其中l和r3为欧，5 欧。1 3 m a x 3 6 6 9 及其外围电路 m a x 3 6 6 9 是m a x i m 公司生产的一款+ 3 3 v 带有a p c ( 自动功率控制) 电路的 激光驱动器，可用在高达6 2 2 m b p s 的s d h s o n e t 。它采用差分p e c l 输入， 在+ 3 3 v 时输出4 0 m a 电流，提供l m a 到8 0 m a 可编程偏置电流和5 m a 到8 0 m a 可编程调制电流，上升沿下降沿时间为2 0 0 p s ，工作温度为4 0 度n + 8 5 度。 采用a p c 反馈环路可以保证激光器在工作温度和寿命周期内，平均光功率 维持恒定。器件具有容易编程的5 m a 到7 5 m a 调制电流和l m a 到8 0 m a 偏置电 流，使它非常适合用于各种s d h s o n e t 系统中。两个管脚用来监测激光器中的 电流量，其中b i a s m o n 的电流与激光器偏置电流成比例，m o d m o n 的电流与 激光器调制成比例。 m a x 3 6 6 9 也提供使能控制，当a p c 反馈环路无法维持平均光功率时，会有 失败监测信号输出显示。m a x 3 6 6 9 有4 m m * 4 m m 、2 4 引脚薄型q f n 封装和 5 m m * 5 m m 、3 2 引脚t q f p 封装两种【1 3 1 。 图3 - 5m a x 3 6 6 9 及其外围电路原理图 1 4 图3 - 6m a x 3 6 6 9 内部结构 引脚功能介绍： d a t a + ：正p e c l 数据信号输入 d a t a ：负p e c l 数据信号输入 b i a s m o n ：偏置电流接受器( 与偏置电流成比例，1 3 8 倍) m o d m o n ：调制电流接收器( 与调制电流成比例，1 2 9 倍) e n a b l e ：t t l c m o s 使能输入，高电平时正常操作，低电平时激光器偏置和 调制电流不能输出 f a i l ：t t l 输出，低电平时自动功率控制失效 b i a s ：偏置电流输出 o u t + ：正调制电流输出，当输入信号为高时，调制电流流入此管脚，将此管脚 接入交流耦合网络 o u t ：负调制电流输出，当输入信号为低时，调制电流流入此管脚，将此管脚 通过6 3 q 的电阻接电源v c c m d ：光电二极管连接点，将此引脚连接光电二极管的阳极，此处需要一个电容 接地来滤掉高频交流 c a p c ：a p c , f 偿电容 a p c s e t ：调节a p c 的光电流的大小，要求输出的电流与想要的直流监控电流相 等，a p c 不用时连1 0 0k q 电阻接地 1 5 m o d s e t ：调节激光器调制电流的大小( 交流) b i a s m a x ：调节最大偏置电流的大小( 直流) g n d ：接地 v c c ：接正电源 n c ：不接 管脚1 6 为偏置电流输出，其输出电流大小为流过管脚7 的电流的3 8 倍。设 输出电流为i ，则流过管脚7 的电流为i 3 8 ，输入直流显示电路的电压为 3 8 0 x i 3 8 = 1 0 i 。管脚1 8 为交流输出，其显示原理与直流输出相同，只是管脚 1 8 输出的电流为流经8 管脚的电流的2 9 倍。 r t 4 和r t 6 均为可调电阻，分别对交流和直流输出进行调制。 测试过程： 在激光器l d 一与v c c 间接1 0q 电阻模拟激光器，在r t i 与r t 6 分别接1 5 1 欧与 6 8 k 电容做临时测试用，r t 3 接1 0 0 k 的电位器，将下载板与交流驱动电路相连， 通电，用示波器看激光器l d - 端口与s m a 信号端口间的电信号波形以及信号质量， 调整r t 3 的阻值，观察波形的变化，看最大能上到多少m v ，以此来计算通过激光 器电流的大小并进行相应调整。 3 5 温控电路 分布反馈式半导体激光器d f bl a s e r ( d i s t r i b u t e d f e e d b a c ks e m i c o n d u c t o r l a s e r ) 是随着集成光学的发展而出现的，由于其动态单模特性和良好的线性， 已经广泛应用于国内外数字光纤通信系统和c a t v 模拟光纤传输系统中。 实验系统采用古河( f u r u k a w a ) 公司生产的中心波长为1 5 5 3 3 0 3 r i m 的 蝶形封装的d f b 激光器。采用波长为1 5 5 0 r i m 的d f b 激光器，光纤衰减最低， 大约为0 2 到0 2 5 d b k m 。此d f b 激光器具有温度控制和平均光功率控制等功能， 调制速率为2 5 g b i t s ，最大驱动电流为2 0 0 m a ，典型转换效率0 2 w a ，谱宽小 于0 4 n m ，边模抑制比4 5 d b ，上升下降时间( 1 0 9 0 ) 一时，电流由t e c + 流向 t e c - ，反之，则由t e c - 流向t e c + ，根据t e c + 与t e c - 之间的电流的流向不同来控 制激光器升降温度。 参考电压电路 图3 1 6 参考电压电路原理图 在图3 - 1 6 中，稳压管d 2 采用l m 4 0 4 0 ，输出2 5 v 的电压。r i