【《航天器黑障区通信系统的设计与测试分析案例》5100字】

航天器黑障区通信系统的设计与测试分析案例第1章系统设计1.1功能结构设计本设计主要目的为设计一种能够在空天飞机再入大气过程中提供双向通信的光通信系统。系统的总体结构设计如下图。光通信系统由中继卫星端和空天飞机端组成，由于需要具备双向通信功能所以每端均具有光源和光检测器，考虑到小尺寸和高性能等需求采用卡塞格伦光学天线。激光通信系统硬件结构图如下图1.1所示，收/发端硬件系统结构图如下图1.2所示。图1.1激光通信系统硬件结构图图1.2收/发端硬件系统结构图1.2硬件模块设计1.2.1激光模块常用的激光器有三种结构分别是：法布里-珀罗激光器、分布反馈式激光器和垂直腔面发光激光器。（1）法布里-珀罗激光器（FPL）FPL通过半导体晶体和空气之间（折射率之差较大）的界面形成谐振腔反射镜。FPL将谐振腔一端镀膜使入射光完全反射。法布里-珀罗激光器的增益曲线非常宽，但是FPL在长时间工作会发生中心频率偏移。因此，FPL仅适用于低速通信系统。（2）分布反馈式激光器（DFB）DFB在源区加上布拉格光栅或一个周期性结构，是一种可以实现单纵模工作的边发光激光器。（3）垂直腔面发光激光器（VCSEL）VCSEL是一种谐振腔垂直于有源区的面发光半导体激光器。VCSEL在垂直方向上，有源区的两侧均设置了窄带的反射面，窄带反射面由两种不同的折射率层构成，每一层是激光器工作波长的。垂直腔面发光激光器与其它激光器相比有如下优势：（1）与边发光激光器相比，垂直腔面发光激光器的辐射光是圆形光束。（2）垂直腔面发光激光器的谐振腔较短，可以高质量进行单模输出，直接调制带宽大于。（3）垂直腔面发光激光器与边发光激光器相比，直接调制速度快，辐射功率低且功耗低。（4）垂直腔面发光激光器在正常工作时具有较低的阈值电流、更好的效率及更长的使用寿命。1.2.2光电二极管模块（PIN光电二极管）PIN型光电二极管由三种掺杂区组成分别是P型半导体材料、N型半导体材料及N型轻掺杂本征区组成，在工作时需要加反向偏压。PIN型光电二极管的作用是将入射光子转化为电流的器件，入射激光的能量需要大于半导体材料的带隙能量。入射的光子将激发处于价带的电子跃迁至导带，进而产生电子-空穴对。一般而言，入射激光集中在耗尽本征区，耗尽区的高电场会让产生的载流子分开，通过反向偏置的结区，在外部产生电流。光电二极管的半导体材料类型决定了器件的工作波长范围。式中：为上限截止波长；为半导体材料的带隙能量。基于硅的PIN型光电二极管的带隙能量为，截止波长为，工作的薄产范围为。PIN型光电二极管可以工作在超高速率（大于）。1.2.3信号前处理模块由于信号源输出的信号电流较小，带负载能力较弱，我们需要在信号源和激光源之间加入一个电压跟随器来进行电流的放大用作输入缓冲器。输入缓冲器原理图如下图1所示。图1.3输入缓冲器原理图本设计中输入缓冲器核心采用MMBT2222A型NPN三极管构成，设计中调节了三极管的静态工作点，防止信号失真。1.2.4信号后处理模块由于PIN型光电二极管产生的电流很小，在继续后处理之前需要将微弱的电流信号转化为电压信号。一般在光电检测电路中采用电流电压转换电路作为PIN光电二极管的前置放大电路。采用零偏置的电流/电压变化基本等效电路图如下。图1.4I/V变换基本等效电路PIN光电二极管的光生电流为，在等效电路中，放大器输入端电阻近似无限大，所以反相输入端输入的电流为零，则在等效电路中又因为放大器的正反相端电压，即由上式可知，输出信号与光生电流成线性变化关系，这样就解决了输出信号线性响应问题。1.2.5光学天线模块本设计的光学天线采用马克苏托夫-卡塞格林式光学望远镜，该光学天线由弯月矫正镜、主反射镜和第二矫正镜构成。本设计中LD和PIN型光电二极管位于光学天线的成像平面上。图1.5马克苏托夫-卡塞格林式光学望远镜结构1.2.6FPGA模块现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArrays），可以进行硬件层面的编程，将算法固化至硬件电路。FPGA的优势在于可以将算法固化成硬件电路，从而极大的加速算法运行。本设计采用XilinxSpartan-7芯片为核心构建FPGA开发板。1.2.7数据采集如下图1.6所示，本设计中数据采集由模数转换电路完成，本设计采用的高速AD芯片是由ADI公司推出的AD9238芯片，该芯片为12位采样，支持2路AD输入，最大采样率为。图1.6AD9238结构图本设计将AD模块的输入电压输入范围设置为，如下图1.7所示。图1.7AD输入阈值设置在信号进入AD芯片之前，用AD8065芯片构建衰减电路，AD8065芯片接口的输入范围是。经过衰减电路衰减后，输入电压范围已经满足AD9238芯片的输入范围。其转换公式如下：1.2.8数据显示初步测试时采用11位LED灯显示最终测试采用串口通讯的方式将数据传输至电脑显示。1.3软件模块设计1.1.1数据处理FPGA首先从AD芯片1接收校准激光强度信号的11位数据存入1号寄存器（1号寄存器接收完标准激光强度后将保持不变）。在时钟脉冲作用下，FPGA将周期接收校准激光强度信号，并将信号不断传送至2号寄存器；同时将AD芯片2接收的主数据光信号传送至3号寄存器。FPGA中的除法器取出1号和2号寄存器数据，将1号寄存器中的数据除以2号寄存器数据，并将结果存入4号寄存器；FPGA中的乘法器取出3号和4号寄存器中的数值，将3号寄存器中的数据乘以4号寄存器中的数据并存储至5号寄存器;FPGA中的比较器将5号寄存器中的数值进行阈值处理并存入6号寄存器。最终FPGA将5号和6号寄存器中的11位数据传送至IO端口输出。FPGA的数据处理过程如下图1.11所示。图1.8FPGA数据处理流程第四章系统实现2.1硬件模块实现2.1.1激光模块本设计是低速激光通讯系统，因而采用法布里-珀罗激光器，调制方式为直接调制。为了更好的进行通讯实验，故采用波长为激光器。激光器如下图2.1所示。图2.1650nm激光器2.1.2光电二极管模块本设计采用PIN型光电二极管，型号为LSSPD-1.2-3P。光电二极管的感光面积为，工作带宽为。本设计中光电二极管接收激光信号转换成微弱的电流信号，再通过跨阻放大器可将电流信号转变为电压信号。PIN型光电二极管如下图2.2所示。图2.2PIN型光电二极管2.1.3信号前处理模块由于信号源输出的信号电流较小，带负载能力较弱，我们需要在信号源和激光源之间加入一个电压跟随器来进行电流的放大。依据原理图，在洞洞板上焊接出测试电路。输入缓冲器的测试电路板如下图2.3所示。图2.3输入缓冲器测试电路板洞洞板上焊接的测试电路板在测试信号频率稍高后表现不佳，故将输入缓冲器在PCB上重新制作，输入缓冲器的PCB电路图如下图2.4所示。图2.4输入缓冲器的PCB电路图然后将PCB电路图转换成黑白版图，采用喷墨打印机将PCB版图打印到菲林胶片上。菲林胶片版图如下图2.5所示。图2.5菲林胶片版图本设计采用光敏电路板进行PCB的制作，光敏电路板是在覆铜板表面覆上一层正性感光材料。经UV光照射后被照射部分感光材料可以用显影剂去除。光敏电路板如下图2.6所示。图2.6光敏电路板将PCB版图敷在感光板上，使用UV光对感光板进行曝光。曝光如下图2.7所示。图2.7光敏电路板曝光感光板曝光后再经显影、刻蚀、脱膜及焊接元器件后即可得到设计的电压跟随器PCB。输入缓冲器PCB板如下图2.8所示。图2.8输入缓冲器电路板2.1.4信号后处理模块PIN型光电二极管会将输入激光信号转化为微弱的电流信号（低于），为了能够进行AD变换，我们需要将微弱的电流信号转化为电压信号。本设计采用AD825跨阻放大器来实现电流向电压的变化并放大。模块供电采用两项供电；输入电流需小于；输入电流最小分辨率为；输入频率范围为；输入阻抗大于；输出电压范围为；输出电流为。跨阻放大器如下图2.9所示。图2.9跨阻放大器2.1.5光学天线模块本设计采用马克苏托夫-卡塞格林式光学天线，具体型号为星特朗NexSTAR127SLT。光学天线如下图2.10所示。图2.10光学天线2.1.6FPGA模块本设计采用XilinxSpartan-7作为FPGA的核心，芯片的具体参数如下表2所示。表2FPGA参数FPGA参数类型参数FPGA型号XC7S50-1FGGA484IDDR31GB，数据频率触发器65200逻辑单元52160DSP数量120个查找表8150BLOCKRAM扩展IO数量114个电压可调IO75个LVDS差分对37对温度等级工业级速度等级-1工作温度XilinxSpartan-7开发板如下图2.11所示。图2.11XilinxSpartan-7开发板2.1.7数据采集本设计采用AN9238模拟转数字模块来实现数据采集，AN9238模块的原理设计框图如下图2.12所示。图2.12AN9238原理设计框图在模块中，AD9238的模拟信号输入和AD转换的数据如下表3所示：表3AD9238模数转换数据AD模拟输入值AD8055运放输出AD8138差分输出AD9238数字输出-5V-1V-1V00000000000000V0V100000000000+5V+1V+1V111111111111AD9238的输出信号为12位，第一位为符号位。在设计中AD9238所接受的电平均为正电平，所以在设计中不考虑符号位，因此设计中仅涉及11位数据。2.1.8数据显示本设计在初步测试的时候采用11位LED灯显示11位输出数据，11位LED灯板如图2.13所示。11位LED灯板通过11位数据线和一根电源线与FPGA连接，11位LED通过共阳极接法，当输出为1时LED灯不亮，输出为0是LED灯亮。图2.1311位LED灯板2.2软件模块实现2.2.1数据处理数据处理是在FPGA的基础上实现的，编写采用Verilog语言。程序结构如下：(1)程序中首先定义了一个L_C模块；(2)紧接着定义L_C模块的输入输出参数。输入参数有：clk,rst,CH1_DATA,CH2_DATA。输出参数有：CH1_CLK,CH2_CLK,q5；(3)接着定义输入输出信号的属性；(4)紧接着编写主程序。详细的程序如下：moduleL_C(clk,rst,CH1_DATA,CH2_DATA,CH1_CLK,CH2_CLK,q5);input[10:0]CH1_DATA;//校准激光input[10:0]CH2_DATA;//主数据激光inputrst;//复位inputclk;//时钟outputwireCH1_CLK;outputwireCH2_CLK;reg[10:0]q1;//标准校准激光数据reg[10:0]q2;//校准激光动态数据reg[10:0]q3;//主数据reg[10:0]q4;//q1,q2相除寄存器outputreg[10:0]q5;//q4,q3相乘寄存器assignCH1_CLK=clk_out1;assignCH2_CLK=clk_out1;always@(posedgeclk_out1)beginif(~rst) q1[10:0]<=CH1_DATA[10:0];else q5[10:0]<=q1[10:0]*q4[10:0];endalways@(posedgeclk_out2)beginq2[10:0]<=CH1_DATA[10:0]; q3[10:0]<=CH2_DATA[10:0]; q4[10:0]<=q3[10:0]/q2[10:0];endclk_wiz_0instance_name ( .clk_out1(clk_out1),//outputclk_out1 .clk_out2(clk_out2),//outputclk_out2 .clk_in1(clk)); //inputclkendmodule第3章系统测试3.1测试环境光通信的硬件设备主要由信号源、AC转DC、直流稳压电源、输入缓冲器、激光源、PIN光电二极管、跨阻放大器、示波器、AD转换模块、FPGA及11位LED显示面板组成，组合后的硬件实验系统如下图3.1所示。图3.1激光通信试验系统激光通信系统的模块详细参数如表4所示。表4激光通信系统的模块详细参数模块名称模块主要性能指标模块性能指标参数FPGA逻辑单元数量52160跨阻放大器工作带宽输入缓冲器工作带宽AD变换模块输出位数12位信号源输出频率范围DC-25MHzAC转DC输出电压范围线性稳压电源输入电压范围示波器采样频率LED显示面板显示位数11位激光源波长PIN型光电二极管工作频率范围3.2功能测试3.2.1激光通信功能测试激光通信功能测试主要测试信号是否能从信号源、输入缓冲器、激光源、PIN光电二极管及跨阻放大器中传输。采用示波器检测输出信号。本测试的详细参数如表5所示。表5激光通信功能测试模块详细参数模块名称模块主要性能指标模块性能指标参数信号源输出频率、输入缓冲器工作带宽激光源工作波长PIN型光电二极管工作频率范围跨阻放大器工作带宽AC转DC输出电压稳压直流电源输出电压测试图片如图3.2所示。图3.2激光通信功能测试测试输出的信号的参数为，输出信号如图3.3所示。图3.3激光通信输出信号图3.2.2自动增益算法测试自动增益算法的基本原理是采用反馈的思想。在信息传输时采用两束激光，一束激光作为数据传输，另外一束激光则作为校准激光。通过检测校准激光的强度变化计算出信道衰落，从而增强主数据激光的强度，进而降低误码率。自动增益算法的测试平台由AC转DC、直流稳压电源、输入缓冲器、激光源、PIN光电二极管、跨阻放大器、AD转换模块、FPGA及11位LED显示面板组成，组合后的测试平台如图3.4所示。图3.4自动增益算法测试平台表5激光通信功能测试模块详细参数模块名称模块主要性能指标模块性能指标参数输入缓冲器工作带宽激光源工作波长PIN型光电二极管工作频率范围跨阻放大器工作带宽AC转DC输出电压稳压直流电源输出电压FPGA工作频率AD转换模块输出位数12位LED显示面板显示位数11位测试方案为：（1）启动测试系统后先按下复位键，使FPGA读取到校