一種嵌入式射頻光傳輸模塊實(shí)現(xiàn)方案

1.引言

　　光纖直放站主要由光近端機(jī)、光纖、光遠(yuǎn)端機(jī)幾個(gè)部分組成。光近端機(jī)和光遠(yuǎn)端機(jī)都包括射頻單元和光單元。信號(hào)的傳輸分下行鏈路和上行鏈路。在下行鏈路中，光近端機(jī)接收來自基站的無線信號(hào)，通過電光轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，從光近端機(jī)輸入至光纖，經(jīng)過光纖傳輸到光遠(yuǎn)端機(jī)，光遠(yuǎn)端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，進(jìn)入射頻單元進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)過放大后送入遠(yuǎn)端天線發(fā)送出去，覆蓋目標(biāo)區(qū)域。上行鏈路的工作原理與下行鏈路類似，手機(jī)發(fā)射的信號(hào)通過遠(yuǎn)端天線至光遠(yuǎn)端機(jī)，再到近端機(jī)，回到基站。光纖直放站近端機(jī)的定向天線收到基站的下行信號(hào)(以GSM信號(hào)為例，頻段為935MHz-960M Hz)送至近端主機(jī)，放大后送到光端機(jī)內(nèi)進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生波長(zhǎng)為1550nm的光信號(hào)。因?yàn)楣饫w中傳輸有波長(zhǎng)為1310nm的上行光信號(hào)，所以下行的1550nm的光信號(hào)要通過光波分復(fù)用器耦合到光纖中，最后經(jīng)光纖傳到遠(yuǎn)端機(jī);遠(yuǎn)端光波分復(fù)用器將1550nm和1310nm波長(zhǎng)的光信號(hào)分開后，讓1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)輸入光端機(jī)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，還原成下行射頻信號(hào)，再經(jīng)遠(yuǎn)端主機(jī)內(nèi)部功放放大，由全向天線發(fā)射出去送給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)的上行信號(hào)(頻段為890MHz-915M Hz)逆向送到基站，這樣就完成了基站與移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)聯(lián)系，建立通話。其原理如圖1 所示。

　　由于光纖直放站系統(tǒng)使用的特點(diǎn)，其安裝調(diào)試工作麻煩，維護(hù)工作開銷巨大。為了增加系統(tǒng)的可靠性并降低系統(tǒng)安裝調(diào)試的復(fù)雜性，越來越多的直放站生產(chǎn)商都要求光模塊具有智能化功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直放站的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而方便工作人員的調(diào)試、維護(hù)和管理。本文討論了在傳統(tǒng)光模塊基礎(chǔ)上通過增加嵌入式單元，以實(shí)現(xiàn)光模塊的智能化。

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控電路是光模塊實(shí)現(xiàn)智能化的核心部分，圖2 是本設(shè)計(jì)中光模塊的監(jiān)控系統(tǒng)框圖。該部分完成各監(jiān)控量的采集、控制等工作。本設(shè)計(jì)采用C8051F023型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光模塊的嵌入式控制，C8051F023內(nèi)部集成了一個(gè)8位8輸入的ADC、一個(gè)10位8輸入的ADC和兩個(gè)12位DAC，非常方便對(duì)參數(shù)的采集和對(duì)壓控器件的控制[1][2]。

　　在射頻信號(hào)的輸入和輸出端，功率檢測(cè)電路將耦合進(jìn)來的射頻能量進(jìn)行放大，并實(shí)現(xiàn)功率/電壓轉(zhuǎn)換，再對(duì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在程序中采用查找表的方法，即能得到輸入/輸出的功率值。C8051F023根據(jù)檢測(cè)到的功率值，調(diào)整鏈路中的衰減值。在射頻信號(hào)輸入端，單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換，控制壓控衰減器;而在輸出端，則通過程控衰減器控制信號(hào)增益。偏置電路為激光器(LD)的工作提供合適的驅(qū)動(dòng)電流。單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換采集到激光器的偏置電壓，在程序中光功率與電壓同樣采用查找表的方法直接轉(zhuǎn)換，而偏置電流則通過電壓與電流的線性關(guān)系轉(zhuǎn)換得到。當(dāng)某些因素導(dǎo)致激光器驅(qū)動(dòng)電流過大或過小時(shí)，單片機(jī)通過改變D/A輸出電壓，來調(diào)整偏置電路的輸出電流，使激光器的發(fā)光功率維持在正常水平。另外，由于設(shè)計(jì)需要監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)時(shí)溫度，需加一個(gè)熱敏電阻，根據(jù)電壓與溫度值的關(guān)系曲線圖，通過熱敏電阻的電壓值變化而采集出溫度值的變化情況。

　　2.2 數(shù)據(jù)傳送電路設(shè)計(jì)[3][4]

　　本設(shè)計(jì)采用射頻收發(fā)芯片CC1000作為數(shù)傳芯片。CC1000是根據(jù)Chipcon 公司的SmartRF技術(shù)制造出的可編程高頻單片收發(fā)芯片，主要用于工作頻帶在315、868 及915MHz 的ISM(工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療)方面和SDR(短距離通訊)方面，可在300-1000MHz 范圍內(nèi)通過編程工作。其主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變，這樣使CC1000 使用更方便更靈活。CC1000 芯片含有三條串行數(shù)據(jù)線接口PDATA、PCLK、PALE 用于配置內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)收發(fā)等各種功能控制，能夠與多種單片機(jī)(MSC51、ARM、AVR、PIC 等)直接兼容連接。

　　CC1000 與C8051F023的連接圖如圖3 所示。單片機(jī)使用三個(gè)輸出管腳用于連接CC1000的三串行配置口(PDATA、PCLK、PALE)，以配置CC1000的工作模式，其中PDATA 必須是雙向管腳，用于程序數(shù)據(jù)的輸入輸出。信號(hào)接口由DIO和DCLK組成，在本設(shè)計(jì)中它們分別與單片機(jī)的TXD1和RXD1連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的半雙工式收發(fā)。管腳CHP_OUT用于監(jiān)視頻率鎖定狀態(tài)，當(dāng)CC1000內(nèi)部的PLL鎖定時(shí)，該引腳輸出高電平。另外單片機(jī)可通過A/D轉(zhuǎn)換檢測(cè)RSSI信號(hào)的強(qiáng)度。

　　近端模塊與遠(yuǎn)端模塊之間采用FSK通信，在圖3 中，引腳RF_OUT和RF_IN分別用于發(fā)送FSK_OUT信號(hào)和接收FSK_IN信號(hào)。通信數(shù)據(jù)FSK_OUT由近端模塊中的CC1000發(fā)出，結(jié)合圖2 可知，F(xiàn)SK_OUT信號(hào)通過耦合器耦合到射頻信號(hào)中，經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換進(jìn)入光纖傳輸至遠(yuǎn)端模塊;在遠(yuǎn)端，光信號(hào)被還原為射頻信號(hào)，通過低通濾波得到FSK信號(hào)，此時(shí)稱FSK_IN信號(hào)，該信號(hào)被遠(yuǎn)端模塊的CC1000接收。遠(yuǎn)端模塊發(fā)送給近端模塊的數(shù)據(jù)依據(jù)同樣的原理傳輸。模塊之間的FSK通信大大提高了對(duì)光模塊的監(jiān)測(cè)和控制能力。

　　C8051F023有兩個(gè)UART接口，在本設(shè)計(jì)中UART0與上位機(jī)通信，UART1則用于與CC1000的數(shù)據(jù)傳輸。