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基于FPGA和ARM的动态色散补偿模块控制电路的设计与实现

2020-12-16阅读(561)

基于FPGA和ARM的动态色散补偿模块控制电路的设计与实现

论文摘要

光纤通信系统中的光纤所传播的光信号一般含有许多不同的频率成分,也就是说光信号具有一定的频谱宽度,另外,在多模光纤中,光信号的每一个频率成分还可能由若干个模式叠加而成。由于不同频率成分和不同模式分量的光信号在光纤中的传播速度不同,造成了信号在传播一定距离后产生失真,这种现象被称作光的色散或者弥散。色散的存在直接导致了光信号在传播过程中的码间干扰的产生,这在一定程度上限制了光纤的带宽,也限制了光纤的信息容量。随着10GDWDM光通信系统的普及和40G DWDM技术的逐步推广与商用,色散已经逐渐成为制约通信速率进一步提高的重要因素。因此,为了提高系统性能,越来越多的DWDM系统开始引入色散补偿和管理技术,有的系统还采用了动态色散补偿技术,极大地提高了系统性能。但是现有的几种色散补偿技术普遍存在着结构复杂、可靠性差和成本高等问题。针对以上问题,本文介绍了一种低成本、高性能、能够实现快速精确色散补偿控制的动态色散补偿模块,并重点为其设计和实现了高性能的驱动电路。该动态可调色散补偿模块是基于G-T（Gires-Tournois） ETALON技术实现的。模块的光学部分是通过级联多个基于G-T标准具干涉技术制成的ETAOLN器件实现的,由于ETALON器件对于不同波长表现出的色散曲线随着温度变化而呈现有规律的偏移,可以利用它的这一特性对通过它的光信号进行色散补偿。鉴于单个ETALON器件的色散曲线相对于工作波长呈现出非线性特征,本文介绍的模块采用了多只ETALON器件通过级联来实现。每只ETALON器件内部设计了单独的加热部件,可对其进行温度控制,使其满足特定的色散曲线,这就可以根据器件色散温度特性精确计算出每只器件的工作温度,使模块中级联的ETALON器件组工作在特定的温度组合下,从而使各ETALON器件的色散曲线相互叠加拟合产生相对工作波长的近似线性的色散曲线。通过改变不同的工作温度组合可以使模块工作在不同斜率的色散曲线下,从而实现了色散可调的目的。为了实现快速动态的色散补偿,本文介绍了基于FPGA和ARM芯片设计的高性能的多路精确温度控制电路,实现了模块对光纤色散的精确和快速动态补偿。本文的工作重点放在色散补偿模块驱动电路的设计和实现上,其设计的驱动电路主要由两部分组成：ARM作为主控芯片主要负责控制FPGA的运行状态和与上位机的通信,并进行命令解析和处理；FPGA内部配置NIOS软核处理器和16路18位PWM模块,NIOS处理器控制多路模拟开关和24位ADC芯片以轮询的方式对模块内部16路ETALON器件进行温度采集,并通过PID算法闭环控制16路PWM波形的产生,对各ETALON器件进行精确的温度控制。实验验证结果表明,本文设计的驱动电路对各器件的温控稳定度优于±0.01℃,而且在相邻色散点切换时,调节时间小于2秒,各项指标均满足设计要求。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题提出的背景
  • 1.2 光纤动态色散补偿技术的发展现状
  • 1.3 主要研究内容和特色
  • 1.4 本章小结
  • 第2章 驱动电路总体方案设计
  • 2.1 动态色散补偿模块结构和原理介绍
  • 2.2 动态色散补偿模块驱动电路功能与需求分析
  • 2.3 电路整体设计方案
  • 2.4 硬件设计方案
  • 2.4.1 控制器以及主要芯片的选择
  • 2.4.2 驱动电路的硬件构成
  • 2.5 软件设计方案
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 驱动电路的硬件设计
  • 3.1 主机控制器部分电路设计
  • 3.1.1 主控制器介绍
  • 3.1.2 主控制器部分电路设计
  • 3.2 从机控制器部分电路设计
  • 3.2.1 从机控制器介绍
  • 3.2.2 从机控制器部分电路设计
  • 3.3 外部接口和主、从机下载配置接口电路设计
  • 3.4 时钟系统电路设计
  • 3.5 电源系统电路设计
  • 3.6 环境温度传感器电路设计
  • 3.7 色散温度数据表存储电路设计
  • 3.8 光器件温度采集电路设计
  • 3.9 光器件加热驱动电路设计
  • 3.10 从机NIOS Ⅱ处理器的配置
  • 3.11 从机PWM模块的配置
  • 3.12 硬件电路板的设计
  • 3.13 本章小结
  • 第4章 驱动电路软件系统设计
  • 4.1 相关知识介绍
  • 4.1.1 IAR EWARM软件简介
  • 4.1.2 基于环形缓冲区的串口通信程序开发
  • 4.1.3 基于NIOS Ⅱ IDE的程序设计
  • 4.1.4 数字增量式PID控制技术
  • 4.2 主机部分软件设计
  • 4.3 从机部分软件设计
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 实验结论与展望
  • 5.1 实验结论
  • 5.1.1 电路板的控温稳定度测试
  • 5.1.2 模块的各项参数测试
  • 5.2 展望
  • 参考资料
  • 致谢
  • 作者简介
  • 学位论文评阅及答辩情况表

    • 相关论文文献

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