空间分集光通信的信标光切换设计

摘要：为了解决空间分集激光通信中信标光同步快速切换的问题，提出一种使用FPGA实现阵列信标光同步转换设计，解决了基于分集激光通信中多路信标光同步快速切换的问题。在此使用卡诺图编程方式，生成电机驱动时序，通过原理图编程方式设计多路粗精信标切换电路。实验结果表明，该方法实现了分集激光通信中多光路的协同工作，并有效地简化了传统信标光切换复杂的系统结构。
关键词：信标光切换；分集技术；大气激光光通信；FPGA

0 引言
    大气激光通信作为一种新型的通信手段，其具有速率高、抗干扰和保密性强等特点，世界各国都将其作为未来无线通信发展的一个重要研究方向。在光通信中，捕获、跟踪与瞄准是建立通信链路必不可少的组成部分，其中为了能够快速捕获到信标光，要求首先使用粗信标光(光束发散角较大)进行粗定位，定位后再使用精信标光锁定通信光的准确位置。目前，激光通信通常使用两套独立的信标光系统(分别是粗信标光学系统和精信标光学系统)用于捕获、跟踪和瞄准，两套系统使用同一的准直光学天线发射。这种方法使激光的捕获、跟踪与瞄准成本与器件数量增加，系统稳定性下降。对于抑制大气湍流对激光通信的影响方面，分集光通信技术被广泛使用，然而分集光通信由于其多输入／多输出的特点，使信标光切换成为捕获、跟踪和瞄准的关键技术。利用分集通信手段可以有效降低系统的误码率，提高信道容错能力，降低大气湍流对光束的影响。本文基于分集技术设计多路信标光同步切换电路，实现了原本多套激光器实现的功能，同时保证多光束能够同步切换。这里提出使用步进电机推动聚焦透镜压缩粗信标光发散角，实现粗信标光到精信标光转换的目的。为实现分集光通信，设计了4路同步信标光切换系统，用于激光通信发射分集。试验证明该系统具有通用性强、可扩展好和可靠性高的特点。

1 系统结构
    系统结构如图1所示，处理器使用Xilinx公司生产的Spartan3e系列XC3S500E，其片内包含：

    (1)片内集成10 476个逻辑单元(Logic Cell)；
    (2)2个专用乘法器；
    (3)20个RAM块共360 Kb，72 Kb分布式RAM；
    (4)4个DCM(数字时钟管理单元)；
    (5)多达232个用户可配置I／O口，最多92个差分I／O对。
    配置芯片选择Xilinx 4 Mb Platform FLASH配置芯片XCF04。
1．2 电机驱动
    步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下，电机的转速取决于驱动脉冲信号的频率和脉冲数。本文使用FPGA控制4个步进电机同步运动，电机驱动采用4拍驱动方式。

    驱动时序关系如表1所示。其中：step0～step3用于为电机提供驱动脉冲；reversal用于控制电机转动方向。

2 软件设计
    本文使用Xilinx公司提供的开发编译环境ISE设计驱动程序。首先使用卡诺图编程方式设计电机转动时序关系，卡诺图结构如图2所示。卡诺图共分为5个步骤：状态START用于上电复位；模块输出端STATE0～STATE3用于产生控制驱动电机的时序脉冲；模块输入端reversal用于控制电机正转与反转。当reversal置位时，STATE运行方向是STATEO→STATE3→STATE2→STATE1→STATE0；当reversal置零时，STAE运行方向是STATE0→STAE1→STAE2→STATE3→STATE0。

    模块共有3个输入端、4个输出端，分别是clk，RESET，reversal，step0～step3。输入clk用于控制转速，输入REST用于复位，输入reversal用于控制电机反转，输出step[3：0]用于提供驱动步进电机的时序。在编译环境ISE中使用该模块并重复调用3次，得到如图3电路结构。其中输入管脚有系统同步时钟clk，系统复位REST，转换开关reversal，4组输出管脚motorl_step[3：0]～motor4_step[3：0]用于控制4个独立的步进电机。

3 仿真结果
    系统设计仿真结果如图4所示。从时序图中可以看出，使用卡诺图生成模块能够准确的实现要求时序的控制，电机转速由时钟输入端控制，使用reversal控制端控制电机反转。本文使用卡诺图编程方式设计FPGA程序，系统设计难度大大降低，工程技术人员能够通过该方法使用FPGA设计所需电路。

4 结论
    本文解决了在分集技术光通信中使用多光束粗捕获与精瞄准光束发散角同步切换的问题。其中电机驱动时序由FPGA并行控制，系统时钟完全同步，并设计反转输入接口，整体驱动电路集成在一片FPGA之上，使系统结构简单，扩展性强。