无线激光传输系统收发电路的设计与实现.pdf

2024 年第 4 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家自然科学基金青年项目(52105594);国家自然科学基金创新研究团队项目(51821003);山西省重点研发计划(202102030201005);山西省应用基础研究计划青年 项 目(20210302124274);山西省“1331”重点学科建设项目收稿日期:2023-12-08无线激光传输系统收发电路的设计与实现李 谦1,2,庞俊奇1,2,刘瑞康1,2,赵中梁1,2,马宏帅1,2,张 磊1,2,谭秋林1,21.中北大学微纳器件与系统教育部重点实验室;2.省部共建动态测试技术国家重点实验室 摘要:针对航天发动机、涡轮机等旋转部件的温度测量系统中的信号传输问题,以 850 nm 波长的红外光为载体,设计了基于 FPGA 的无线激光通信的数据传输系统。该系统由转子端的光发射模块、定子端的光接收模块、地面可视化设备 3 部分组成。此外,在前置放大电路中引入一个反馈电容,系统的开环增益曲线会增加一个极点做补偿以提升系统的稳定,并进行了仿真验证。在此基础之上,搭建实验系统对电路性能进行测试。通过仿真及实验验证,结果表明:设计的方案可以实现传输速率为40 Mbit/s 的稳定传输,为旋转环境的动态监测技术中的无线数据传输提供了一种可行性方案。关键词:数据传输;无线激光通信;PIN 等效模型;光检测电路;前置放大电路;反馈电容中图分类号:TN929.1 文献标识码:ADesign and Implementation of Transceiver Circuit for WirelessLaser Transmission SystemLI Qian1,2,PANG Junqi1,2,LIU Ruikang1,2,ZHAO Zhongliang1,2,MA Hongshuai1,2,ZHANG Lei1,2,TAN Qiulin1,21.Key Laboratory of Micro/nano Devices and Systems,Ministry of Education,North University of China;2.State Key Laboratory of Dynamic Measurement TechnologyAbstract:Aiming at the problem of signal transmission in the temperature measurement system of rotating components such as aerospace engines and turbines,a data transmission system based on FPGA for wireless laser communication was designed using infrared light of 850 nm wavelength as a carrier.The system consisted of three parts including the optical transmitter module at the rotor end,the optical receiver module at the stator end,and the ground visualization equipment.In addition,a feedback ca-pacitor was introduced into the preamplifier circuit and a pole was added into the open-loop gain curve for compensation to en-hance the stability of the system.On this basis,an experimental system was set up to test the circuit performance.Through simula-tion and experimental verification,the results show that the designed scheme can achieve a stable transmission rate of 40 Mbit/s,which provides a feasible scheme for wireless data transmission in the dynamic monitoring technology of rotating environment.Keywords:data transmission;wireless laser communication;PIN equivalent model;optical detection circuit;preamplifier circuit;feedback capacity0 引言在航空航天领域,发动机转子叶片长期在高旋、高负荷的极端状态下工作,在多种载荷的耦合作用下,叶片极易产生应力疲劳和热疲劳,从而给系统的正常运行造成巨大挑战1-2。因此,高温高旋环境下温度的高精度、实时检测需求不断增加,以确保发动机旋转设备的正常运行3。旋转部件温度测试系统设计重点是信号传输问题,早期的旋转部件实时数据采集系统一般分为接触式和感应式。接触式数据传输一般以集流器实现,但会产生发热和噪声造成测量误差。感应式数据传输通过电磁耦合实现信号传输,但磁芯的截止频率极大限制了数据的传输速率。目前的主流数据传输方案是非接触传输4,其中包括无线电传输5和无线光传输。前者功耗大、容易与其他电路相互干扰、还需安装专门的天线。在一些存在电磁干扰的高速传输场合,无线电数据传输会受到很多限制。而无线光传输体积小、质量轻、传输速率高、保密性强,可利用的带宽大约是无线电的 105倍,因此广泛应用于无线通信领域等方面。近年来,无线光传输技术取得显著成果。2014 年上59 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期海交通大学实现了 OOK 调制下传输速率为 20 Mbit/s 的可见光链路系统。2016 年南京邮电大学设计了一种基于以太网传输的短距离激光语音视频通信系统6。2021 年兰州理工大学设计了一款无线光通信系统的收发电路,传输速率可达 16 Mbit/s7。针对以上问题,本文设计了一种基于 FPGA 的无线光传输技术来解决旋转环境下的高速信号传输问题,介绍了测试系统的硬件组成和软件工作流程,并对放大器性能进行仿真验证,最后搭建测试环境验证系统的可行性和稳定性。1 系统总体方案设计如图 1 所示,无线激光数据传输系统主要由运动部件部分(即转子部分)、定子部分及地面可视化部分组成。其中电源整流滤波模块、数据采集处理模块、FPGA 核心控制模块、信号发射模块位于转子部分。数据采集处理部分由微纳温度传感器、信号调理电路、A/D 转换电路组成,信号发射模块由调制驱动电路、激光器组成。定子部分包括信号接收模块、信号处理电路,信号处理电路负责对信号的整形放大。地面可视化部分通过上位机软件完成高速数据的解析、显示及回放。图 1 无线光传输测试系统整体框图微纳温度传感器完成参数信号的转换后通过电缆送入信号调理电路放大至合适范围,微弱的模拟电压信号经前级电路处理后送入高精度 ADC 转换成数字信号便于传输。光发射模块中的信号调制电路对数字信号进行信源编码和信道编码8,以提升信号带宽和系统的抗干扰能力。已调信号驱动激光发射器发送光信号,经光学信道传输至另一侧光接收模块的光检测器,利用光电效应9将光信号转化为微弱的电流信号。后经前置放大器和主放大器两级放大将小电流放大转换为一定范围内的电压信号,并经过FPGA 解析为数据信号,通过 UDP 网口传输至上位机,还原测量信号后绘制温度变化曲线实时显示旋转部件的待测温度。2 硬件电路设计2.1 供电模块设计电源为系统中各个模块正常运行提供能量,电源质量直接决定了设备性能。本系统供电电压为 12 V,为了得到发射电路及接收电路所需要的 5 V 电压,采用 DC-DC 的方案实现 12 V 至 5.5 V 的降压转换,再经过低压差线性稳压器 LDO 输出稳定的 5 V 电压为子模块供电,以提高能量利用效率并降低电源纹波。经测试此方案可以得到纹波小于 50 mV 的稳定电压。为了提高电路灵敏度和输出信号的动态范围,本系统中的前置放大器和主放大器采用双电源供电,其中的-5 V 电压由稳定的 5 V 电压经稳压逆变器实现。保证了无线通信模块的最佳性能。2.2 核心控制电路设计 核心控制电路采用 XC6SLX9 系列芯片分别对网络接口芯片、AD 芯片和驱动芯片进行参数设置及通信管理。上位机通过 UDP 传输协议向定子侧发送控制信号,定子控制 FPGA 对接收到的信号进行解析并配置数据传输速率和传输模式。转子侧 FPGA 主要用于ADC 的采集控制、数据编码和驱动芯片的偏置电流设置。定子与转子通过无线视距光通信进行数据传输,系统控制电路框图如图 2 所示。图 2 控制电路总体工作框图2.3 光发射模块电路设计2.3.1 激光驱动电路设计光驱动电路是将外部输入的高速信号转化为满足传输协议的驱动信号,提供合适的调制电流和偏置电流驱动激光器发 光。本 设 计 中 的 驱 动 电 路 由MAX3949 芯片及其外围电路控制实现,为光发射模块提供偏置电流和调制电流。该方案可灵活调整输入69 第 4 期李谦等:无线激光传输系统收发电路的设计与实现 均衡、极性、调制和偏置电流。也可通过 DISABLE 引脚禁用内置的偏置电流发生器和调制器。图3 为本方案的驱动电路设计原理。图 3 驱动电路设计原理2.3.2 激光发射电路设计在无线激光传输系统中,光发射端的设计以半导体激光二极管(LD)和发光二极管(LED)为主,LED 适用于近距离、中小容量的系统。LD 通信速率高、能量集中,适用于长距离、大容量的通信系统。通信系统设计大多数用于 193405 nm、405650 nm 及 8081 550 nm 的窗口。光发射器将电流转化成光波以实现电光转换。考虑到大气湍流对光通信产生的影响不容忽视,激光器采用的是中心波长为 850 nm 的 VC-SEL 垂直腔面发射激光器10。具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点。2.4 光接收模块电路设计光接收电路的功能是实现数字信号的光电转换,将光信号转换为高速电信号,由光电探测器、放大电路和控制电路3 部分构成。光发射端发出的光信号经大气信道将信号从旋转部件引出至定子一侧之后,探测器的感光区感应到光信号利用光电效应将光信号转化为电流信号进行下一步处理。光检测器的动态响应特性直接关系到整个通信系统的性能,高速信号的光接收机要求有较小的输入噪声、较高的光电转换效率、较快的响应速度和优异的可靠性。光电检测器主要有 PIN 光电二极管11、APD 雪崩光电二极管12和 MSM(金属-半导体-金属)光检测器133 类。其中 APD 型光探测器利用自身的载流子倍增效应,使相同光功率下能产生更多的光生载流子,因而灵敏度高、响应快,但是噪声较大,电压要求高。MSM 二极管响应速度快、寄生电容小,但是灵敏度较低且有一定暗电流。PIN 型光电二极管是在 PN 结中插入一层非掺杂或轻掺杂的本征半导体材料减小扩散运动的影响,虽然灵敏度一般,但是带宽高、可靠性好且噪声低。考虑到光生信号属于微弱信号,接收机引入的噪声很小否则信号可能会淹没在噪声当中。所以 PIN二极管更适用于高速光接收机,故本方案选用 S12698系列的硅光电二极管实现光-电信号的转换。2.4.1 光电探测电路噪声分析根据微波 S 参数理论14,考虑到 PIN 二极管的寄生参数,建立光电二极管的小信号等效模型如图 4 所示,等效模型由 PIN 二极管自身的寄生参数和封装寄生参数 2 部分构成,Rd为结电阻,Cd为结电容,Ls为馈电电感,Cp为焊盘电容,Rp为焊盘电阻。图 4 PIN 光电二极管高频小信号等效模型对于光检测电路,噪声的来源主要有外部噪声和内部噪声152 种。外部噪声主要由光路传输介质的湍流和系统所受的电磁干扰产生。内部噪声主要是光电检测器件和检测电路的固有噪声,包括电阻和二极管的热噪声、暗电流噪声、1/f 噪声、散粒噪声等16。经过对光电探测器的噪声分析可知,其噪声电流的计算公式如式(1)所示:itotal=if+it+is=4kiff+4kTfR+2eif(1)式中:itotal为探测器输出总噪声电流,A;if为 1/f 噪声电流,A;it为热噪声电流,A;is为散粒噪声电流,A;f为探测器检测带宽,Hz;f 为光调制频率,Hz;i 为流过探测器的电流,A;k为玻尔兹曼常数,k=1.380 65810-23 JK-1;T 为热力学温度,;e 为电子电量,e=1.610-19 C;i 为探测器产生的平均光电流,A;k,均为系数,与探测器本身的性质有关。2.4.2 光放大电路设计放大电路包含前置放大电路和主放大器,前者通过跨阻放大器(TIA)实现微弱电流信号放大转化为易于探测的电压信号,后者由限幅放大器(LA)实现,将预放大的电压信号放大至固定摆幅的电压信号,最后经过一级缓冲器输出信号。光接收放大电路中的噪声主要是由第一级引入的,因此在设计前置放大电路时要注意带宽、增益、平衡性和噪声。综合考虑要有较低的电流噪声和电压噪声、满足跨阻放大倍数和带宽要求。由于前端的寄生电容和跨阻放大器的反馈电阻会在噪声增益的曲线上形成一个零点,引起自激造成运放的不稳定。因79 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期此在本设计中引入一个反馈电容 CF,在开环增益曲线中引入一个极点做补偿,不仅增加了系统的稳定性,还可以消除 TIA 输出的过冲。要达到最宽的 2 阶butter-worth 频响17,CF的取值如式(2)所示:12RFCF=GBP4RFCs(2)式中:GBP 为运算放大器的增益带宽积,Hz;Cs为寄生电容,Cs=CD+CCM+CDIFF,F;CD为前端光电检检测管的寄生电容,F;CCM为共模输入电容,F;CDIFF为差分输入电容,F;RF为反馈电阻,。3 硬件电路性能仿真为了验证上文中提出的光放大方案的可行性,依据上文建立的 PIN 等效模型采用 EDA 仿真软件对TIA 电路的放大性能和信号质量进行仿真分析。在搭建仿真模型时参考上文中提到的光电二极管等效模型,在放大器的输入端施加电流 id替代光电二极管的输出电流。图5 所示引入反馈电容 CF后,虽然系统的带宽略有下降,但幅频特性在增益下降前尖峰问题得到明显改善,系统具有 3.18 GHz 的-3 dB 带宽和 56 dB 的增益。放大后的电压信号 Uo供后级主放大电路使用。图 6 显示了 30 A 输入电流水平下2.5 Gbit/s NRZ 的输出模拟眼图。输入信号的幅值是30 A,上升/下降时间为 10 ps。结果显示:眼睛的垂直开口约为 1.8 mV,眼图完全张开,眼开叉比较小,信号的码间串扰很低,对于信号的传输放大有良好的效果。图 5 放大电路输出幅频特性曲线4 实验测试结果与分析为了验证所设计的无线激光传输系统的性能,搭建的实物测试平台如图 7 所示。实验平台主要由核心控制电路及电源模块、数据发送电路、数据接收电路和上位机构成。核心控制电路及系统电源集成在方形盒装结构里,盒子面板设有图 6 30A 输入信号电流的模拟眼图图 7 无线光传输系统测试图电源按钮、工作状态指示灯、电压电流显示屏,可以实时显示系统状态和工作电流。数据发送侧接收到核心控制电路下发的指令后开始发送数据信号。数据接收电路接收到信号经过一系列放大处理转成差分信号通过 UDP 网口传输至上位机。上位机实时解析数据并显示。测试结果显示:通信系统的传输距离可达 30 cm,通信速率可达 40 Mbit/s,整个系统的功耗为3.24 W。如图 8 所示,示波器上显示的第 1 个波形是发射电路驱动发射器的信号波形,第 2 个波形是接收电路放大整形后的接收波形。输出波形与输入信号波形基本相同,接收信号在频率上也未失真。接收波形与输入信号相比的延迟与光检测器件的响应时间和放大电路的压摆率有关。图 8 传输速率为 40 Mbit/s 时的测试结果图 9 为上位机解析出的数据及实时绘制的帧计数,数据结果显示帧数据的帧头帧尾对齐,没有出现89 第 4 期李谦等:无线激光传输系统收发电路的设计与实现 丢帧,帧计数准确无误,接收的数据没有误码出现,总体稳定性良好。(a)上位机解析帧数据的整体界面(b)上位机解析出的帧数据(c)上位机绘制的帧计数图 9 上位机接收显示的数据5 结束语针对旋转环境下的非接触信号引出问题,本文采用 850 nm 红外激光器和 PIN 光电二极管设计了一种无线激光数据传输系统,包括无线光通信的硬件电路设计、仿真信号放大性能、搭建测试平台验证系统性能。系统在硬件电路和上位机的协调配合下,解决了从旋转恶劣环境下的信号引出问题,具有可靠性高、低功耗的优点。该系统在 30 cm 的传输距离下可实现40 Mbit/s 的非接触数据传输,有功耗低、稳定性好、设计简单等特点,满足动态监测技术中的无线数据传输要求,有广阔的应用场景。参考文献:1 赖小皇,郭道勇,钟明,等.航空发动机旋转件遥测天线研究与实现J.电子器件,2023,46(1):1-9.2 范海峰,杨建锋,李鹏.无线温度测量系统在航天热真空试验中的应用J.国外电子测量技术,2018,37(10):98-102.3 罗清华,彭宇,周鹏太,等.航空飞行试验新一代网络化遥测技术浅析J.仪器仪表学报,2017,38(2):261-270.4 谢棋军,底青云,杨永友,等.旋转导向系统中非接触电能与信号一体化传输技术J.地球物理学报,2023,66(1):101-110.5 于清苹,史治平.5G 信道编码技术研究综述J.无线电通信技术,2018,44(1):1-8.6 费海荣.基于大气激光通信的综合业务通信平台设计与实现D.南京:南京邮电大学,2016.7 王惠琴,马玉昆,蔡红亮,等.无线激光数据通信系统收发电路的设计与实现J.兰州理工大学学报,2021,47(3):91-96.8 傅玉青.可见光通信调光编码研究J.光电子激光,2018,29(5):492-498.9 吴国安,罗林保.近红外光电探测器的发展与应用J.物理,2018,47(3):137-142.10 CUI N,GUAN B L,LI J J,et al.850 nm VCSEL with sub quantum well and p-typeformula omitted-doping in the active layers for improved high-speed and high-temperature performance J.Optics Communications,2023,530:12912811 WANG L M,ZOU X M,LIN J,et al.Perovskite/Black Phos-phorus/MoS2 photogate reversed photodiodes with ultrahigh light on/off ratio and fast response.J.ACS nano,2019,13(4):4804-4813.12 李兵,杨赟秀,李潇,等.APD 阵列及其成像激光雷达系统的研究进展J.激光技术,2023,47(3):310-316.13 莫秋燕,吴家隐.MSM 探测器的研究综述J.黑龙江科技信息,2015(9):65.14 吴丹,梁赫西,沈天浩,等.空间耦合高速光电探测器的等效建模与实现J.电子元件与材料,2021,40(6):572-577.15 李若澜.光电检测电路噪声分析与噪声处理研究J.产业与科技论坛,2016,15(13)43-44.16 舒斌,颜科,仲顺顺.PIN-TIA 光电探测器光电流检测电路的 RLS 去噪J.现代电子技术,2019,42(24):1-4.17 罗兵,刘建圻.2.4GHz 高阶微带滤波器的设计与仿真J.电子器件,2020,43(5):963-967.作者简介:李谦(1999),硕士研究生。从事电路与系统、无线光通信研发。E-mail:18406584933 通信作者:谭秋林(1979),教授,博士生导师,主要从事超常规传感技术及仪器的研究。E-mail:99