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。