一种嵌入式射频光传输模块实现方案

1.引言

　　光纤直放站主要由光近端机、光纤、光远端机几个部分组成。光近端机和光远端机都包括射频单元和光单元。信号的传输分下行链路和上行链路。在下行链路中，光近端机接收来自基站的无线信号，通过电光转换，电信号转变为光信号，从光近端机输入至光纤，经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入射频单元进行放大，信号经过放大后送入远端天线发送出去，覆盖目标区域。上行链路的工作原理与下行链路类似，手机发射的信号通过远端天线至光远端机，再到近端机，回到基站。光纤直放站近端机的定向天线收到基站的下行信号(以GSM信号为例，频段为935MHz-960M Hz)送至近端主机，放大后送到光端机内进行电/光转换，产生波长为1550nm的光信号。因为光纤中传输有波长为1310nm的上行光信号，所以下行的1550nm的光信号要通过光波分复用器耦合到光纤中，最后经光纤传到远端机;远端光波分复用器将1550nm和1310nm波长的光信号分开后，让1550nm波长的光信号输入光端机进行光/电转换，还原成下行射频信号，再经远端主机内部功放放大，由全向天线发射出去送给移动台。移动台的上行信号(频段为890MHz-915M Hz)逆向送到基站，这样就完成了基站与移动台的信号联系，建立通话。其原理如图1 所示。

　　由于光纤直放站系统使用的特点，其安装调试工作麻烦，维护工作开销巨大。为了增加系统的可靠性并降低系统安装调试的复杂性，越来越多的直放站生产商都要求光模块具有智能化功能，以实现对直放站的实时监控，从而方便工作人员的调试、维护和管理。本文讨论了在传统光模块基础上通过增加嵌入式单元，以实现光模块的智能化。

　　2.系统硬件设计

　　2.1 监控电路设计

　　监控电路是光模块实现智能化的核心部分，图2 是本设计中光模块的监控系统框图。该部分完成各监控量的采集、控制等工作。本设计采用C8051F023型单片机实现对光模块的嵌入式控制，C8051F023内部集成了一个8位8输入的ADC、一个10位8输入的ADC和两个12位DAC，非常方便对参数的采集和对压控器件的控制[1][2]。

　　在射频信号的输入和输出端，功率检测电路将耦合进来的射频能量进行放大，并实现功率/电压转换，再对产生的电压信号进行A/D转换，在程序中采用查找表的方法，即能得到输入/输出的功率值。C8051F023根据检测到的功率值，调整链路中的衰减值。在射频信号输入端，单片机通过D/A转换，控制压控衰减器;而在输出端，则通过程控衰减器控制信号增益。偏置电路为激光器(LD)的工作提供合适的驱动电流。单片机通过A/D转换采集到激光器的偏置电压，在程序中光功率与电压同样采用查找表的方法直接转换，而偏置电流则通过电压与电流的线性关系转换得到。当某些因素导致激光器驱动电流过大或过小时，单片机通过改变D/A输出电压，来调整偏置电路的输出电流，使激光器的发光功率维持在正常水平。另外，由于设计需要监测模块的实时温度，需加一个热敏电阻，根据电压与温度值的关系曲线图，通过热敏电阻的电压值变化而采集出温度值的变化情况。

　　2.2 数据传送电路设计[3][4]

　　本设计采用射频收发芯片CC1000作为数传芯片。CC1000是根据Chipcon 公司的SmartRF技术制造出的可编程高频单片收发芯片，主要用于工作频带在315、868 及915MHz 的ISM(工业、科学及医疗)方面和SDR(短距离通讯)方面，可在300-1000MHz 范围内通过编程工作。其主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，这样使CC1000 使用更方便更灵活。CC1000 芯片含有三条串行数据线接口PDATA、PCLK、PALE 用于配置内部寄存器实现收发等各种功能控制，能够与多种单片机(MSC51、ARM、AVR、PIC 等)直接兼容连接。

　　CC1000 与C8051F023的连接图如图3 所示。单片机使用三个输出管脚用于连接CC1000的三串行配置口(PDATA、PCLK、PALE)，以配置CC1000的工作模式，其中PDATA 必须是双向管脚，用于程序数据的输入输出。信号接口由DIO和DCLK组成，在本设计中它们分别与单片机的TXD1和RXD1连接，实现数据的半双工式收发。管脚CHP_OUT用于监视频率锁定状态，当CC1000内部的PLL锁定时，该引脚输出高电平。另外单片机可通过A/D转换检测RSSI信号的强度。

　　近端模块与远端模块之间采用FSK通信，在图3 中，引脚RF_OUT和RF_IN分别用于发送FSK_OUT信号和接收FSK_IN信号。通信数据FSK_OUT由近端模块中的CC1000发出，结合图2 可知，FSK_OUT信号通过耦合器耦合到射频信号中，经过光/电转换进入光纤传输至远端模块;在远端，光信号被还原为射频信号，通过低通滤波得到FSK信号，此时称FSK_IN信号，该信号被远端模块的CC1000接收。远端模块发送给近端模块的数据依据同样的原理传输。模块之间的FSK通信大大提高了对光模块的监测和控制能力。

　　C8051F023有两个UART接口，在本设计中UART0与上位机通信，UART1则用于与CC1000的数据传输。