基于FPGA的DFB半导体激光器设计【附代码】

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@小白创作中心

基于FPGA的DFB半导体激光器设计【附代码】

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CSDN

https://m.blog.csdn.net/checkpaper/article/details/142265435

为了实现对DFB激光器的线性调频控制，首先设计了一套驱动电路。该驱动电路包括温度控制模块和电流控制模块，两者配合以实现激光器频率的稳定和线性调制。

一、驱动电路设计

温度控制模块

激光器的工作温度对其输出波长有显著影响，因此稳定激光器的温度是确保线性调频的关键。温度控制模块通过精准控制激光器的温度，防止在扫频过程中因温度变化引起的波长漂移。

设计参数：温度调节范围为5-50℃，调节分辨率为0.01℃，以确保激光器温度的精确控制。
实现方式：温度控制模块使用热电制冷器（TEC）与温度传感器配合，通过PID控制算法维持激光器的工作温度稳定。温度传感器实时监测激光器温度，反馈给控制电路，调节TEC的制冷或加热功率，维持设定温度。

电流控制模块

电流控制模块通过调制电流来调节DFB激光器的输出频率，实现线性调频功能。

调制增益：设计中调制增益设定为80 mA/V，意味着外部调制信号每增加1V，激光器驱动电流增加80 mA。
最大调制频率：电流控制模块最大调制频率设定为10 MHz，满足高频率调制需求。
实现方式：通过高速运算放大器和精密电阻构建电流调制电路，放大外部调制信号，使其直接调制激光器的驱动电流。调制信号经过预失真校正后送入驱动电路，以实现精确的线性调频。

二、基于FPGA的预失真校正算法

DFB激光器的频率调制过程中存在非线性，为了获得线性调频输出，需要对调制信号进行预失真校正。本文研究了基于FPGA的预失真校正算法，采用迭代预失真控制技术对激光器频率调制的非线性进行校正。

预失真校正原理

预失真校正通过在调制信号中引入与激光器非线性相反的失真，使得激光器的输出频率呈现出线性变化。

迭代预失真：使用迭代算法调整预失真函数，使激光器的实际输出频率与期望的线性频率尽可能吻合。通过多次迭代不断优化预失真函数，降低激光器的频率调制非线性。
硬件实现：在FPGA中实现预失真校正算法，利用FPGA的高并行性和实时处理能力，快速完成校正计算。

Verilog和C语言结合设计

预失真校正算法采用Verilog和C语言结合的方式设计：

Verilog部分：使用Verilog HDL编写自定义IP核，构建预失真校正的外围电路模块，如调制信号生成、数据存储和控制信号产生模块。利用Verilog对这些模块进行优化，以实现高速数据处理和实时校正。
C语言部分：编写C代码用于FPGA的嵌入式处理器（如Zynq中的ARM核），完成对Verilog模块的调度和控制。C代码负责实现迭代处理逻辑，通过调用不同算法模块进行预失真校正参数的计算和更新。

校正过程

校正过程包括以下步骤：

初始参数设定：根据激光器的特性设置初始预失真参数。
调制信号生成：通过FPGA产生预失真调制信号，送入激光器驱动电路。
频率测量与反馈：实时测量激光器的输出频率，将其与期望的线性频率进行比较。
迭代优化：根据测量结果，调整预失真参数，重复迭代，直至非线性误差满足要求。

三、DFB激光器调频非线性校正实验系统

为了验证预失真校正算法的效果，设计了DFB激光器调频非线性校正实验系统，并对其进行实验和应用研究。

实验系统搭建

实验系统由DFB激光器、驱动电路、FPGA开发板、频率测量设备等组成。通过FPGA生成预失真调制信号，控制DFB激光器的调制，实现对激光器频率调制非线性的校正。

实验结果

在实验中，将扫描频率设定为5 kHz，调制带宽达到19.91 GHz。通过预失真校正后，非线性度由未校正前的0.324%降低至0.059%，调频非线性得到了明显抑制。

校正效果：校正后激光器的输出频率具有更好的线性度，提高了激光器在测量和通信中的性能。
应用研究：基于校正后的激光器设计了激光雷达测距系统，在30米的测距范围内，最大测量误差仅为0.868米，表明校正后的激光器具有较高的测距精度。

预失真校正Verilog代码实现

module predistortion_correction (
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire [11:0] input_signal,       // 输入调制信号
    output reg [11:0] corrected_signal    // 校正后的输出信号
);
    // 预失真参数
    reg [11:0] predistortion_table [0:255];  // 预失真查找表
    reg [7:0] index;
    reg [11:0] correction_factor;
    // 初始化预失真查找表
    initial begin
        $readmemh("predistortion_table.hex", predistortion_table);
    end
    // 预失真校正过程
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            corrected_signal <= 12'd0;
        end else begin
            // 查找预失真校正因子
            index <= input_signal[11:4];  // 取输入信号的高8位作为索引
            correction_factor <= predistortion_table[index];
            
            // 生成校正后的信号
            corrected_signal <= input_signal + correction_factor;
        end
    end
endmodule