光纤数字发送及接收系统设计.docx

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光纤数字发送及接收系统设计

光纤数字发送及接收系统设计

光纤数字发送及接收系统设计三亚学院本科毕业论文三亚学院本科生毕业论文（设计）论文（设计）题目：

光纤数字发送及接收系统设计学院：

理工学院专业（方向）：

通信工程年级、班级：

0802学生学号：

0810730117学生姓名：

祝恒飞指导老师：

曹德明2012年5月18日21独创性申明及授权书本人所呈交的毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的成果。

除特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。

本论文如有剽窃他人研究成果及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。

本人的毕业论文（设计）中所有研究成果的知识产权属三亚学院所有。

本人保证：

发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为三亚学院，无论何时何地，未经学院许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术或成果。

学院有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅或借阅；学院可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他手段复制保存本论文。

加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用。

论文作者签名：

日期：

年月日摘要近年来信息化建设迅猛发展，人们对于数据、语音、图像等多媒体通信的需求日益旺盛，这大大加快了光纤通信的发展。

由于传统以太网在传输距离和覆盖范围方面已不再满足需要，同时光纤通信具有传输距离长、信息容量大、保密性好等优点，因此光纤通信对于信息化建设具有重要意义。

光纤通信技术作为一种广泛应用的信号传输技术从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。

信息源把用户信息转换为原始电信号，这种信号称为基带信号。

电发射机把基带信号转换为适合信道传输的信号，这个转换如果需要调制，则其输出信号称为已调信号，然后把这个已调信号输入光发射机转换为光信号，光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号，电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。

本课题研究的主要任务是设计一套模拟信号的数字光纤传输和接收系统，实现一路模拟信号的数字传输。

采用时分复用方式对模/数转换后的多路数字信号进行传输，同时考虑接收部分的同步问题，接收端对接收到的信号解时分复用。

系统主要采用专用的编解码芯片运用时分复用技术实现多路数据传输，依靠同步标志实现系统的同步功能。

本文将对光收发模块、编译码原理及实现等进行研究实现。

关键字：

光纤传输时分复用AD转换模块光电模块AbstractTherapiddevelopmentofinformationconstructioninrecentyears,thedemandfordata,voice,imageandmultimediacommunicationsisgrowing.Thisgreatlyacceleratedthedevelopmentofopticalfibercommunication.AsthetraditionalEthernettransmissiondistanceandcoverageisnolongermeettheneed,Fiber-opticcommunicationslongdistancetransmissioncapacityofinformation.Opticalfibercommunicationhasanimportantsignificancefortheconstructionofinformationtechnology.Opticalfibercommunicationtechnologyisstandingoutfromtheopticaltechnologyasawidelyused,ithasbecomethemainpillarsofmoderncommunications,soitplaysanimportantroleinmoderntelecommunicationsnetworks.Thesourcesofinformationtotheuserisconvertedtotheoriginalsignal,thissignaliscalledthebasebandsignal.Powertransmitterbasebandsignalisconvertedintoasignalsuitablefortransmissionofthechannel,itneedsmodulation,itsoutputsignaliscalledmodulatedsignal.Thenthemodulatedsignalinputopticaltransmitterforopticalsignal,theopticalcarrieristransmittedthroughfiber-opticlinestothereceiving,thenconvertopticalsignalsintoelectricalsignalsbytheopticalreceiver.Thefunctionoftheelectricalreceiverandthepowertransmitterarecontrary,ithelpsthereceivedsignaltoconverttothebasebandsignal.Finally,informationonplacestorestoretheuserinformation.Themaintaskofthisresearchistodesignasetofanalogsignalstodigitalfiberoptictransmissionandreceivingsystems,digitaltransmissionofananalogsignal.Time-divisionmultiplexingwaystotransmitmulti-channeldigitalsignalaftertheA/Dconverter,accountthesynchronizationofthereceivingpart,thereceivingendthereceivedsignalsolutionoftime-divisionmultiplexing.Thesystemmainlyusesaspecialcodecchipmulti-channeldatatransmissionusingtimedivisionmultiplexingtechnology,relyingonthesynchronizationsystemfunctions.Thispaperwillopticaltransceivermodule,decodingprinciplesandachieveresearchtoachieve.【KeyWords】OpticalTransmission;Timemultiplex;ADConversionmodulePhotoelectricmodule目录1绪论11.1课题研究背景与意义11.2光纤通信的发展及现状11.3课题研究的主要内容及总体结构31.3.1课题研究的主要内容31.3.2课题研究的总体结构32光纤线路编码42.1对线路编码的要求42.2线路码型42.3多路复用技术52.4接口电路52.5同步技术63光纤数字发送机与接收机整体方案设计83.1光发射机设计83.2光接收机设计94各模块的设计124.1A/D574A转换模块设计124.2D/A转换模块设计124.3编/译码模块设计134.4光/电、电/光转换模块设计154.4.1光收发一体模块定义154.4.2光纤连接器的分类和主要规格参数164.4.3光模块主要参数164.4.4光收发模块主要电路设计165总结与展望18参考文献19致谢20附录211A/D转换模块电路212D/A转换模块电路21三亚学院本科毕业论文光纤数字发送及接收系统设计1绪论1.1课题研究背景与意义通信就是各种信息的转移或传递。

通常的做法是将要传递的信息设法加载到某种载体上，然后再将此调制的载体传送到目的地，将信息从载体中解调出来。

在通信系统中，发送信息端称为信源，接收端称为信宿，信源的信号经过调制后通过某种介质发送到信宿端，在信宿端将接收到的信号解调以实现信号的回复，从而完成信号的传输。

而光纤通信是指利用光导纤维传输光波信号的一种通信方式。

数字光纤通信系统由三大部分组成：

光发送机，光缆和光接收机。

光纤通信技术是一种广泛应用的信号传输技术，所以对于该技术的研究也在不断发展。

随着通信技术的发展，所需要传输的信息量大量增多，需要传输的信号种类也在增加，信号的传输要求增多，传输距离也在变长，在高压脉冲大电流放电的环境下无失真的传输数据，首先，要对整个系统进行抗干扰研究，保证信号在没有干扰的情况下进入传输过程。

其次，在传输过程中，选取的介质要抗强电磁干扰，而光纤在抗电磁干扰方面显然要优于金属传输介质。

诸多军事科研项目实验和产品应用是在高压脉冲大电流脉冲情况下，环境比较恶劣，传统电缆等信号传输途径难以在此类环境中正常工作。

电缆通信和微波通信的载体是电波，光纤通信的载体是光波。

虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大[1]。

光纤通信与传统的电缆比较具有的优点如下：

1、允许的频带很宽，传输容量很大。

2、损耗很小，中继距离很长且误码率很小。

3、重量轻、体积小。

4、良好的抗电磁干扰性能。

5、光纤之间的串扰小，信号传输质量高。

1.2光纤通信的发展及现状光纤通信是近30年迅猛发展起来的高新技术，从一开始就显示出无与伦比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注并得到了迅速的发展。

自70年代以来，光纤通信技术不仅在电信等领域得到了广泛的应用，且因其独特的频带极宽和通信容量大、衰减小等优点，使得光纤通信技术至今已发展为举世瞩目的独立新兴产业，给通信技术乃至国民经济、国防事业也人民生活带来了巨大的变革。

1、波分复用技术波分复用技术可以利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率或波长不同将光纤的低损耗窗口划分为若干个信道，把光波作为信号的载体，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同的规定波长的信号光载波合并起来并入1根光纤进行传输。

在接收端，再用1个波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。

2、光纤接入技术光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。

实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息进入千家万户的关键技术。

3、超大容量、超长距离传输技术对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，而全光网络也是人们不懈追求的梦想。

波分复用技术极大的提高了光纤传输系统的传输容量，在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。

今年来波分复用系统发展迅猛，同时全光传输距离也在大幅扩展。

提高传输容量的另一途径是采用光时复用技术。

4、光孤子通信光孤子是一种特殊的超短光脉冲，由于它在光线的反常色散区，群速度色散和非线性效应相互平衡，因而经过光纤长距离传输后，光波和速度都保持不变。

光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信，在零误码率情况下信息可传递达万里之遥。

5、全光网络未来的高速通信网络将是全光网。

全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。

传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络节点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题[2]。

1.3课题研究的主要内容及总体结构1.3.1课题研究的主要内容本课题研究的主要任务是设计模拟信号数字光纤传输和接收系统。

实现一路模拟信号的数字传输。

采用时分复用方式对模/数转换后的多路数字信号进行传输，同时考虑接收部分的同步问题，接收端对接收到的信号解时分复用。

系统主要采用专用的编解码芯片运用时分复用技术实现多路数据传输，依靠同步标志实现系统的同步功能。

本文将对光收发模块、编译码原理及实现等进行研究实现[3]。

1.3.2课题研究的总体结构根据课题的研究内容，可画出整个系统的结构框图，如图1-1。

图1-1系统的总体框图2光纤线路编码2.1对线路编码的要求在光纤数字通信系统中，一般不直接传输PCM电端机传送过来的接口码，而要经过一定的码型转换，使之成为适合光纤数字通信传输要求的线路码。

对光纤数字通信系统采用的线路码有以下几点要求：

1、能限制信号带宽，减小功率谱中的高、低频分量；2、能给接收端提供足够的定时信息；3、能对光端机和光中继进行不中断业务的误码检测；4、能提供传输一定数量的辅助信号和区间通信信道[4]。

2.2线路码型将输入的原始码流进行分组，每组有8个二进制码，记为8B码，称为一个码字，经过这样的分组，共有28=256个码字，变换为10个二进制码，记为10B码，共有210=1024个码字。

为简化对它们的处理，开发了一种8B/10B编码的简写符号：

1．D分组，用于数据字节编码。

2．K分组，用于特殊控制符号编码。

下图描述了数据字节（8B）到代码字（10B）的映射。

发送和接收时第0位在先，第9位最后。

8位的数据字节用ABCDEFGH表示（从最低位到最高位）。

编码器将这8位数码变换为10位码，用abcdeifghj表示。

代码字分为两个子分组，一组包括6个代码位（abcdei），另一组包括4个代码位（fghj）。

一个给定的代码用简写形式Dx.y（数据编码）或Kx.y（特殊编码）表示，其中x是EDCBA的十进制（E是最高有效位），y是HGF的十进制（H是最高有效位）。

图2-18B10码变换图2.3多路复用技术为了提高传输煤质的利用率，降低成本，提高有效性，提出了复用问题。

所谓多路复用，是指在数据传输系统中，允许两个或两个以上的数据资源共享一个公共传输介质，就像每个数据源都有它自己的信道一样。

所以，多路复用是一种将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条公共信道上传输的复合信号的方法。

在数字光纤通信系统中采用时分多路复用技术[5]。

时分多路复用技术（TMD）把许多输入信号结合起来，并一起传送出去。

TDM是在时间上进行分割（频率上重合），各路信号占用不同的时间段，形成一帧数据进行传输，以实现多路传输。

TDM保持了信号物理上的独立性，而从逻辑上把它们结合在一起。

因此，TDM技术多用于数字信号。

在TDM技术中，发送端发送有用信号同时还要发送一标志码（称为帧同步码）以表示数据传输的开始。

把标志码与数据码轮流发送一次构成的码流称为帧。

在接收端就可以根据接收到的帧同步信号判断帧的始末，从而使收、发两端信号一一对应。

这在时分多路复用中称为帧同步（帧定位）。

否则，在接收端不能确定发送端的首尾，因而收、发两端用户在时间上不能一一对应地实现正常通信。

当然，要实现帧同步首先要应使收、发两端的时钟频率一致，即时钟同步（位同步）。

因为只要这样，才能把数据码流一个一个正确地接收下来[6]。

2-2时分复用图2.4接口电路差分电压就是用两个物理量的差异来表示一个数值的电压信号。

其中有两个电压量（V+和V-），当V+大于V-时，表示正极性电压；当V+小于V-时，表示负极性电压。

在高速的传输系统中一般采用ECL（射极耦合逻辑）来实现数据信号的传递，ECL电路专门为高速低噪声数字系统的应用要求设计的，采用ECL电路具有以下独特的优点：

1.速度快2.逻辑功能强3.负载能力强4.噪声低5.便于数据传输[7]。

当然，ECL电路也存在其弱点，最大的弱点就是其静态的直流功耗大，从某种意义上来说，ECL电路是以牺牲功耗来换取速度的。

PECL耦合分为直流耦合和交流耦合，然而交流耦合功耗太大且电路设计复杂，我们的系统中采用PECL直流耦合，采用了并行端接技术以便电路正常工作。

戴维南并行端接技术实现传输线阻抗的匹配，这样接收端就能获取比较好的信号质量，同时该端接电路也为PECL电平能够正常地切换提供了合适的偏置电压。

需要说明的是，PECL电路也能工作在单端连接的方式，这时源端和负载端的同相信号直接相连，连接端反向输入连接必要的下拉电阻为电路的正常工作提供参考电平，源端同样必须采用戴维南并行端接电路提供相应的偏压。

2.5同步技术数字通信的特点之一是通过时间分割来实现多路复用，即时分多路复用。

在通信过程中，信号的处理和传输都是在规定的时隙内进行的。

为了使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、发双方必须有一个统一的时间标准，这个时间标准就是靠定时系统去完成收、发双方时间的一致性，即同步。

同步系统性能的好坏将直接影响到通信质量的好坏，甚至会影响到通信能否正常进行。

同步系统就像数字通信设备和系统的神经中枢一样，是保证通信系统正常工作的前提。

在这里，我们主要介绍位同步和帧同步。

位同步又称码元同步，或比特同步。

不管是基带传输，还是频带传输，都需要位同步。

因为在数字通信系统中，消息是由一连串码元序列传递的，这些码元通常都具有相同的持续时间。

由于传输信道的不理想，以一定速率传输到接收端的数字信号，必然是混有噪声和干扰的失真的波形。

为了从波形中恢复出原始的基带数字信号，就要对它进行取样判决。

因此，要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个码元定时序列的重复频率和相位（位置）要与接收码元一致，这样才能保证：

1.接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同。

2.取样判决时刻对准最佳取样判决位置。

这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。

通常，我们把位同步脉冲与接收码元的重复频率和相位的一致称为同步或码元同步，而把同步脉冲的取得称为位同步提取[8]。

帧同步也称为群同步。

对于数字信号传输来说，数字信号是按照一定的数据格式传送的，一定数目的信息码元组成一“字”，若干“字”组成一“局”，若干“句”构成一帧，从而形成帧的数字信号序列。

接收端要正确地恢复消息，就必须识别句或帧的起始时刻。

在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。

在接收端为了正确的分离各路信号，必须识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置，即接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号，称获得这些定时序列为帧（或群）同步。

帧同步的任务就是在位同步的基础上识别出数字信息群（字、句、帧）的起始时刻，使接收设备的帧定时与接收到的信号中的帧处于同步状态。

换句话说，帧同步就是确定每帧的起始时刻，确定了这个时刻，就可以根据预订的帧结构来确定帧的长度和其中字、句的位置了。

插入特殊码组实现帧同步的方法有两种，即集中式插入法和间隔式插入法。

集中式插入法又称为连贯式插入法。

这种方法就是将帧同步以集中的形式插入在一帧的开始，此方法的关键是要找出作为帧同步码元组的特殊码组。

这个特殊码组一方面在信息码元序列中不易出现以便于识别，另一方面识别器也要尽量简单[9]。

图2-3间隔式插入群同步方式3光纤数字发送机与接收机整体方案设计3.1光发射机设计在数字光纤通信系统中，光发射机的方框图如图3-1所示，主要又发射机和电路两部分组成，而电路部分又分为调制电路、控制电路和线路编码电路。

光源是实现光电转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能，电路部分的设计应以光源为依据。

调制电路使输出光信号准确反映输入光信号，线路编码电路使输出的光线好适合于光信道传输，同时控制电路能够保证光源可靠稳定地工作。

图3-1数字光发射机方框图光发射机是数字光纤通信系统中的三大组成不封（光发送机、光纤电缆和光接收机）之一。

其功能是将电脉冲信号转变为光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去[10]。

在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是光源载波，通过调制，使其载荷信息，一般采用直接强度调制的方式。

光发射机原理方框图见图3.3.2，主要有整形码或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源组成。

图中的其他部分电路是结合光源器件的应用特性而采取的相应的补偿措施。

光源——在光纤通信系统中，作为产生光信号的光源一般为半导体二极管。

目前，通信系统中常用的半导体发光器件是半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。

光源驱动——光源驱动电路是光发送机的主要干电路，它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式调制半导体激光器或发光二极管发射出光脉冲信号。

驱动器的作用是对光源提供驱动电流，它的性能应与半导体激光器或发光二极管的特性相匹配。

半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，因此可以将LD或LED接在三极管的集电极电路中，用三极管的集电极电流驱动电源，使之发光。

辅助电路——在实用发送机中，为保证有稳定可靠的输出功率，以及实用、维护方便，往往要求有各种辅助控制电路。

如自动功率控制（APC）、自动温度控制（ATC）、限流保护电路、寿命告警、无光告警电路等[11]。

3.2光接收机设计数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光/电转换为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡与定时再生还原成为标准的数字脉冲信号。

光纤数字通信系统接收机的组成方框图如3-2所示：

图3-2光接收机组成方框图当从光纤中输出的微弱光信号入射在光电检测器的光敏面上时，光电检测器将其转变为电信号。

前置放大器放大从光电检测器送来的微弱电信号，它是光接收的关键部分，要求它有足够小的噪声、适当的带宽和一定的信号增益。

主放大器的作用是进一步放大信号，并且有一定的增益调整作用。

均衡器将通过传输和放大失真的信号进行补偿，使之输出适合与判决要求的脉冲形状（一般为升余弦脉冲）。

为了使光接收机的输出保持恒定，采用了自动增益控制电路（AGC），它由峰值检波、直流放大和控制电路组成。

为了判决再生，还要从主放大器的输出提取时钟信号。

从判决电路输出的数字信号送至接口，再进行转码反变换，恢复成原来的码型[12]。

1.光检测器光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号，它是影响光接收机性能的重要器件。

目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PN光电二极管和雪崩光电