模拟信号数字光纤传输系统的设计.docx
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模拟信号数字光纤传输系统的设计
太原科技大学
毕业设计（论文）
题目：
模拟信号数字光纤传输系统的设计
姓名张耀生
学号0225
学院（系）华科学院信息系
专业通信工程
班级052202H
指导教师王华夏
2020年6月13日
太原科技大学毕业设计（论文）任务书
学院（直属系）：
华科学院信息系时刻：
2020年4月6日
学生姓名
张耀生
指导教师
王华夏
设计（论文）题目
模拟信号数字光纤传输系统的设计
主要研
究内容
查阅资料，完成文献综述，撰写开题报告；
掌握A/D、D/A转换器以及CPLD的功能和作用，学习MAXPLUSⅡ软件的具体应用,应用VHDL语言；
设计基于CPLD的数字光纤传输系统的收发模块，并进行软件仿真。
研究方法
在采样速率为1Msps下设计基于CPLD的数字光纤传输系统的发送和接收部分；
采用MAXPLUSⅡ软件对所设计电路的程序进行仿真。
主要技术指标（或研究目标）
熟悉数字光纤传输系统的各个组成部分，掌握A/D、D/A转换器以及CPLD
的功能和作用。
教研室
意见
教研室主任（专业负责人）签字：
年月日
说明：
一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。
模拟信号数字光纤传输系统的设计
摘要
光纤通信技术是一种普遍应用的信号传输技术。
因此关于该技术的研究也在不断进展。
本文是在借鉴前人研究的功效上，设计出了一套关于模拟信号的数字传输系统。
系统要紧采纳了CPLD（大规模可编程逻辑器件）和专用的编解码芯片运历时分复用技术实现多路数据传输，依托同步标志实现系统的同步功能。
集成芯片的应用使设计简单而功能壮大。
本文对光收发模块、编译码原理及实现和CPLD的开发都进行了详细的论述。
另外，在完本钱系统的软件编程进程，了解了VHDL语言的大体应用。
在以往此类系统的设计中，很多电路多用硬件实现，如此提高了本钱。
而本文在数据传输部份那么是采纳软件来实现的,经济且容易操纵。
最后通过对系统的调试证明了系统的有效性和可行性，从而达到了设计要求并期望能最终运用到实际中。
关键词：
光纤传输，时分复用
TheDesignofFiberSystemforanalogsignal
Abstract
Thefiberopticcommunicationstechnologyisakindofwidespreadapplicationsignalingtechnology.Therefore,thisresearchoftechnologyisalsograduallydeveloping.Thisarticlewhichprofitsfromthepredecessor’sachievementdesignedasetofthesimulatedsignaldigitalsystem.
ThesystemmainlyusesCPLD（ComplexProgramMableLogicDevice）,special-applicationencoderanddecodertorealizeTDMofmultiplexdigitalsignalstransmissionandreliesonthesymbolofsynchronizationtorealizethesynchronizationofthesystem.Thearticlemadedetaileddiscussionfortransmitter,receiver,theoryofencoder/decoderandtheexploitationofCPLD.Inaddition,ithasdesignedisolatedcircuitinterfacingtheexteriordata,whichcouldimprovethesysteminsecurity.
Inthecourseofthiskindofsystematicdesigns,alotofelectriccircuitisrealizedbymultipurposehardwareandenhancethecost.However,thisarticleiscompletedwiththesoftwareinthepartofdatatransmission.
Finally,ithasprovedvalidityandthefeasibilitytodebuggingofsystem,andhasachievedthedesignrequirementsandexpectedtoapplytoreality.
Keywords：
Opticaltransmission，TDM
第1章绪论
本课题大体概念
通信确实是各类信息的转移或传递。
通常的做法是第一将要传递的信息设法加载（或调制）到某种载体上，然后再将此调制的载体传送到目的地后，将信息从载体中解调出来。
在通信系统中，发送信息端叫信源，接收端叫信宿，信源的信号通过调制后通过电缆和电磁波发送到信宿端，在信宿端将接收信号解调以实现信号的恢复，从而完成信号的传输[1]。
光纤通信是指利用光导纤维（简称光纤）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份组成：
光发送机，光缆和光接收机[2]。
光波是属于电磁波的范围，电磁波依照波长不同（或频率不同），可分为如长波、中波、微波、红外线、可见光、紫外线等。
其中，紫外线、可见光、红外线都属于光波。
光纤通信是工作在近红外区，即波长是，频率为167-375THz[3]。
本课题研究的目的和意义
随着通信技术的进展，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要无失真的传输数据，第一，要对整个系统进行抗干扰研究，保证信号在没有受干扰的情形下进入传输进程。
第二，在传输进程中，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形下，环境较恶劣，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波是电波，光纤通信的载波是光波。
尽管光波和电波都是电磁波，可是频率不同专门大。
光纤通信誉的近红外光（波长约1μm）的频率（约300THz）比微波
光纤通信与传统的电缆相较具有一系列明显的优势：
频带很宽，传输容量专门大。
2.损耗很小,中继距离很长且误码率很小。
3.重量轻、体积小。
。
之间的串扰小，信号传输质量高[4]。
本课题国内外研究现状
光纤通信是近30年迅猛进展起来的高新技术，从一开始就显示出无与伦比的优越性，引发人们的极大爱好和关注并取得迅速的进展。
自70年代以来，光纤通信技术不仅在电信等民用领域取得了普遍的应用，且因其独特的频带极宽和通信容量大、衰减小等优势，使得光纤通信技术至今已进展为举世注视的独立的新兴产业，给通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了庞大的变革[5]。
1.波分复用技术
波分复用技术能够充分利用单模光纤低损耗区带来的庞大带宽资源，依照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成假设干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采纳波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波归并起来送入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“最后一千米”。
实现信息传输的高速化，知足公共的需求，不仅要有宽带的骨干传输网络，用户接入部份更是关键，光纤接入网是高速信息进入千家万户的关键技术。
在光纤宽带接入中，由于光纤抵达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCAB和FTTH等不同的应用,统称FTTX[6]。
迄今已经在30多个城市成立了实验网和试商用网，包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型，也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式，进展势头良好。
很多城市制订了FTTH的技术标准和建设标准，有的城市还制订了相应的优惠政策，这些都为FTTH在我国的进展制造了良好的条件[7]。
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妄图。
波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量，在以后跨海光传输系统中有广漠的应用前景[8]。
最近几年来波分复用系统进展迅猛，同时全光传输距离也在大幅扩展。
提高传输容量的另一种途径是采纳光时分复用技术[9]。
4.光孤子通信
光孤子是一种特殊的超短光脉冲，由于它在光纤的反常色散区，群速度色散和非线性效应彼此平稳，因此通过光纤长距离传输后，波形和速度都维持不变。
光孤子通信确实是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信，在零误码情形下信息传递可达万里之遥[10]。
5.全光网络
以后的高速通信网将是全光网。
全光网是光纤通信技术进展的最高时期，也是理想时期。
传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采纳电器件，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超级重要的课题[11]。
课题研究的要紧任务、要求及整体结构
课题研究的要紧任务
本课题研究的要紧任务是设计模拟信号数字光纤传输系统。
实现一路模拟信号的数字传输。
采历时分复用方式对模/数转换后的多路数字信号进行传输，同时必需考虑接收部份的同步问题，接收端对接收到的信号解时分复用。
要求本设计给出必然的解决方法。
该设计在对前人研究的基础上做了必然的改良：
通过A/D和D/A转换器的信号采纳了现场可编程逻辑阵列CPLD来实现多路信号的时分复用和解时分复用，降低了对硬件的要求。
同时通过CPLD操纵信号的输出取得发射接收的同步。
论文采纳8B10B码型变换在编、译码器中变换成适宜在光纤中传输的信号。
在论文完成最后，应用VHDL语言完成论文程序的编写，同时得出仿真结果。
.2课题研究的要求
本课题的要求是1.Msps。
.3课题研究的整体结构
依照课题所提出的具体要求，可画出整个系统的结构框图如图。
A/D转换器
电/光转换
编码器
CPLD
模拟信号
电信号
光信号
光/电转换
电信号
解码器
CPLD
D/A转换器
图系统的结构框图
第2章系统设计理论基础
光纤线路编码
光纤数字通信系统对线路编码的要求
在光纤数字通信系统中，一样不直接传输由PCM电端机传送过来的接口码，而要经必然的码型变换，使之成为适合光纤数字通信传输要求的线路码[12]。
对光纤数字通信系统采纳的线路码有以下几点要紧要求：
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按时信息；
3.能对光端机和光中继器进行不中断业务的误码检测；
4.能提供传输必然数量的辅助信号和区间通信信道。
8Bl0B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，通过如此的分组，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。
为简化对它们的处置，开发了一种8B/l0B编码的简写符号:
1.D分组，用于数据字节编码；
2.K分组，用于特殊操纵符号编码。
以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位数据码变换为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（数据编码）或（特殊编码）表示，其中x是EDCBA的十进制值（E是最高有效位），y是HGF的十进制值（H是最高有效位）
图8B10B码变换图
多路复用技术
为了提高传输媒质的利用率，降低本钱，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，许诺两个或两个以上的数据资源共享一个公共传输媒质，就像每一个数据源都有它自己的信道一样。
因此，多路复用是一种将假设干个彼此无关的信号归并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号的方式。
在数字光纤通信系统中采历时分多路复用技术。
时分多路复用（TDM）把许多输入信号结合起来，并一路传送出去。
TDM是在时刻上进行分割（频率上重合），各路信号占用不同的时刻段，形成一帧数据进行传输，以实现多路传输。
TDM维持了信号物理上的独立性，而从逻辑上把它们结合在一路。
因此，TDM技术多用于数字信号。
在TDM技术中，发送端除发送有效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。
把标志码与数据码连番发送一次组成的码流称为帧。
在接收端就能够够依照接收到的帧同步信号判定帧的始末，从而使收、发两头信号一一对应。
这在时分多路复用中称为帧同步（帧定位）。
不然，在接收端不能确信发送端的首尾，因此收、发两头用户在时刻上不能一一对应地实现正常通信。
固然，要实现帧同步第一要应使收、发两头的时钟频率一致，即时钟同步（位同步）。
因为只要如此，才能把数据码流一个一个正确地接收下来。
图时分复用示用意
PECL接口电路
PECL电路的特点
差分电压确实是用两个物理量的不同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样级间的传输一样采纳ECL（射极祸合逻辑）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，采纳ECL电路具有以下独特的优势
固然，ECL电路也存在其弱点，最大的弱点确实是其静态的直流功耗大，从某种意义上来讲，ECL电路是以捐躯功耗来换取速度的。
.2PECL级传输线路设计
PECL耦合分为直流藕合和交流藕合，但是交流藕合功耗太大且电路设计复杂，咱们的系统中采纳PECL直流藕合，采纳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，如此接收端就能够获取到比较好的信号质量，同时该端接电路也为PECL电平能够正常地切换提供了适合的偏置电压。
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，接收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，源端一样必需采纳戴维南并行端接电路提供相应的偏压。
光发射机与光接射机
.1光发射机
在数字光纤通信系统[13]中，光发射机的方框图如下图，要紧由光发射机和电路两部份组成，而电路部份又分为调制电路、操纵电路和线路编码电路。
光源是实现电光转换的关键器件，在专门大程度上决定着光发射机的性能，电路部份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电信号，线路编码电路使输出的光信号适合于光信道传输，同时操纵电路能够保证光源靠得住稳固地工作。
图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部份（光发送机、光纤光缆和光接收机）之一。
其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，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。
在数字光纤通信系统中，光源发出的光能够看做是光源载波，通过调制，使其载荷信息，一样采纳直接强度调制的方式。
光发射机原理方框图见图，要紧有整形码或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源组成。
图中的其他部份电路是结合光源器件的应用特性而采取的相应的补偿方法。
光源——在光纤通信系统中，作为产生光信号的光源一样为半导体二极管。
目前，通信系统中经常使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要紧干电路，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，因此能够将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——在有效光发送机中，为保证有稳固靠得住的输出功率，和利用、保护方便，往往要求有各类辅助操纵电路。
如自动功率操纵（APC）、自动温度操纵（ATC）、限流爱惜电路、寿面告警、无光告警电路等。
.2光接射机
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/电转换成为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡与按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下图。
图光接收机组成方框图
当从光纤中输出的微弱的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成电信号。
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份，要求它有足够小的噪声、适当的带宽和必然的信号增益。
主放大器的作用是进一步放大信号，而且有必然的增益调整作用。
均衡器将通过传输和放大后失真的信号进行补偿，使之输出适合于裁决要求的脉冲形状（一样为升余弦脉冲）。
为了使光接收机的输出维持恒定，采纳了自动增益操纵电路（AGC），它由峰值检波、直流放大和操纵电路组成。
为了裁决再生，还要从主放大器的输出提取时钟信号。
从裁决电路输出的数字信号送至接口，再进行码型反变换，恢复成原先的码型。
1.光检测器
光电检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变成电信号，它是阻碍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PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
2.前置放大器
前置放大器是一个输入为高阻而输出为低阻的放大器，而且有电流/电压变换。
前置放大器是光接收的关键部份之一，它直接阻碍接收机的灵敏度，因此它必需知足信号传输要求的足够带宽、高增益、低噪声性能。
3.主放大器及自动增益操纵
通过前置放大器放大的电信号送给主放大器进行进一步放大，主放大器实质上是一个一般宽带放大器，它是在知足必然带宽情形下，提高信号的幅度而不须考虑噪声，在开环情形下，一样要求主放大器的增益达60dB。
在实际运用中，光接收机所接收的光功率常常受到一些因素的阻碍而发生转变，如线路的长度不同，线路衰减的转变，发送光功率的波动，使得接收功率发生转变，为了保证主放大器输出的恒定，就必需具有自动增益操纵功能，自动增益操纵电路应该能保证放大器不要随之而失真，且放大器的带宽可不能改变，一样要求自动增益操纵范围为30~50dB，乃至更大。
4.均衡和滤波
通过主放大器放大后的电信号送给均衡滤波电路，均衡电路的要紧作用是对通过光纤线路传输，己发生畸变的和有严峻码间干扰的信号进行均衡，使其变成码间干扰尽可能小的信号，以利于按时裁决，由此可见，均衡起的作用是对某些频率成份进行补偿，对某些频率成份进行抑制或滤除，同时，也对部份噪声进行滤除，最终使裁决达到最正确，灵敏度损伤最小。
均衡电路的输出希望是理想的升余弦波或高斯波。
但在实际电路的实现中是无法作到的，一样采纳近似的方式即可取得较好的结果。
5.时钟提取与裁决
裁决器由裁决电路和码形成电路组成。
裁决器和时钟恢复电路合起来组成脉冲再生电路，脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号，例如，一升余弦频谱脉冲，恢复为“0”或“1”的数字信号。
6.接收机灵敏度
接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最正确工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能力。
在数字接收机中，许诺脉冲裁决有必然的误差范围。
若是接收机将“1”码误判为“0”码，或将“0”码误判为“1”码，这就叫1个错误比特。
若是在100个比特中判错了一个比特，那么称误比特率为1/100即10-2。
一样要求系统的误比特率小于10-9，即10亿个脉冲中只允许发生一个误码。
阻碍接收机灵敏度的要紧因素是噪声，表现为信噪比。
信噪比越大，说明接收电路的噪声越小，对灵敏度阻碍越小。
光接收机灵敏度是系统性能的综合反映，除上述接收机本身的特性之外，接收信号的波形也对灵敏度产生阻碍，而接收信号的波形要紧由光发送机的消光比和光纤的色散来决定。
光接收机灵敏度还与传输信号的码速有关，码速越高，接收灵敏度就越差。
这就阻碍了高速传输系统的中继距离。
速度越高，接收机灵敏度越差，中继距离就越短。
7.接收机的动态范围
光接收机前置放大器输出的信号一样较弱，不能知足幅度裁决的要求，因此还必需加以放大。
在实际光纤通信系统中，光接收机的输入信号将随具体的利用条件而转变。
造成这种转变的缘故，可能是由于温度转变引发了光纤损耗的转变，也可能是由于一个标准化设计的光接收机，利用在不同的系统中，光源的强弱不同，光纤的传输距离也不同。
如此，传给光接收机的光功率就不可能一样。
为了使光接收机正常工作，接收信号不能太弱，不然会造成过大的误码。
但接收信号也不能太强，不然会使接收机放大器过载，而造成失真。
因此光接收机正常工作时，接收光信号的强度应该有一个范围。
把光接收机在保证必然的误比特率条件下，所能接收的最大光功率与最小光功率之差，称作光接收机的动态范围。
一样希望光接收机的动态范围越大越好，实际中一样为16-20dB。
同步技术
数字通信的特点之一是通过时刻分割来实现多路复用，即时分多路复用。
在通信进程中，信号的处置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、靠得住地工作，收、发两边必需有一个统一的时刻标准，那个时刻标准确实是靠按时系统去完成收、发两边时刻的一致性，即同步。
同步系统性能的好坏将直接阻碍到通信质量的好坏，乃至会阻碍到通信可否正常进行。
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。
在那个地址，咱们要紧介绍位同步和帧同步。
位同步
位同步又称为码元同步，或比特同步。
不管是基带传输，仍是频带传输，都需要位同步。
因为在数字通信系统中，消息是由连续串码元序列传递的，这些码元通常都具有相同的持续时刻。
由于传输信道的不睬想，以必然速度传输到接收端的数字信号，必然是混有噪声和干扰的失了真的波形。
为了从该波形中恢复出原始的基带数字信号，就要对它进行取样裁决。
因此，要在接收端产生一个“码元按时脉冲序列”，那个码元按时序列的重复频率和相位（位置）要与接收码元一致，如此才能保证：
1.接收端的按时脉冲重复频率和发送端的码元速度相同。
2.取样裁决时刻对准最正确取样裁决位置。
那个码元按时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。
通常，咱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位同步或码元同步，而把同步脉冲的取得称为位同步提取。
帧同步
帧同步也称为群同步。
关于数字信号传输来讲，数字信号是依照必然的数据格式传送的，必然数量的信息码元组成一“字”，假设干“字”组成一“句”，假设干“句”组成一帧，从而形成帧的数字信号序列。
接收端要正确地恢复消息，就必需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，形成必然的帧结构。
在接收端为了正确地分离各路信号，必需识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置，即接收端必需产生与字、句和帧起止时刻相一致的按时信号，称取得这些按时序列为
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