毕业设计（论文）-光纤通信系统编码器的设计与开发.doc

光纤通信系统编码器的设计与开发 i 摘 要 随着现代科学技术的进步，光纤通信系统的应用已经日益普及。光发射机 由电端机、编码器和调制器等组成，它的功能是把电端机输出的数字基带电信 号经编码器进行码型变换，再经过电/光（e/o）转换后注入光纤线路。光纤编 码器是光纤发射机的重要组成部分，由于数字光纤通信系统一般都不直接传输 由电端机传送过来的数字脉冲信号，而需要进行码型变换产生适合于数字光纤 通信的线路码，所以需要设计一种光纤编码器来实现码型变换。 本题目设计一种基于 650nm 波长发射机电路，很好的实现中短距离的对点 通信。设计一种可以产生适合于光纤线路传输码型（cmi 码）的光纤编码器。 本文说明了编码器电路的原理及编码规则，介绍了光纤通信线路传输码型的要 求。 关键词：关键词：光纤通信，光端机，编码器，cmi 码 光纤通信系统编码器的设计与开发 ii abstract along with the develops of technology, applications of optical fiber communication system are increasingly day by day. the optical transmitter is composed of electrical terminal, encoder and modulators， its function is take the base band electrical signal which cross the encoder to other forms, then after electrical / optical conversion input to optical fiber line. optical encoder is the important part of optical transmitter, because of the digital optical fiber communication system doesnt direct transmit the digital pulse code, need to transform the code to another form to fit the optical fiber line, so need to design a type of optical fiber encoder to make the code transform come true. this subject is to design a type of optical fiber transmitter based on 650nm wavelength, it can well come true the point to point communication at middle and shout distance. design a type of encoder which can make a code (cmi code) fit the optical fiber line. this article introduced the elements of encoder circuit; encode rule, and the request of optical fiber communication line code type. key words：optical fiber communication, optical terminal, encoder, cmi code 光纤通信系统编码器的设计与开发 目 录 第一章 前 言1 1.1 光纤通信的历史、发展与展望 1 1.2 光端机的作用和目前光端机的状况 2 1.3 编码与解码目前状况 3 1.4 光纤编码器研究的意义 3 第二章 光纤通信系统5 2.1 光纤通信的优点 5 2.2 光纤通信系统的组成 6 2.2.1 光发射机6 2.2.2 光纤线路7 2.2.4 光器件9 2.3 光纤通信的分类 .10 2.3.1 数字光纤通信系统10 2.3.2 模拟光纤通信系统11 第三章 光端机整体设计方案.12 3.1 发射机框图 .12 3.2 接收机框图 .12 3.3 光纤传输部分介绍 .13 3.4 650nm发光元器件的选择.15 3.4.1 光源.15 3.4.2 光检测器.16 3.5 驱动电路原理 .17 3.6 本设计中光发射机的性能指标 .17 3.6.1 系统部件选择17 3.6.2 光发射机的性能指标.18 第四章 数字发射机的设计.19 4.1 系统码型选择 .19 光纤通信系统编码器的设计与开发 4.1.1 码型要求.19 4.1.2 cmi 码20 4.1.3 mbnb 码.21 4.2 发射机电路的设计 .22 4.2.1 系统时钟.22 4.2.2 m 序列发生器23 4.2.3 cmi 编码器设计.24 第五章 数字接收机的设计简介.26 5.1 接收机原理 .26 5.2 接收机的组成 .26 第六章 系统概述.28 6.1 本设计的系统框图 .28 6.2 系统仿真 .29 6.3 pcb 电路板 31 第七章 结论与收获.32 参 考 文 献33 致 谢.34 光纤通信系统编码器的设计与开发 1 第一章 前 言 1.1 光纤通信的历史、发展与展望 光导纤维是现代通信网络传输信息的最佳媒质，光纤通信技术是信息社会 的支柱，在短短的三十几年中，获得了迅速的发展，越来越引起人们的极大兴 趣，受到人们的普遍关注，光纤传输几乎己成为所有宽带通信系统的最佳技术 选择。 光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力 （传输速率和中继距离）不断提高，应用范围不断扩大。 早在 1966 年，英籍华人高锟（c.k.kao）指出利用光导纤维进行信息传输 的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。1970 年，光纤研制取得了 重大突破，美国康宁公司生产出了 20 db/km 的石英光纤，同时作为光纤通信 用的光源也取得了实质性的进展。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。在 19661976 年这个时期，实现 了短波长（0.85 m）低速率（45 mb/s 或 34 mb/s）多模光纤通信系统，无中 继传输距离约 10 km。 直到 1976 年，美国在亚特兰大（atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通 信系统的现场实验，系统采用 galas 激光器作为光源，多摸光纤做传输介质， 速率为 44.7mb/s，传输距离约 10km。这次现场实验，标志着光纤通信从基础 发展到了商业应用的阶段。 到了 80 年代初；单模光纤在波长 1.55 m 的损耗己降到 0.2 db/krn，接 近了石英光纤的理论损耗极限。19761986 年这段时期，光纤从多模发展到单 模，工作波长从短波长（0.85 m）发展到长波长（1.31 m 和 1.55 m） ，实现 了工作波长为 1.31 m、传输速率为 140565mb/s 的单模光纤通信系统，无中 继传输距离为 10050 km。19861996 年，这是以超大容量超长距离为目标、 全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了 1.55 m 色散移位单模 光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达 2.510 gb/s，无中继传输距离 可达 150100 km。实验室可以达到更高水平。 目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量的波分复用 光纤通信系统编码器的设计与开发 2 （wavelength division multiplexing， wdm）光纤通信系统和超长距离的光孤 子（soliton）通信系统。随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断 下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用 户接入网，从数字电话到有线电视（catv） ，从单一类型信息的传输到多种业 务的传输。目前光纤已成为信息宽带的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国 家基础设施的支柱。 在传统电通信网络 130 多年的发展过程中，我们已经完成了电信号产生和 传输、信号控制、组网和自支持四个功能等级，实现了电子计算机网络和电子 通信网络。仅有 30 多年历史的光通信的发展也将经历同样的过程。目前我们 已经完全掌握了光信号控制这个技术环节，下一个目标是组建全光网络。 光通信技术的发展速度将超越电技术。期望再通过 10 年的时间实现光组 网。在未来的 10 年里，wdm 光网络将成为通信产业发展的技术和通信的热点。 尽管实现光网络自支持技术，如光开关、光逻辑和光计算，还不算成熟，进入 自支持阶段还需要一段时间，但实现光网络的自支持和自主导终将是未来光网 络发展的方向。 展望未来 10 年，wdm 技术将仍然处于主导地位，wdm、otdm 和 ocdma 等技术的结合将构成未来光网络的基本框架。由于光通信第 4 和第 5 个窗口的开发，wdm 光网络的信道数目将进一步增加，将有能力在整个窗口 中提供 1000 个波长。光交换机和光路由器将成为组建核心 wdm 光网络的首 选设备，其交换容量将突破 tbit/s 的量级。wdm 光网络承载的业务将会多元 化，并提供更多的宽带业务，如视频点播。 用户接入网也将进入光纤化时代，多种接入方式并存仍然是未来 10 年接 入解决方案的特征。但是各种接入技术中光纤技术的含量将不断提升。光网络 的覆盖范围将从核心网扩展到城域网和接入网。当全光网络悄悄地进入楼区、 街道、住宅，成功地完成进行了向本地、向用户的延伸时代，未来家庭也就近 入了一个多元媒体的畅想时代。 1.2 光端机的作用和目前光端机的状况 光端机主要由光发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。光发送机由 光纤通信系统编码器的设计与开发 3 输入接口，光线路码型和光发送机等组成。光接收机由光接收、定时再生、光 线路码型反变换和输出接口等组成。还必须有电源转换，将通信机房中的直流 电源转换为光端机所需电源。 在光纤通信系统中，光发射机是光端机和光中继器的重要组成部分，它的 最基本功能是将要传输的电信号调制在光波上，并将其注入到光纤线路中。光 接收机的主要功能是将接收的光信号变换为原电信号，并且用自动增益控制电 路（agc）保证稳定的输出，光接收的主要部件是光检测器，它的主要任务是 进行光电转换。从光发送端输出再经过光缆线路传输，被衰减的光信号到达接 收端已经是很微弱的了，为了有效地进行光电转换，系统要求光检测器要响应 度高、噪声低，响应速度快，工作稳定可靠。 目前的数据光端机已经有一段发展历程了，不再是简单的一路或四路的， 也不再是单纯的某一接口了，而已经达到上百路（如 120 路、240 路等） ，各种 不同接口（rs-232、rs-485、usb 等）相当成熟的地步了。 1.3 编码与解码目前状况 自五十年代以来，人类不断改进固体电子装置，使设备价格和体积飞速地 降低，因为数字通信的发展速度越来越快，要求越来越高。从五十年代起就提 出了编码技术，而在六十年代又获得了稳定的发展和大量应用。目前，编码理 论已经十分成熟且仍在不断发展之中，本节介绍编码概念和一些常用编码方法。 信源符号之间存在分布不均匀和相关性，使得信源存在冗余度，信源编码 的主要任务就是减少冗余，提高编码效率。具体说，就是针对信源输出符号序 列的统计特性，寻找一定的方法把信源输出符号序列变换为最短的码字序列。 信源编码的基本途径有两个：一是使序列中的各个符号尽可能地互相独立，即 解除相关性；二是使编码中各个符号出现的概率尽可能地相等，即概率均匀化。 研究编码的目的是为了寻求适合实际情况的码及实际的编码和译码技术， 其中心问题是码的性质与构造、编码电路和译码电路。 光纤通信系统编码器的设计与开发 4 1.4 光纤编码器研究的意义 在一个光纤通信系统中，光纤发射机和接收机中的编码器和解码器是必不 可少的，它们也是工程技术和维护人员工作的核心部件。在数字光纤通信系统 中，因为使用的信号源是光源，发射机一般都不直接传输由电端机传送过来的 数字脉冲信号，而需要进行码型变换，产生一种适合进行数字光纤通信的线路 码。 本题目设计一种基于 650nm 波长发射机电路，很好的实现中短距离的对点 通信。选择一种适合于光纤线路传输的码型，并设计编码电路。 本设计采用模块化制作方法，这样更能体现可扩展性、易管理性和易用性 等特点。发射机部分，有时钟产生电路、m 序列发生器和 cmi 编码电路，它 的可扩展性体现在 cmi 编码部分的输入可以选择 m 序列发生器出来的数据， 也可连接其它数字信号。 光纤通信系统编码器的设计与开发 5 传输介质 传输介质 电 终 端 光 终 端 光 终 端 电 终 端 中 继 器 第二章 光纤通信系统 光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，在光发送端 有产生光载波的光源，并将电信号转变为光信号，在光接收端用光电检测器将 光信号转变为电信号。 a 端 b 端 图 2.1 基本光纤通信系统框图 如图 2.1 所示为一个双向的基本光纤通信系统框图，为了保证长距离传输， 中间有光中继机，将经光纤长距离传送后受到较大衰减和色散畸变的的光脉冲 信号转成电信号，进行放大、整形、再生，再变成一定强度的光信号继续传输。 它适合于模拟光纤通信系统中，而且也适用于数字光纤通信系统和数据通 信系统。在模拟光纤通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调 制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大、取样、量 化，即脉冲编码调制（pcm）和线路码型编码等，而电信号反处理也是发端的 逆过程。对于数字光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通 信系统不同的是它不需要码型变换。 2.1 光纤通信的优点 （1） 由于光波频率很高，可供利用的频带很宽，尤其适合高速宽带信息 光纤通信系统编码器的设计与开发 6 传输。在未来的高速通信干线，以及宽带综合服务通信网络中，更能发挥作用。 （2） 由于光纤的损耗很低（现已做到 0.2db/km 的量级） 。因而可以大大 增加通信距离。这对长途干线通信和海底光缆通信十分有利，在采用先进的相 干通信技术，光放大技术和光孤子通信技术之后，通信距离可提高到几百公里 甚至上千公里。 （3） 光纤抗电磁干扰能力很强，这对于电气铁道和高压电力线附近的通 信极为有利，也不怕雷击和其它工业设备的电磁干扰，光纤系统也没有发生电 火花的危险，因此在一些要求防爆的场合使用光纤通信是十分安全的。 （4） 光纤内传播的光能几乎不会向外辐射，因此很难被窃听，也不存在 光缆中各根光纤之间信号串扰。 （5） 在运用频带内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是一样的，因此在 中继站和接收端只须采取简单的均衡措施就可以。甚至可以不加均衡措施。 （6） 光纤是电的绝缘体，因此通信线路的输入端和输出端是电绝缘的， 这就没有电位差和接地的问题。同时还有抗核辐射能力。 （7） 光纤的原材料是石英石，来源十分丰富，可以说是取之不尽。另外 光缆重量轻，便于铺设和架设。 2.2 光纤通信系统的组成 基本光纤传输系统由三个部分组成：光发射机，光纤线路和光接收机。 2.2.1 光发射机 光发射机由输入电路和光发送电路组成。输入电路由输入接口电路和光线 路码型变换电路组成。光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光 源进行调制，即完成电/光转换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。 光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号 最大限度地注入光纤电路。光发射机由光源、驱动器和解调器构成，光源是发 射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出 光纤通信系统编码器的设计与开发 7 光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束尽可能小，输出功率和波长 稳定，器件寿命长，目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（led）和半导 体激光二极管（ld） ，以及谱线宽度很小的动态单元纵模分布反馈（dfb）激 光器。 2.2.2 光纤线路 光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真） 和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤 是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容 纳许多根光纤的光缆。光纤线路的特性主要由光缆内光纤的传输特性来决定。 对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性要尽可能地小，而且有足够的 机械特性和环境特性。 光纤简介： （1） 光纤结构 光纤是工作在光频段的一种介质波导。它的形状通常呈圆柱形。其结构一般 是由双层的同心圆柱体组成，中心部分称纤芯。纤芯的折射率 n1，包层折射率 n2。纤芯的作用是传播光信号，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。 纤芯和包层的相对折射率公式如下： （2-1） 1 21 n nn 光纤结构示意图如下： 图 2.2 光纤结构示意图 光纤通信系统编码器的设计与开发 8 光纤的重要光学参数：数值孔径 na。 na （2-2）2 1 2 1 2 1 nnn 光纤的数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量。 （2） 光纤特性 光纤的特性有损耗特性、色散特性、温度特性和机械特性。 光线损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降， 这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传 输距离。形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源 耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸 收损耗和散射损耗。 光纤色散：是光纤通信的另一个重要特性。由于光纤中色散的存在，会使 得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通 信容量和传输距离。对于模拟信号色散会造成信号的畸变。简单地说，光纤的 色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时， 由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不 同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。这种现象表现 在传输一个脉冲信号时，光脉冲将随着传送距离的延长，脉冲的宽度被越展越 宽。 光纤的温度特性和机械特性：是非常重要的两个物理性能参数，它保障光 缆的可靠性和使用寿命。 光纤的机械特性：为了保证光纤在实际应用时不会断裂，并且在各种环境 下使用时，具有长期的可靠性，就要具有一定的机械强度。 2.2.3 光接收机 光接收机的功能是把从光纤线路输出的，产生畸变和衰减的微弱的光信号 转换成电信号，并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号。光接收机由光检 测器，放大器和相关器组成，光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求 是响应度高、噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型：在 半导体 pn 结中加入本征层的 pin 光电二极管（pin-pd）和雪崩光电二极管 光纤通信系统编码器的设计与开发 9 （apd） 。 2.2.4 光器件 光纤通信系统中的光器件大体上为两类：无源光器件和有源光器件。 有源光器件包括完成电/光、光/电转换的光端机或放大器等，这里就不作 介绍了。 光路无源器件包括光纤连接器、耦合器、光衰减器、光隔离器。下面简要 说明，这些光器件的原理或应用。 （1） 光纤连接器 又称光纤活动连接器，俗称活动接头。它用于设备（如光端机，光测试仪 表等）与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其它无源器件的连 接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种重要无源器件。连接器 有单纤（芯）连接器和多纤（芯）连接器，其特性主要取决于结构设计、加工 精度和所用材料。单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、 效果良好，适宜大规模生产，因而得到很广泛的应用。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、 贴紧并能多次使用。由于光纤的芯径很细，是在微米级，因此，对其加工工艺 和精度都有比较高的要求。为此，光纤连接器应满足如下条件：连接损耗小、 拆装方便、稳定性好、重复性好、互换性好、体型小、价廉。 光纤活动连接器的分类：活动连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分，有 单芯活动连接器和多芯活动连接器两类；按结构不同分，有 fc 型、st 型、sc 型、sma 型、d4 型等类；按光纤插孔端面形状不同分有 pc 型、apc 型两种； 按功能分有插头、插座、转接器三类。下面我们主要介绍单芯活动连接器。 本次实验中使用 sma 型光纤连接器，是和 hfbr-1505a/2505a 配套的光 纤连接器。sma 型光纤活动连接器，有时又称为 fsma 型连接器。sma 型连 接器主要用于多模光纤。 （2） 光耦合器 耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光 信号组合成一个输出。这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有 光纤通信系统编码器的设计与开发 10 一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器称为波分 复用器/解复用器。 （3） 隔离器 就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止 光波往其它方向特别是反方向传输。隔离器主要用在激光器或光放大器的后面， 以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。插入损耗和隔离度是隔离器的 两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离 度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为 1 db，隔离度的典型值的大致范 围为 4050 db。 2.3 光纤通信的分类 光纤通信分为数字光纤通信系统、模拟光纤通信系统。 2.3.1 数字光纤通信系统 数字光纤系统比模拟系统有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通 信质量愈来愈高的要求。数字通信系统要求用参数取值离散的信号（如脉冲的 有和没有，电平的高低）代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系； 而模拟通信系统则用参数去取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中的 信号和信息之间的线性关系。这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不 同时期的发展趋势。20 世纪 70 年代光纤通信的应用和 80 年代的计算机的普及， 为数字通信的发展创造了极其有利的条件。目前虽有数字通信几乎完全代替模 拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。 如图 2.3 为数字光纤通信系统框图： 图 2.3 数字光纤通信系统框图 信号源 光发 模块 差分 驱动 数字 接口 信号选 择开关 光纤通信系统编码器的设计与开发 11 （1） 数字通信系统的优点 抗干扰能力强，传输质量好。 可以再生中继，传输距离远。 适应各种业务的传输。 容易实现高强度的保密传输。 数字通信系统采取大量的数字电路，容易集成，从而实现小型化， 微型化，增强设备的强度。 （2） 数字通信系统的缺点 占用的频带较宽，系统的频带利用率不高。例如，一路模拟电话只占用 4khz，而一路数字电话要占用 2064khz 的带宽。数字系统的许多优点是以牺 牲频带为代价得到的，然而光纤的频带和带宽，完全能够克服数字通信的缺点。 因而对于电话的传输，数字光纤通信传输是最佳的选择。 2.3.2 模拟光纤通信系统 模拟光纤通信系统这里指单路电视传输系统和多路光纤 catv 传输系统。 在 80 年代先开发并推广应用的光纤彩色闭路电视系统和广播电视用光纤传输 系统，属于早期的模拟光纤传输系统，到 90 年代初仍然还在使用。进入 90 年 代，随着光纤技术的深入发展，16 路、32 路、48 路、64 路、128 路的光纤 catv 系统相继研制成功，并已获得广泛推广应用。为什么模拟制多路光纤 catv 系统有其生命力，关键是有了线性度较好、调制带宽很宽的半导体激光 器，其次是高频线性补偿电路的研制成功，进一步提高了光源驱动电路的线性。 目前在国内外有线电视传输系统中用得甚多。 如图 2.4 为模拟光纤通信系统框图 图 2.4 模拟光纤通信系统框图 信号源 模拟信号 选择开关 模拟 接口 模拟 驱动 光发 模块 光纤通信系统编码器的设计与开发 12 第三章 光端机整体设计方案 3.1 发射机框图 数字光纤发射机框图如下： 图 3.1 数字光纤发射机设计框图 数字光纤发射机由电端机，编码器和调制器等组成。电信号从电端机输出 经编码器编码，产生适合光纤线路传输的码型，再经过调制器调制经过电光转 换，使用 led 发光二极管发射出去。 3.2 接收机框图 数字光纤接收机框图如下： 图 3.2 数字光纤接收机设计框图 光信号经过光纤线路传输到接收模块，经光电转换后解调输出码型再经过 解码器还原成为原始的电信号，输入到电端机。 电端机编码器调制器 电端机解码器解调器 光纤通信系统编码器的设计与开发 13 3.3 光纤传输部分介绍 光纤传输部分是光纤通信系统的核心部分，它的性能直接决定着系统的性 能。数字光纤传输是一个电数字信号光信号电数字信号的过程，主要完成 各种速率数据的光纤传输。数字信号通过数字接口送入，码型变换后送入光发 射机，光发射机将其转换成光信号注入光纤信道中传输。接收端的光接收机把 它还原成电信号，码型反变换后通过数字接口输出。 光纤传输部分方框图如图所示： 发射机 接收机 图 3.3 光纤传输部分方框图 光纤发射模块和接收模块介绍： 光纤发射器模块的工作参数： 光纤发射模块采用的是 agilent 公司生产的 hfbr-1505a。 该芯片使用 sma 连接器，工作波长为 650nm，特别应用于 1mm 的塑料光纤 （pof）中； 主要应用于： （1） 工业数据链路； （4） 工厂自动控制数据连接； （2） 电压隔离系统； （5） plc、马达驱动器； （3） 传感器、测量仪器等。 hfbr-1505a光纤发射器件内部含有一个650nm的led，使用很轻的绝缘塑 料封装。发射光的功率适合塑料光纤（pof）和hcs。发射机使用一般的电流 驱动时，速率达10mbd。 光发 模块 光收 模块 光纤通信系统编码器的设计与开发 14 如图3.4 所示为hfbr-1505a的仰视图： 下表为管脚连接图： 表3.1 hfbr-1505a管脚连接功能表 管脚功能 1连接管脚 4 4连接管脚 1 5接地 6接地 7阴极 8阳极 该芯片的最大额定值： 表 3.2 发射模块的最大额定值 光学参数符号最小值最大值单位 工作与存储温度ts，o-4085 正向输入峰值电流if，pk90ma 正向输入平均电流if，a vg 60ma 反转输入电压vr3v 温度tsol260 引线焊接时间 时间10s 图 3.4 hrbr-1505a 仰视图 光纤通信系统编码器的设计与开发 15 图 3.5 驱动电流与典型正向电压的关系曲线图 3.6 驱动电流与典型注入光功率的关系曲线 正向电压 注入光纤功率 光纤接收模块使用 agilent 公司生产的 hfbr-2505a，它使用塑料封装，金 属涂层。包括一个硅 pin 光电二极管和数字化 ic（集成电路）来产生一个逻辑 兼容输出，这个集成电路能够校正在传输一段时间后的脉宽失真。这能保证在 很低的脉宽失真下，从 dc 到 10mbd 以任意码速率传输。接收机的输出兼容了 ttl 和 cmos 逻辑电平接口。接收机包装在一个深灰色的传导塑料中。hfbr- 2505a 和 sma 接口兼容。 光发送模块的正向电流与正向电压的关系及光功率与注入电流的关系 如下图： 驱动电流驱动电流 3.4 650nm 发光元器件的选择 塑料光纤通信网络的工作带宽取决于塑料光纤、光源和光检测器的带宽。 目前，用于高速塑料光纤通信网络的光源和光检测器正在积极的开发中。 3.4.1 光源 光纤通信对光源的要求： （1 ） 光源发光波长应在光纤的低损耗窗口内，而且要求色散小。 光纤通信系统编码器的设计与开发 16 （2） 光源的输出功率必须足够大，电/光转换效率要高，即要求在足够 低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。 （3） 光源的谱线宽度要窄。 （4） 调制特性好，调制效率高，调制速率能适应系统的要求。 （5） 温度特性要好。器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳 定性好，可靠性高，寿命长。 （6） 要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。 光源应该满足光纤对光源的波长、谱宽、光线发散角和输出功率的要求。 塑料光纤的直径较大（0.51mm） ，并且数值孔径较大（0.250.5） ，由于通常高 速半导体光源的发光面在 50m 左右，因而与塑料光纤的耦合无需精确对准。 半导体激光器（ld）的谱宽窄、光线发散角小，可以获得较高的带宽性能， 但对温度较为敏感，价格较为昂贵。半导体发光二极管（led）的谱宽和光线 发散角比 ld 大，带宽性能不如 ld，但 led 的结构简单，可靠性和温度稳定 性比 ld 高，且价格便宜，在短距离网络中通信中得到广泛应用。 在 650nm 波长，pmma 塑料光纤的损耗最小，algainp led 的最大输出 功率已达 3.5mw，发散角 70，谐振腔 led（rcled）的最大输出功率已达 4.2mw，谱宽 3nm，速率可达 250mbps； 经过研究决定使用 agilent 公司生产的 hfbr-1505a 作为光发射部分。 3.4.2 光检测器 高速塑料光纤网络需要高速、大光敏面和量子效率高的光检测器。雪崩光 电二极管（apd）的灵敏度高，但因偏置电压高、价格贵和稳定性的问题而不 宜用于短距离通信网络。因此，在短距离通信网络中使用 pin 光电二极管 （pin-pd）是一种比较好的选择。 光纤通信系统编码器的设计与开发 17 3.5 驱动电路原理 下图是发射模块hfbr-1505a的一个典型的驱动电路。 图3.8 典型的发射模块驱动电路 如图 3.8 所示，其驱动电路部分采用+5v 电源，使用两个电容滤波， （实际 应用中）本设计选择 47 电阻，使用 ds75451 芯片来完成 ttl 输入对于 hfbr-1505a 的 8 引脚输入信号的间接控制。hfbr-1505a 把电信号变换为光 信号，再通过 sma 接头就可以将光传入塑料光纤进行传输。 3.6 本设计中光发射机的性能指标 3.6.1 系统部件选择 在具体选择系统部件之前，首先应对将要设计的系统的情况和指标有所了 解。例如，对传数字信号的光纤通信系统，要了解它的比特速率、误码率以及 传输距离；对传输模拟信号的光纤通信系统，则应了解其信号带宽、信噪比和 光纤通信系统编码器的设计与开发 18 传输距离。下面讨论如何选择部件： （1） 工作波长的选择：本实验系统是针对短距离光纤通信系统的应用， 使用的是长波长的塑料光纤，波长为 650nm，光纤使用深圳才展公司出品的塑 料光纤。如果是长距离通信系统，原则上应选择长波长的光纤，如 1.31um 和 1.55um 的石英光纤。如对传输距离短、码速不高的光纤通信系统还可选用短波 长波段。 （2） 光源选择：激光器的输出光功率高，谱线窄，应用单模光纤传输时 色散小。故适于长距离高码率的光纤通信系统中采用。但是激光器与发光二极 管相比，它的寿命相对较低，价格高，稳定性差，调制电路复杂。 发光二极管与半导体激光器相比，寿命长、价格低、受温度影响小，工作 稳定、调制电路简单，但发光功率低、谱线宽。因此，发光二极管适于工作在 距离短，码速低的光纤通信系统中。本系统中采用的是 agilent 公司生产的 hfbr 系列产品，内含有 led。应用于短距离，低码速的光纤通信系统中。 （3） 光电检测器的选择：pin 管的偏压电路简单、价格较低。但是，使 用 pin 时光接收机的灵敏度较使用 apd 的低，apd 管由于偏压高，故偏压电 路较 pin 管的偏压电路复杂、价格亦高。但是使用 apd 的光接收机灵敏度因 有雪崩倍增作用比使用 pin 的接收机要高。在要求不太严格的情况下，通常考 虑使用 pin 管。本系统使用的是 agilent 公司生产的 hfbr 系列产品，内含有 pin 管。 （4） 光导纤维的选择：在远距离光纤通信系统中，通常选择单模光纤， 但是因为其纤芯太细，安装接续难，在短距离通信系统中通常考虑纤芯较粗的 光纤。本系统采用纤芯较粗的塑料光纤，纤径达到 0.25mm2mm，接续简单。 3.6.2 光发射机的性能指标 本设计是光纤通信实验系统的一部分，光纤编码器是光端机中发射机的重 要组成部分。本设计采用模块化制作方法，这样更能体现可扩展性、易管理性 和易用性等特点，更有利于实验中使用。比如发射机部分，有时钟产生电路、 m 序列发生器和 cmi 编码电路，它的可扩展性体现在 cmi 编码部分的输入可 以是 m 序列发生器出来的数据，也可以是外来的数字信号等。因为采用模块化 设计，所以一处出错只需查明某个模块即可。 光纤通信系统编码器的设计与开发 19 第四章 数字发射机的设计 4.1 系统码型选择 4.1.1 码型要求 在数字通信中，必须考虑选择什么样的传输码型。数字光纤通信系统普遍 采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“1”码， “无光脉冲”表示“0”码。但是 简单的二电平码会带来如下问题： （1） 在码流中，出现“1”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量 也会发生随机波动（基线漂移） ，给光接收机的判决带来困难。 （2） 在随机码流中，容易出现长串连“1”码或长串连“0”码，这样可能造 成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。 （3） 不能实现在线（不中断业务）的误码检测，不利于长途通信系统的 维护。 数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求 有： （1） 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基 线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏 度。 （2） 能给光接收机提供足够的定时信息。因而应尽可能减少连“1”码和连 “0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。 （3） 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对 高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。 在数字光纤通信系统中，因为使用的信号源是光源，传输媒介物是光导纤 维，数字光纤通信系统一般都不直接传输由电端机传送过来的数字脉冲信号， 而需进行码型变换，产生适于进行数字光纤通信的线路码。线路码应具有平衡 码流中“0”、 “1”概率的能力，可以减少码流中的连“0”和连“1”串，从而使时钟含 量丰富，能进行误码监测。所以，线路码对数字光纤通信的信号传输具有很重 要的作用，是数字光纤通信系统中必不可少的重要组成部分。 光纤通信系统编码器的设计与开发 20 但在光纤通信系统中选择线路码型时，不仅要考虑光纤的传输特性，还要 考虑光电器件（光源及光检测器）的特性。由于光只有“亮”和“暗”两种状态， 所以，一般都采用具有直流成分的两电平码作线路码，而不采用正负极性的三 电平码（hdb3）作线路码。另外，如果数字光纤通信系统采用三电平码作线 路码，在同样接收效果下要比二电平码损失 3db 的接收灵敏度。但是简单的二 进制码随机数字码流中，有可能出现较长的连“0”或连“1”串，因此，码流的直 流基线将随信息的连“0”和连“1”，串的随机变化而起伏漂移，从而在码流中含 有较丰富的低频成分，这将严重的影响系统接收端的时钟信号提取和再生判决 的效率。因此，简单的二进制码不宜用于数字光纤通信系统的线路码。 通常我们在设计和选择线路传输码时，要求其应具备的条件是： （1） 能防止长串“0”，或长串“1”，这有利于时钟提取。 （2） 能对光端机和中继器进行不中断业务的误码检测。 （3） 脉冲序列的直流分量的变化要小，功率谱密度中的高、低频分量要 小。 （4） 码速率提高少，误码扩展小。 （5） 电子线路简单、体积小和价格低。 4.1.2 cmi 码 适合数字光纤通信系统传输的码型很多，这里重点介绍本系统所采用的 cmi 码型，并阐明本系统所采用的线路码型的优点。 cmi（coded mark inversion）即称传号反转码，为一种二电平非归零码， 它的编码表如下： 表 4.1 cmi 编码表 cmi 码输 入 码 字模式 i模式 ii 00101 10011 光纤通信系统编码器的设计与开发 21 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 从表 4.1 中可以看出，cmi 码还具有一定的检测错误的能力。因为“1”交 替地用“00”和“11”来表示，而“0”则固定地用“01”表示。在正常情况 下“10”是不可能在线路中出现。当 cmi 码编码器输入码字出现连“l”时，第 一个“1”就变换为“00”，则其第二个“1”就变换为“11”， “00”和“11”交替出现。所 以，cmi 码由“01”均等码和“00”、 “11”不均等码构成。cmi 码虽然模式 i“0”多， 模式 ii“1”多，但交替的结果使整个码流中的“0”和“l”均等。这种码的最大连“0” 和连“1”数都是 3 个。因而这种码的直流起伏和低频分量都很小，定时含量很丰 富。这种码当编码规则破坏有误码时很容易进行误码监测。 比如下面这个 nrz 序列经过 cmi 编码后的波形： 时钟信号 clk nrz cmi 图 4.1 nrz 码与 cmi 码的编码转换关系图 4.1.3 mbnb 码 mbnb 码是把输入的二进制原始码流进行分组，每组有 m 个二进制码，记 为 mb，称为一个码字，然后把一个码字变换为 n 个二进制码，记为 nb，并在 同一个时隙内输出，所以它是一种分组码。这种码型是把 mb 变换为 nb，所以 称为 mbnb 码，其中 m 和 n 都是正整数，通常 nm，所以 mbnb 码的传输码 率比标称码率要高，码率升高的数值决定于 n 与 m 的比值。一般选取 n=m+1。mbnb 码有 1b2b、3b4b、5b6b、8b9b、17b18b 等等。 数字光纤通信中用的 mbnb 码是通过约束码字不均来满足传输要求的一类 分组码。因此，这种码的码流具有“0”和“1”等概率，连“0”和连“l”数小，直流基 线漂移小，低频分量小，功率谱带宽较窄，时钟成分丰富，定时提取方便且抖 动小，运行误码监测方便且判据可靠等许多优点。上面这些优点都是通过限制 mbnb 码流中累计不均来获得的。 最简单的 mbnb 码是 1b2b 码，即曼彻斯特码，这就是把原码的“0”变换为 “01”， 把“1”变换为“10”。因此最大的连“0”和连“1”的数目不会超过两个，例如 光纤通信系统编码器的设计与开发 22 1001 和 0110。但是在相同时隙内，传输 1 比特变为传输 2 比特，码速提高了 1 倍。 从上面定义可以看出 cmi 编码方式实际上是一种 1b2b 码，实际码速率比 标称码速率高一倍。在低速光纤通信中，小于 8mbit/s 采用 cmi 是完全合适的。 34m bit/s 以上系统，由于增加线路带宽，会提高线路成本，不一定合算，所以 较少使用。单模光纤使用以后，线路带宽不成问题，因此在 34mbit/s 以上的高 速系统，cmi（或 mcmi）也开始使用（特别是市内中继系统） 。 4.2 发射机电路的设计 在光纤通信系统中，光发射机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光 信号，并用耦合技术有效注入光纤线路，电/光转换是用承载信息的数字电信 号对光源进行调制来实现的。目前技术上成熟并在实际光纤通信系统得到广泛 应用的是直接光强（功率）调制。 4.2.1 系统时钟 系统时钟是根据系统要求的码速率而设计的，本实验系统的码速率设计成 4.096mbit/s。系统时钟是使用一个 4.096m 的晶体振荡器作为主时钟信源，它 的特点是稳定而精确。 从前面我们了解到 cmi 编码过程中码速率比标称码速率要大一倍，所以要 使用一个二分频器来达到使传输码速率配合系统码速率。 如图 4.2 二分频器使用一个 d 触发器设计。4.096mhz 晶振从 74ls04 的第 6 管脚输出 4mhz 时钟，经过 d 触发器 74ls74 的第 5 管脚输出 2mhz 的时钟。 2mhz 时钟用于生成 m 序列和 cmi 编码，解码时使用 4mhz 的时钟。 如图 4.2 为时钟电路于二分频电路： 光纤通信系统编码器的设计与开发 23 图 4.2 时钟电路与二分频电路 4.2.2 m 序列发生器 本实验系统采用伪随机序列发生器（m 序列发生器）代替信码产生器。 m 序列的特点： （1） 平衡特性：随机序列中 0 和 1 的个数接近相等； （2） 游程特性：把随机序列中连续出现 0 或 1 的子序列称为游程。连续 的 0 或 1 的个数称为游程长度。随机序列中长度为 1 的游程约占游程总数的 1/2，长度为 2 的游程约占游程总数的 1/22，长度为 3 的游程约占游程总数的 1/23 ，；相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的 性质。 m 序列是由非线性反馈移存器产生的周期最长序列，具有周期性并且可以 全“0”启动。 需要设计一个 n=5 的 m 序列，查表得到它的 5 级本原多项式为： x5+x2+1，由此产生 m 序列的原理方框图如下： 时钟信号 输出信号 全零检测电路 图 4.3 m 序列发生器原理方框图 如图 4.3 此电路图产生的 m 序列有 25=32 个状态。 本电路由五个 d 触发器级联而成，当 q4q3q2q1端同时为零时，全零检测 端输出为 1，实现全零启动，本 m 序列结果是一个长度为 32 的伪随机序列。 产生的 m 序列为 ：00000 10101 11011 00011 11100 11010 01 q3q2q1q0q4 光纤通信系统编码器的设计与开发 24 m 序列发生器原理图： 图 4.4 m 序列发生器原理图 4.2.3 cmi 编码器设计 在第四章第一节中已经介绍了 cmi 编码的基本原理及 cmi 码的特点， cmi 编码器的具体原理电路图如图 4.5 所示，该电路功能是：将电端机（m 序 列发生器）送来的 nrz 码，转变成合适于光纤的传输码型。根据 cmi 码的编 码规则，将二进制码 nrz 序列中的 1 和 0 状态进行分离，然后按各自的编码 规则进行编码，最后由这两种状态的编码合成输出就成为 cmi 码。 此原理图为一种实用化的 cmi 电路工作原理图。如图 4.5 中芯片 74ls74x2 的第一个 d 触发器 1d 将二值码 nrz（非归零码，即 m 序列）序列 中的两种状态分离开，其 q 端输出支路为“1”状态的编码，q 非端输出支路为 “0”状态的编码。 光纤通信系统编码器的设计与开发 25 cmi 编码原理图如下： 图 4.5 cmi 编码器原理图 如图 4.6