毕业设计（论文）-多路RS-232信号数据光端机设计.doc

摘 要多路rs-232信号数据光端机设计摘 要由于光纤作为传输媒介具有频带宽、容量大、抗干扰性强等特点，在通信领域，光纤通信越来越显示出其优越性和不可阻挡的应用趋势。光纤也不仅仅用于数字通信中，还可以用于工业生产的现场监控，有线电视（catv）系统等。而光端机作为整个光纤通信系统的一部分，将起很大的作用，它的性能、发展对整个系统的性能和发展都有很大的影响。本文介绍了一种基于rs-232c串行口通过光纤传输数据的电路，很好的实现中短距离的点对点通信。首先对整个光通信系统进行了介绍，再对各多路数据通信及光发射、光接收原理及实用电路进行介绍。同时对本设计所采用的电路做详细的说明。本设计采用公司的led组件光发送模块hfbr-1414和光接收模块hfbr-2416作为核心器件，由于其高速、低功耗、线性等特点，再加上响应速度快的74actq00驱动电路，能较好的完成光发送和光接收的功能。为了进一步利用光纤巨大的带宽资源以及使此数据光端机能传输更多不同的数据信号，本设计采用了八路时分复用技术，复用部分电路基本上采用的是motorola公司的芯片，有效的利用了dsi（mc145428）及移位寄存器（mc14015b）的功能。 关键词 光端机， 多路复用， rs-232 i abstractabstractserve as the media of transmission; the optic fiber has the characteristics of the wideness of frequency band, the great capacity and the strong ability resisting the interference. so at the realm of the communication, the optic fiber communication more and more demonstrates its superiority and the tendency of application for irresistible force. optic fiber not only used for digital communication but also used for the locale of industrial production, the system of cabled tv and so on. it will be widely used for data communication. as a part of the optical communication system, the transmitter and the receiver will conduct great function, its capability and development will influence the whole system.this article will introduce a circuit base rs-232 serial port transmitting by the optical fiber, nicely realizes the point to point communication for middle and short-distance. first, introduce the whole system of optical communication, then, introduce the practical circuit. at the same time, declare at the circuit of this devise in detail.this devise in use the led component, model block of optical dispatch hfbr-1414 and optical reception hfbr-2416 ofcompany for the nuclear device, for its characteristics of high speed, low power consumption, linear so on, and with the drive circuit 74actq00 which has the high speed of the response, it can complete the function of the sending and receiving well. for further make use of taking of fiber optic bigness the breadth resources and made this data the light to carry the function to deliver the more and different data signal, this devise adopts the technology of eight channels time division multiplexing, the circuit of multiplexing most use the motorola chips, it utilizes the functions of dsi (mc145428) and the shift register (mc14015b). keywords optical transmitter and receiver, multiplex, rs-232 ii目 录目 录摘要abstract 目录1 绪论11.1 光纤通信的发展状况11.2 光纤通信系统11.3 光端机的作用和目前光端机的状况21.4 数据光端机设计所要达到的目的和功能及意义21.5 数据光端机的设计整体说明32 数据通信和rs-232接口 52.1 数据通信52.2 rs-232接口介绍 52.2.1 rs-232c信号特性 62.2.2 接口信号线的使用 82.2.3 rs-232c接口的缺点及用光纤传输的克服 93 多路复用原理及应用10 3.1 多路复用器 103.2 复用技术103.2.1 频分多路复用（fdm）10 3.2.2 时分多路复用（tdm）11 3.3 数据光端机复用原理13 3.3.1 电平转换13 3.3.2 dsi特性15 3.3.3 时序电路164 光端机20 4.1 光发射机20 4.1.1 光发射机组成21 4.1.2 光发射机的技术性能21 4.1.3 调制方式22 4.1.4 光发射机234.2 光接收机26 4.2.1 光接收机的组成 26 4.2.2 光检测器 28 4.2.3 前置放大器 29 4.2.4 主放大器 29 4.2.5 峰值滤波器的输出分别送至判决电路和峰值检测电路 304.3 数据光端机光接收光发送电路30 4.3.1 光发送电路 30 4.3.2 光接收电路 31 4.3.3 电路实现 315 结束语33致谢34参考文献35 41 绪论1 绪论1.1 光纤通信的发展状况1966年英籍华裔学者高锟（）和霍克哈母（）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（optical fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。1970年，光纤研制取得了重大突破，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，是1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1976年，美国在亚特兰大（）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场实验，系统采用激光器作为光源，多模光纤做传输介质，速率为44.7mb/s，传输距离约10km。1976年美国亚特兰大进行的现场实验，标志着光纤通信从基础发展到了商业应用的阶段。此后，光纤通信技术不断发展：光纤从多模发展到单模，工作波长从0.85um发展到1.31和1.55um，传输速率从几十发展到几十。另一方面，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。1.2 光纤通信系统光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后，由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频率极高的电磁波（310hz），因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（catv）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。图1.1示为一光纤通信系统框图。图 1.1 光通信系统的基本组成结构图它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，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、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，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。1.3 光端机的作用和目前光端机的状况在光纤通信系统中，光发射机是光端机、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。从光发送端输出经光缆线路传输被衰减的光信号到达接收端已是很微弱的了，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。具体工作原理将在第四章介绍。目前的数据光端机已经有一段发展历程了，不在是简单的一路或四路的，也不在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，像北京讯风通信、杭州亿帮通信等公司的主要产品就是光端机。本设计紧已八路来说明其复用原理。1.4 数据光端机设计所要达到的目的和功能及意义本设计为多路rs-232c接口标准是一种广泛使用的普及标准。它涉及使用的普及标准。它涉及的范围很广，远远超出了通信和计算机的领域。60年代中期，几乎毫无例外的使用电话交换网实现远程访问，于是rs-232c接口进行本地通信，因此使用更加广泛。本设计正是基于rs-232串行口通过光纤传输。随着分布计算机的建立，所需通信设备费用逐渐成为用户所关心的主要问题，为了减少这些费用，通过研究大量网络结构，从而确定尽可能采用专用设备。很多网络是地理分布的用户访问公用计算设备，将中心的地区建设成为链接这些用户到计算机的服务中心。尽管当终端业务量较少，使用专用租用线费用不太合理，但若能采用很多终端共用通信设备的结构，一般就能减少对一组用户提供通信的积累费用，而多路复用器的利用就可能用一条高速线路承担原来有一组低俗线路分别传输的业务量，所以当同一地理区域的大量数据终端进行通信时，或者但任意距离的很多租用线并行传输时应考虑使用多路复用器。本数据光端机采用多路的设计，不但可以大大利用了线路，充分利用光纤巨大的带宽资源。并且可以更广泛的应用于各个领域，本设计的八路复用技术，可用八路信道传输不同的信息，将不同信息复用到一条光中进行传输，节省了设备，在现场的应用中可在同一系统中，将多种控制信息和数据信息用一台光端机进行传输，可同时连接计算机及其他符合rs-232标准的终端，方便控制和操作。这就是多路复用光端机的设计意义之所在，本设计紧以八路复用来起到抛砖引玉的作用。1.5 数据光端机的设计整体说明整体电路的原理框图如图1.2所示： 它将若干终端多路接入一个高速数据链路中，发送过程由计算机或终端传送来的rs-232c标准信号先要进行电平转换，将rs-232c电平转换为ttl电平，以便和后续电路兼容，再经过motorola的mc145428异步同步转换芯片将rs-232c帧结构中的起始位，停止位去除后，转换为同步输出。再经过一个多路复用电路将多路信号复用唯一路径led驱动后再对光源进行调制，将电信号转换为光信号发送到光纤中传输。接收过程同理，由光接收模块将接收后的光信号转换为电信号，经过一个线接收器再经过图1.2 系统原理框图一个ecl/ttl电平转换器将信号送入复用电路，通过复用电路中的时序电路的控制将接收到的各路信号分离并送入各个信道，经过同步异步mc145428芯片的转换，加入起始位和停止位，再将其转为rs-232c电平，使其符合rs-232c接口标准，能在计算机或终端中传输。这就是整个电路的简单工作流程，下面几章将对各个部分的原理和电路进行详细的分析。2 数据通信和rs-232接口2 数据通信和rs-232接口2.1 数据通信所谓数据通信，就是从数据源产生的数据，经过硬件线路或软件线路的连接（统称信道），按照一定的通信规程（协议），形成数据流传到另一方的过程。计算机与各种用途的终端之间，以及计算机相互之间，都需要数据通信，遥测、遥信、遥控、自控、雷达等等都需要数据处理与传输，也都离不开数据通信。2.2 rs-232接口介绍在数据通信领域中包括各种终端和计算机端口在内的设备称作数据终端设备，即dte。与之相比，调制解调器和其他通信设备，则称作数据通信设备，即dce。数据终端设备和数据通信设备之间的分界是连接它们的插件，而对这一分界的说明，则是从：物理、电气以及逻辑上进行数据交换的规则，它是由接口标准规定的。最常用的eia rs-232标准，eia标准的很多内容以被其他许多标准化组织所采纳。rs-232c是1969年eia提出的建议标准（recommend standard），232则表示一个具体通信标准的识别号码，后缀c表明此标准最后的修订版本。rs-232c标准适用于数据终端设备与数据通信设备之间、速率范围从0到20000b/s的串行数据传输。此标准限制数据终端设备和数据通信设备之间的电缆长度为15m，rs-232c标准的另一部分是规定用电缆接头作为数据终端设备和数据通信设备的接插件，这就是熟知的db-25接插件。电缆两端都装备有“凸形”插头，通常它被设计成能插到调制解调的db-25凹形插座上。引线分配如图2.1。图 2.1 rs-232引线分配图rs-232是最通常的用处是连接到一个modem，其他拥有rs-232接口的设备包括打印机、数据采集模块、测试装置和控制回路。它具有以下优点：（1） 它是无处不在的，每一台pc机都有一个或者更多的。（2） 在微控制器中，接口芯片使得将一个5v串口转换成rs-232变的更容易。（3） 连接距离可以达到50到100ft，大多数的外设接口都不会用于太长的距离。（4） 对于一个双向选择，只需要3条导线。一个并行连接器一般需要8条数据线，两条或者更多的控制信号线和几根接地线。 同时rs-232也存在着一些缺点：（1） 如果连接的另一头需要并行数据，它不得不将这个串行数据转换成并行数据。（2） 串口上如此有用，以至于寻找一个未用的串口可能是比较困难的。（3） 在一个连接器中不能有超过2台以上的设备。（4） 指定的最大数据传输速率是每秒20000位。但是，很多接口芯片可以超过这个值，尤其是在短程连接上。（5） 很长的连接需要一个不同的接口。2.2.1 rs-232c信号特性rs-232c接口规定了25个转接电路或引线，它们控制数据终端和数据通信设备之间的数据终端设备和数据通信设备之间的数据流。杜宇异性传输，一般需要9至12根芯线，而同步传输，一般需要12至16根芯线。所需芯线数取决于之连接的调制解调器的工作特性，每根芯线中的信号都是根据预先规定的电压跃变特性而出现的。表2.1提供转接电路线路电压、二进制状态、信号条件和功能之间的对照关系。表2.1 转接线路比较 转接线路电压 负 正二进制状态 1 0信号条件 传号 空号功能 off on l 公用线rs-232c中有两条公用线，即保护地线和信号地线。aa（101）：信号地线sgab（102）：信号地线sg这条线对所有除了pg线以外的互联电路建立公用地电位。在数据通信设备中，信号地线连到一点，通常用跨接线的方法把这点连到pg（101）线上。l 数据信号线数据信号线是传送数据用的，rs-232c是串行传输接口标准，接收与发送各用一条信号线。ba（103）：发送数据txd 电路103是dte向dce发送数据的接口电路。该电路断开时，即103保持“1”状态（off）时，不能发送数据。只有当电路105、电路106、电路107、电路108/1或108/2接通时（都处于on状态），该电路才能接通，传送的数据才能全部送到dce。通过dce可向一个或多个远程数据站发送数据信号，或者为进行维护测试而发送数据信号。bb（104）：接收数据rxd 电路104是dce把从线路收到的模拟信号变换成数据信号后送给dte的接口电路。为了防止把强噪声当作信号送给dte，由电路109先检查输入信号的电平范围，检查合格后电路109接通，这时电路104才能接通接收数据。若电路109是off状态，电路也必须为off状态。l 控制信号线rs-232c中正向传输控制用的控制电路有9条，其中请求发送、允许发送、数据设备准备、数据终端数据载波检呼叫指示最基本的控制电路。ca（105）：请求发送 rts 这个信号由数据终端设备产生送到本地调制解调器上，控制dce的发送功能。接通（on状态）时，dce处于发送方式，断开（off状态）时，表明dte不想发送数据。在dte有信息准备发送或正在发送时，这条线都要保持on状态。cb（106）：允许发送 cts 这条线路上的信号是dce发送的，它是dce收到dte的rts信号后延迟一段给定的时间后对dte的回答，响应请求发送信号。on状态表明dce已经准备好发送数据，可以接收来自dte的数据并发送出去；off状态告诉dte，由于通信设备还没有准备好，不能通过发送数据电路传输数据。cc（107）：数据设备准备 dsr 这个信号是dce送给终端设备的，告诉终端本地通信设备的状态。当它处于on时，表明本地dce以和通信信道接通，通知dte以和电话线连接好且以处于数传模式，不处于测试、对话或拨号方式。cd（108/2）：数据终端准备 dtr 这条线路也是对modem接入通信线路或者从通信线路上断开进行控制的信号。接通数据终端的电源，就可以是这条接口电路处于on状态。它处于on状态时，表示dte已做好操作准备。cf（109）：数据载波检测 dcd 它表示从通信线路收到的载波信号（载波电平）是否已经进入指定的范围。接口电路109为on状态，表示接收信号以进入指定范围，modem以正确地接收了远程modem传来的载波信号，此时接口电路104上的数据是有效的。处于off状态，表示接收的载波信号尚未进入规定的范围，此时不能接收电路104上的数据。ce（125）：震铃提示 ri 此信号表示dce是否正在接收远程站的呼叫信号。on状态表示呼叫信号正在被接收，off状态表示不再接收呼叫信号，它的操作不受dtr接口电路off状态的影响。这一信号通常只在交换网上传输时使用，交换网上的modem都设计成带有震铃提示电路的。在人工和应答情况下，这个接口电路不用。cg（110）：信号质量检测 sqd 当该信号处于off时，表示传输中有较高的错误概率；当该信号处于on状态时，表示错误概率较低。ch（111）：数据信号速率选择（dte） 当该信号用于从双速率同步dce的两个数据信号速率中选择一个速率，或从双速率范围异步dce的两个数据信号速率范围中选择一个速率范围。ci（112）；数据信号速率选择（dce） ci的功能ch基本相同。不同之处在于该电路由dce来设置。l 定时电路定时电路在同步方式时使用，是传送数据信号定时信息的信号线，在rs-232c接口电路中，有三条用于定时的电路。由于只有同步方式时需要定时信号，在异步方式时这三条定时电路通常没有定义。da（113）：发送信号码元定时（dte） txc 它是把发送数据的码元定时信号送给modem的定时信号线路。db(114)：发送信号码元定时（dce） txc 它是把发送数据的码元定时信号送给数据终端的定时信号线线路。dd（115）：接收信号码元定时 rxc modem用这条电路把它产生的接收信号码元定时发送给dte。l 反向信道信号线反向信道又称第二信道。rs-232c中反向信道信号线有五条。sba（118）：反向信道发送数据 sbb（119）：反向信道接收数据 sca（119）：反向信道请求发送 scb（120）：反向信道允许发送 scf（122）：反向信道载波检测 各信号线的意义和正向信道对应信号线的意义相同。2.2.2 接口信号线的使用一般情况下，接口电路经常使用的有12条信号线，其中发送码元定时信号常采用内同步，因为一般的modem中都有发送时钟。对于异步通信，不使用定时信号线，常用的接口信号线只有8条，如图2.2： 图2.2 pc机异步口与modem的连接2.2.3 rs-232c接口的缺点及用光纤传输的克服虽然rsa-232c标准以被承认并广泛用于各个领域，但一般来说rs-232c接口标准有如下缺点：数据传输速率慢（一般只能达到20kb/s）；传输距离短（一般装置间电缆长度为15m之内）；接口处信号容易互相干扰，传输距离越长干扰越重。而加上电光、光电转换接口用光纤传输，就很好的克服了上述缺点。在前面也提到光纤具有速度快、频带宽、抗干扰等优点，在通信领域的作用越来越重要，采用光纤作为传介质是必然趋势。而在此光纤传输系统中，只使用rs-232c的三条信号线，如图2.3所示： 图2.3 rs-232接口系统示意图接口电路与计算机或终端用三条信号线连接：rxd（收），txd（发），gnd（地）；由rs-232标准接口与接口电路进行连接，根据通信双方进行通信。由于双方用光纤隔离，没有公共信号地，共模噪声就不会耦合到系统中去，所以系统抗干扰能力强，只有接口电路的光功率足够大，传输距离就足够远，而且在传输过程中不受干扰。93 多路复用原理及应用3 多路复用原理及应用3.1 多路复用器多路复用器具有定逻辑电路，它们通过频带（频分多路复用）或通过预先规定的时（时分多路复用），产生组合输出传送，其结果使传送的总输出量等于各个输入数据的总和。3.2 复用技术常用的复用技术主要有两种，即频分复用（fdm）和时分复用（tdm）。时分技术又分为两类，一类是传统的固定时隙形式，另一类是统计和智能复用器的可变时隙形式。3.2.1频分多路复用（fdm）频分复用器的基本原理，是由多个数据信道共用传输线路频谱。每个信道分别占用永久分配给它的一个频段。他们被称为数据频带或子通道。如果总带宽f被分成n个信道，则每个信道的带宽f/n。不过每个只能以远低于可用频带f/n的速率传输信息。为了防止通道间信号干扰，每个数据频带间用一定的防护频带相隔离，如图3.1所示，一般来说，频带漂移是信号干扰的主要原因，一定宽度的防护带能防止一个通道的数据漂移到另一通道中。 图3.1 fdm的信道间隔 实际上，fdm包括每个数据频带的信道装置和公用逻辑电路，如图所示。每个信道装置又包括调到特定频率的发信机和接收机。在每个信道分配的频率上，以信号的有或无来表示二进制。在fdm中，每个频带带宽决定了此信道传输速率能力，线路总带宽是确定所服务的信道总数的限制因数。虽然图3.2表示多点业务，但fdm设备也可用于点对点线路上两个位置间数据的复用。由于信道装置以一定的频率调制线路，故远端无须设调制解调器。 图2.5 频分多路复用 图3.2 频分多路复用由于线路的实际带宽限制了可复用的设备数，所以fdm主要用于低速异步终端的复用，采用这类设备的优点是代码透明，数据频带一经建立，任何终端不涉及编码就能以此速度或低于此速度在该信道上传输。3.2.2时分多路复用（tdm）（1）复用原理在fdm技术中是以通信线路的带宽作为参考基准，总带宽被分为很多小段的可用带宽为子信道，每个都是独立的数据信道。在tdm技术中，线路的综合能力是参考的基准，多路复用器通过时间交错方法为很多终端提供字公用线上传输数据的条件，通过将很多低速设备与tdm复用器相连，使这些终端分别利用同一线路进行传输。为了单独使用，给每个终端分配一个时隙，所以任意时刻只有一个终端信号在线路上传输，而fdm技术是给个信号占用不同的频带，所有信号同时传输。时分复用器的作用是以一定的顺序对各终端进行扫描，使数据以串行的形式发往线路，也就是交替地对各个终端的数据进行采样，以同时传输多道数据。tdm的基本工作原理如图3.3所示。 图3.3 时分多路复用它的每个低速或中途终端通过输入/输出（i/o）信道适配器与复用器相连。此i/o适配器为从终端到复用器发送和接收数据提供所必须的缓冲与控制功能，在每个适配器内设有缓冲器或存储区，用以补偿终端与复用器内部运行间速度的差别。数据从终端到i/o适配器以不同的速率传输，这主要取决于终端的速度；但当数据从i/o适配器到中心逻辑电路传输时，或从中心单元到组合适配器时，却以很高的tdm固定速率传输，然后再从适配器到终端，这是以该终端能接受的速率传输，因此从复用器的输出到每个数据终端的这种转换是合理的。依据tdm系列的类型，每个适配器的缓冲区可寄存二进制或字符。 tdm的中心逻辑单元包括控制、监测、和定时电路，以便于各个终端的数据在高速传输介质中通过。此中心逻辑单元能产生同步帧，它用于扫描电路，按预先规定的顺序访问每个信道适配器缓冲区，使每个缓冲区的字符组化为连续的、同步数据流，然后通过组合适配器。此适配器包括有缓冲器，其功能类似i/o信道适配器，然后它可补偿高速传输介质与复用器内部速度的差别。（2）tdm技术 tdm可采用位交错和字符交错两种技术，每个时隙的周期，可以按位、字符、或字组来划分。按位交替的时分复用器的优点是简单、延迟小。按字符交替的时分复用器价格一般比较贵，传输延迟大。但字符交替的时分复用器能更有效的利用传输线路。字组交替的复用器很少用。 位交错通常用于同步终端系统，而字符交错常服务异步终端系统。当以位为基础进行交错时，复用器从每个新到适配器取1位，然后将他们组合为字或帧进行传输。如图3.4所示：此技术由每个新适配器的1个数据元素产生一帧。 图3.4 按位交错的tdm技术 当按字符完成交错时，复用器收集所有的字符组成一帧，然后传输全部字符，如图3.5所示，虽然图描绘的是只包含一个自负的信息帧，但为了提高传输效率，很多复用器都传输包含有大量数据字符的长帧，以减少与每帧相联系的同步位。图3.5 按字符交错的tdm技术由于字符交错方法是按顺序保存字符的所有位，因此可取消字符中的分辨信息，此信息一般作为字符的一部分传颂。例如用33型的电传机或例如用33型的电传机或ibmpc机发送异步数据，所发送的字符为10或11位，其中包括一个起始位，7个数据位，1个寄偶位以及1个或2个终止位。用位交错方法时，可传输所有的10或11位，以保持字符的完整性；而用字符交错系统时，可取消起始和终止位，仅仅传输7个数据位，有些系统则保留奇偶位，本设计采用时分复用，并且采用的是字符交错，在系统中，由异步/同步转换芯片（mc145428）将每个通道数据的起始位和停止位，保留8位数据位。 时分复用器的每一个信道分配一个固定不变的时隙，这样得到的串性数据按固定的格式组成一帧，每一帧的起始一般有一个同步用特殊码组。必须指出，时分复用器只能按同步方式工作，因为传输线路的两端必须以同样的同步基准对终端进行扫描。也就是，收/发两端必须以同样的顺序对终端进行扫描。因此，这种复用器称为同步时分复用器（stdm）。虽然线路两端的复用器和解复器必须同步工作，但数据可以按同步或异步方式传输。每一信道都可以根据终端的数据来利用分配给它的时隙。并且在时隙周期内与复用器的工作方式无关。 时分复用器最主要的优点是采用了数字信号，不需要模拟/数字变换。这样数字可以直接输入计算机，也可以在途中进一步操作，如重选地址等。3.3 数据光端机复用原理复用部分原理如图3.6所示：图3.6 复用部分原理电路 每一路rs-232信号先经过max232芯片将rs-232电平转换为ttl电平，在经过mc145428异步同步转换，用外部时钟控制使八路信号同步，经过mc14015b移位寄存器的使能脉冲的输出，对八路信号进行时分复用，再输出到光发送、接收单元。具体分析如以下部分。3.3.1 电平转换 max232芯片是一个双向驱动/接收芯片，它采用单一5v供电经过一个电容电平发生器提供rs-232电平，每个接收器使eia-232输入转换为5- ttl/cmos电平，接收器可允许+-30-v的输入，每个驱动器将ttl/cmos电平转换为rs-232电平。芯片管脚和应用电路如图3.7和3.8所示。 图3.7 max232 图3.8 应用电路图max电平范围如表3.1所示：表3.1 max232电平范围表min nor maxunit供电电压 4.5 5 5.5 v高电平输入电压， v（t1in，t2in）2 v低电平输入电压， v（t1in，t2in） 0.8 v接收器输入电压， r1in，r2in 30 v允许温度，ta0 70 对于rs-232信号，当转接电路的电压（v）在+3v和+15v之间时，我们认为转接电路处于“on”开启状态，相反若电压在-3v和-15v之间，则会使转接电路置于“off”状态，电压在+3v和-3v的范围内变动只是变化程度的问题，而不改变电路状态其转接电路电压范围如下：+15v 正电压范围的开启（on）功能+3v 跃变区域-3v 负电压范围的关闭（off）功能-15v 转接电路电压范围 由于max232芯片允许输入电压范围30v，所以rs-232信号经过max232芯片后电平转换为ttl电平，波形如下： 图3.9 转换波形图3.3.2 dsi特性mc145428是motorola公司生产的数据设备接口（dsi）电路，用于实现异步到同步、同步到异步数据的转换。其管脚图及功能图如下： 图3.10 管脚图 图3.11 mc145428的功能图 mc145428发送电路将txd端输入的异步数据转换变成同步数据经dco端输出。txd端输入数据包括1位起动位（低电平）、8或9位数据位及1位或多位停止位（高电平）。数据位波特率则由br1、br2、br3选择。见表3.2表3.2 速率选择br1 br2br3比特率（b/s）bc输入（mhz）brclk(khz)0000128k(可变)02.102100001 38.4k4.096614.4010 19.2k4.096307.2011 96004.096153.6100 48004.09676.8101 24004.09638.4110 12004.09619.2111 3004.0964.8由于rs-232标准速率不能超过20kb/s，本设计中采用每路输入数据速率为19.2 kb/s，br1，br2接地，br3接高电平。bc接4.096mhz的时钟，经内部分频得到所用比特16倍的时钟信号。dl为数据位输入。此端高电平时数据为9位，低电平时数据字为8位，本设计中采用数据字为8位，dl管脚接地，sb为停止位位数控制输入，该端控制在rxd端输出的异步数据停止位。本设计中采用1位停止位，sb接地。异步数据经数据分离电路去除起始位，停止位后进入发送fifo寄存器，fifo深为4个字。此后，发送fifo顶的数据字送入同步信道发送器，利用专门的0插入技术对发送数据处理后在dc、cm、doe的控制下每次发送1位。所谓0插入技术即在发送分离后的数字时，每遇到连续5个1则在其后插入0。因此经头脑干部信道发送器发出的数据有三种形式：插入0后的数据字；同步标志（01111110）；间歇状态（11111110）。接收电路则完成相反的工作。在dc、die控制下将dci端的同步数据送入mc145428。同步信道接收器完成帧信息监测、间歇状态监测和数据恢复功能。恢复后的数据字送入接收fifo寄存器（亦为四个字）。此后，接收fifo顶的数据字送入数据格式化电路，插入起始位、停止位重新构成异步数据后经rxd端输出。reset端为低电平时将电路初始化，reset为高电平时mc145428进入正常工作状态。同步信道发送器开始发送同步标志，直至有数据字到达发送fifo顶。reset变高后txs线立即变为高电平，rxs则保持低电平直至检测到帧同步标志。在复位期间dsi的同步信道接收部分处于保持状态，reset变高后，这部分仍处于保持状态，直至检测到dci端的同步标志。接口部分有三种基本工作方式。第一种是连续方式，这种方式下cm为低，doe和die端为高。在dc时钟的下降沿确定dco端数据的新数据位，在dc时钟的每个下降沿接收dci端新输入的数据位。第二种方式为同步定时方式，此时cm为高，同步信道发送器每次确定8位，同步信道接收器则每次读入8位。这种定时方式下每个基本周期内进出dsi数据也可以少于8位，但不能多于8位。本设计就是采用这种工作方式。第三种方式，每次进、出dsi同步侧的数据位数不受限制。这时cm为低，doe和die高电平分别允许同步输入、输出。而这八个dsi何时输入、输出，其时隙分配由时序电路控制。3.3.3 时序电路 时序电路由12级脉冲计数器（mc74hc4040）和移位寄存器（mc14015b）组成，计数器由4.096mhz晶体振荡器驱动。mc74hc4040的管脚图及功能如图3.12和3.13所示。 q1对输入时钟进行二分频，q3对q2二分频q5产生128khz时钟信号，经反向器反向后作为mc145428的dc输入，q9产生8khz时钟信号，作为mc14015b移位寄存器的移位脉冲信号，即没125us移位脉冲输出移一位，也就是每个信道分配125us的时隙。q12产生1khz的脉冲信号，q12经过一个反向器后接第一个移位寄存器（mc14015b）的d端，作为移位寄存器的输入，在8khz时钟控制下移位，q12产生的脉冲在高电平输出时经启动移位寄存（mc14015b）而偏移以对dsi生成8个无叠加启动。由于q12输出低电平频率为1khz，所以移位寄存器d每1ms产生一个高电平，经过移位寄存器（mc14015b）输出将这一微秒分配给这8个信道，每个信道分配125us。 图3.12 mc74hc4040管脚分配图3.13 mc74hc4040功能图图3.14 mc74hc4040输出波形图mc14015b为4位移位寄存器，其管脚和功能图3.15：mc14015b是4位寄存器，它由两个相同的，各自独立的4位静态输入输出寄存器组成，每个寄存器都有独立的时钟和复位输入端口，在时钟的高电平时移位脉冲由一个寄存器移到下一个，在q0、q1、q2、q3输出，在时钟控制下，每次移一位，由于mc74hc4040时钟发生器的q12端输出1khz信号，也图3.15 mc14015b管脚及功能图就是每1产生一个高电平信号，由移位寄存器处理后作为dsi（mc145428）的使能端输入，而移位寄存器（mc14015b）的移位脉冲由mc74hc4040的q9产生的8khz信号，也就是125us移位寄存器移一位。其第一个移位寄存器的q0、q1、q2、q3分别接0、1、2、3通道的dsi使能端，q3同时接到第二个移位寄存器的d输入端，作为输入，第二个移位寄存器的q0、q1、q2、q3分别接通道4、5、6、7的dsi使能输入端，这样，在mc14015b移位寄存器的作用下，就对八个通道进行了时隙分配，每个通道分配125 us，每一秒产生一个高电平，在此高电平作用下，八个通道进行一次循环输出达到时分复用的目的。其时隙分配如图所示：图3.16 八通道时隙分配图对整个电路来说，假设ch0输入数据为：0001101001 0101110011 ch7输出数据为：0110001111 0011101011（包括一位起始位，一位停止位，一位奇偶校验位，数据采用奇校验）则其各点波形应为：1点：如图3.16，图3.17 1点波形2点：如图3.17经max232芯片作用后，将输入数据的rs-232电平转换为ttl电平。 图3.18 2点波形3点：如图3.18，同步异步转换电路（mc145428）芯片作用后，将数据的起始位、停止位去除，保留奇偶校验位，并加上同步标志（01111110）后输出 图3.19 3点波形4点：如图3.19，通过时隙分配，将八个通道的数据经过复用后合为一路，以下是在1ms内的情况。将数据合为一路后将送入光端机，接收过程执行相反的操作。 图3.20 4点波形204 光端机4 光端机4.1 光发射机这部分将对光发射机的组成、调制方式、光源驱动电路及各部分工作原理做一全面介绍。4.1.1 光发射机组成光发射机主要由光源、驱动电路、输入电路、保护报警电路、自动偏置电路、控温电路以及数据电路等几部分组成。图4.1是光发射机组成基本原理图，图4.2是光发射机基本功能框图。 图4.1 光发射机组成基本框图 图4.2 发射机基本功能框图电信号首先进入输入电路，在这里将输入电信号进行整形并完成非归零变换。光源驱动电路给光源一个预偏置电流，以便提高工作速度，为稳定输出光平均光功率和工作温度，设置自动偏置控制电路，输入电信号通过调制光源工作电流的方法，将电信号调制在光波上。此外，在光发射机中还设置报警电路，对光源寿命以及工作状态进行监测报警，还设置光源自动关闭电路以防止因激光暴露对工作人员产生的伤害等等。4.1.2 光发射机技术性能一般讲，光发射机的技术性能主要包括以下几个方面：（1）光源性能 光源采用发光二极管、激光二极管或激光器组件。这里光源性能应包括工作波长、频谱宽度、工作电流、门限电流、光源特性曲线、寿命等。（2）光源的调制方法 目前使用设备广泛采用对光源的模拟强度调制和脉冲编码、光强数字调制两种。传输速率 传输速率是指对光源工作电流的直接调制速度。（3）输出光功率 光发射机的输出光功率一般的是指入纤光功率，其范围可以从0.01到10。（4）输出光功率的稳定性 光源输出光功率应保持稳定，环境温度变化和光源老化对光源的影响应当在影响范围之内，一般要求稳定度在5%10%左右。（5）消化比 对于数字脉冲光发射机，消化比这个指标很重要，它定义为全“0”时平均光功率和0全“1”时平均光功率p1之比，可用ext表示，定义式如下： ext= (4-1)（6）无张驰振荡 不允许输出光脉冲存在张弛振荡，一般地都采用阻尼元件消除振荡，确保光发射机工作正常。4.1.3 调制方式这里的调制方式主要指对光源的调制，即将要发送的信号调制在光波上，以光波为载波的信息送入光纤传输到接收端。光纤通信中采用的调制方式光纤通信系统设备的研制近十年来取得飞跃发展，目前主要采用两种体制，一是外部调制，另一种体制是外部调制-外差接收体制设备。（1）内部强度调制-直接检测体制采用内部强度调制-直接检测体制的设备是，在其光发射机中直接用准备传输的信号去调制光源的某个参数，或者具体地说，用准备传输的信号去直接调制半导体光源的工作电流，从而实现对光源的强度调制，在接收端对接收信号做直接检测。内部强度调治往事目前实用化工程广泛采用的方式，下面做具体介绍。设调制信号工作于光源p-i特性的线性区，p-i特性线性段的斜率为s（s=p/i），则已调光信号为： （4-2）式中：光载波平均输出功率；调制度；调制信号角频率。已调波输出特性如图4.3中的波形1。基带调制led光输出特性如图4.3所示。图中i为预偏置电流，选在led的p-i特性线性段中间，当正弦波信号幅度为i增为i时，输出光功率包络仍为正弦波，无失真，调制度小。当i增为i时，调制度太大，便工作于led非线性区，因此，输出的光功率包络产生失真，使本来的正弦波的上下顶部边缘扁平，如图中波形2。图4.3 基带调制光输出特性示意图脉冲调制ld光输出特性示意见图4.4图4.4 脉冲调制光输出特性示意图图中偏置电流i一般选在ld的 值电流i附近，所以脉冲电流幅度i，根据器件参数和实际应用中的要求而定。在脉冲调制中也有一个类似于调制度的参数，即所谓光脉冲“消化比”，一般认为10较合适，太大会使光接收机灵敏度的劣化量增大。（2）几种典型外调制方式光频调制主要有三种形式即：光的幅度键控（ask）、光的频移键控（fsk）和光的相移键控（psk）在此不再作具体说明4.1.4 光发射机（1）驱动电路驱动电路，又有线性驱动电路和脉冲驱动电路之分，线性驱动电路主要用于基带模拟信号，如副载波调制信号传输，而脉冲数字和脉冲驱动电路。数字和脉冲驱动电路，（以下简称脉冲驱动电路），有led驱动电路与ld驱动电路之分，二者最大的区别是led需要的脉冲驱动电流峰值比ld要大，前者通常要50150ma，而后者则为1040ma。当然适于led的高速脉冲驱动电路必定适于ld，只要将驱动电流适当调小即可，但适于能响应脉冲的低电平，高速率和提供光源所需的足够的脉冲电流。这里只介绍led脉冲驱动电路。led驱动电路如图4.5所示： 图4.5 led脉冲驱动器电路图4.5是能满足上述要求的最简单的脉冲驱动电路，当输入信号v为“0”或“1”时，晶体管bg分别工作于截止，饱和的开关状态，饱和时led输出光脉冲。rc为加速电路，可改善驱动脉冲的前后沿。r为限流电阻；如果电路中接入r，可提