光纤数字发送及接收系统设计.docVIP

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Abstract The rapid development of information construction in recent years,the demand for data, voice, image and multimedia communications is growing.This greatly accelerated the development of optical fiber communication.As the traditional Ethernet transmission distance and coverage is no longer meet the need,Fiber-optic communications long distance transmission capacity of information.Optical fiber communication has an important significance for the construction of information technology.Optical fiber communication technology is standing out from the optical technology as a widely used,it has become the main pillars of modern communications,so it plays an important role in modern telecommunications networks.The sources of information to the user is converted to the original signal,this signal is called the baseband signal.Power transmitter baseband signal is converted into a signal suitable for transmission of the channel,it needs modulation,its output signal is called modulated signal.Then the modulated signal input optical transmitter for optical signal,the optical carrier is transmitted through fiber-optic lines to the receiving ,then convert optical signals into electrical signals by the optical receiver.The function of the electrical receiver and the power transmitter are contrary,it helps the received signal to convert to the baseband signal.Finally, information on places to restore the user information. The main task of this research is to design a set of analog signals to digital fiber optic transmission and receiving systems, digital transmission of an analog signal. Time-division multiplexing ways to transmit multi-channel digital signal after the A/D converter, account the synchronization of the receiving part, the receiving end the received signal solution of time-division multiplexing. The system mainly uses a special codec chip multi-channel data transmission using time division multiplexing technology, relying on the synchronization system functions. This paper will optical transceiver module,decoding principles and achieve research to achieve.【Key Words】Optical Transmission; Time multiplex; AD Conversion module Photoelectric module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124.1 A/D574A转换模块设计124.2 D/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211 A/D转换模块电路212 D/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：1D分组，用于数据字节编码。2K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2-1 8B10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，并且有电流/电压变换。前置放大器是光接收的关键部分之一，它直接影响接收机的灵敏度，因此它必须满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控制 经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普通的宽带放大器，它是在满足一定带宽情况下，提高信号的幅度而不须考虑噪声，在开环情况下，一般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影响而发生变化，如线路的长度不同，线路衰减的变化，发送光功率的波动，使得接收功率发生变化，为了保证主放大器输出的恒定，就必须具有自动增益控制功能，自动增益控制电路应该保证放大器不要随之而失真，且放大器的带宽不会改变，一般要求自动增益控制范围为3050dB,甚至更大。4. 均衡和滤波经过主放大器放大后的电信号送给均衡滤波器，均衡电路的主要作用是对经过光纤线路传输，已发生畸变的和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其变为码间干扰尽可能小的信号，以利于定时判决，由此可见，均衡器的作用是对某些频率成分进行补偿，对某些频率成分进行抑制或者滤除，同时，也对部分噪声进行滤波，最终使判决达到最佳，灵敏度损伤最小。5. 时钟提取与判决 判决器由判决电路和码形成电路构成。判决器和时钟恢复电路合起来构成脉冲再发生电路，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，恢复位“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佳工作装填时，光接收机接收微弱光信号的能力。在数字接收机中，允许脉冲判决有一定的误差范围。如果接收机将“1”码误判为“0”码，或者将“0”码误判为“1”码，这就叫1个错误比特。如果在100个比特中判错了一个比特，则称误比特率为1/100即10(-2)。一般要求系统的误比特率小于10(-9)，即10亿个脉冲只容许发生一个误码13。 影响接收机接收灵敏度的主要因素是噪声，表现为信噪比。信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。光接收机灵敏度是系统性能的综合反映，除了上述接收机本身的特性以外，接收信号的波形也对灵敏度产生影响，而接收信号的波形主要由光接收机的消化比和光线的色散来决定。光接收机灵敏度还与传输信号的马速有关，码速越高，接收灵敏度就越差。这就影响了高速传输系统的中继距离。速率越高，接收机灵敏度越差，中继距离就越短14。7. 接收机的动态范围光接收机前置放大器输出的信号一般较弱，不能满足幅度判决的要求，因此还必须加以放大。在实际光纤通信系统中，光接收机的输入信号将随具体的使用条件而变化。造成这种变化的原因，可能是由于温度变化引起了光线损耗的变化，也可能由于一个标准化设计的光接收机，使用在不同的系统中，光源的强弱不同，光线的传输距离也不同。这样，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，否则会造成过大的误码。但接收信号也不能太强，否则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，光接收信号的强度应该有一个范围。把光接收机在保证一定的误比特率条件下，所能接收的最大光功率与最小光功率之差，称为光接收机的动态范围。一般希望光接收机的动态范围越大越好，实际中一般为1620dB。4各模块的设计4.1 A/D574A转换模块设计AD574A是由一片模拟电路和一片数字电路组成的混合式集成芯片，是一个完整的逐位比较式12位模/数转换器，具有可与8位、12位或16位单片微机直接接口的三态输出缓存器。1. AD574A有两组控制管脚：一般控制管脚（CE、CS、R/C）和内部寄存器控制管脚（12/8和A0）。CE、CS、R/C：主要控制启动转换和读允许。当CE=1，CS=0，R/C=0时，启动转换；当CE=1，CS=0，R/C=1时，读允许。2.内部寄存器控制管脚12/8和A0：主要控制数据输出形式和转换时间的长短。若12/8=1，当一般控制管脚发出读数据命令时12根输出数据线上的数据均有效；若12/8=0，对于一个8位的接口，则根据A0的状态来确定是高8位有效还是低4位有效；这时数据线低4位要硬连接到数据线高4位上。在这种情况下，若A0=0读出高8位数据；若A0=1，高8位数据线禁止，读出低4位数据。在转换周期开始前，若A0处于低电平，完成完整的12位转换需要25us；若A0处于高电平，仅完成8位转换，大约需要16us。为了与8位总线接口，需占据两个存储器地址（用A0来选择）当A0为低时，执行的写操作是启动一次完整的12位转换周期；而当A0为高时，执行的写操作是启动一次8位的短转换周期这样的读数精度低而速度快。3.STS为状态线，当转换开始时，它变高；在转换过程中，一直维持为高；转换周期结束时，它将变为低15。4.2 D/A转换模块设计D/A转换器的作用是完成信号由数字量到模拟量的转换。数字量是由二进制代码按数位组合起来的。为了实现数字量到模拟量的转换，必须将每位代码按其权值的大小转换成相应的模拟量，然后将各路模拟量相加，其总和就是数字量对应的模拟量，这就是D/A转换器的基本原理。为与发送端相对应，本系统接收端必须采用12bitD/A转换器。D/A转换芯片采用ADI公司AD5445，其转换速率为20Msps，AD5445管脚的功能如下表4.1。表4.1 AD5445各管脚功能管脚号管脚名功能1IOUT1数模转换电流输出2IOUT2模拟地输入端3GND接地4-15DB0-DB11数字信号输入端16CS芯片使能控制端输入，低电平有效17R/W读/写控制；低电平时，写入数字信号18VDD2.5V5.5V正电压供电19VREF参考电压输入端，范围为-10V+10V0RFB反馈电阻引脚 根据前面分析，D/A转换模块电路及其与芯片的连接设计如图3.2.2。AD5445采用+5V供电；数字信号输入端DB0DB11同芯片的12位数据输出端相连，电容C6、C7起稳压作用（C9C10、C11C12、 C13C14同理）；运放Am741采用12V电压供电；芯片ADR01的作用是将12V电压（VDD）转换成+10V电压，输入到VREF。4.3 编/译码模块设计 由于线路码型是用于传输的码型，因此在光发送机中，必须将普通的二进制码流进行码型转换，即进行编码，成为线路码去调制光源器件，变成光脉冲送到光纤中传输。需要强调的是，为了正确译码，接收端必须考虑组同步的问题。发送端编码器选用是CYPRESS半导体公司推出的一种用于点对点之间高速串行数据通信的发送芯片CY7B923，与接收部分的接收芯片配套使用。芯片CY7B923的内部电路主要包括输入寄存器、编码器、时钟发生器、移位器、测试逻辑和三对PECL输出端口。编码器和光/电转换模块的互联，根据对编码芯片的结构及实现功能的分析，图4-1给出了编码芯片与光接收模块的连接电路以及其部分的外围电路。我们用的芯片工作方式是编译码方式，图中MODE控制的就是编码还是旁通方式，Data为数据输入输出端，和状态信息输出端（SC/D、RVS、RDY）与芯片数据输入输出端连接。REFCLK上的时钟信号都是由外部晶振提供16。图4-1-1 编码器的连接电路接收端译码器选用的是CYPRESS半导体公司推出的一种用于点对点之间高速串行数据通信的接收芯片CY7B933，与发送部分的发送芯片配套使用。芯片CY7B933的内部电路主要包括两对PECL串行输入接口、PECL/TTL电平转换器、时钟同步器、成帧器、移位器、译码寄存器、译码器、输出寄存器和测试逻辑等几部分。译码器和光/电转换模块的互连，根据对译码芯片的结构以及实现功能的分析，图4-1-2给出了译码芯片。图4-1-2 译码芯片图中MODE控制的就是直通方式的译码，Data为数据输出端，和状态信息输出端（SC/D、RVS、RDY）与芯片数据输入输出端连接。REFCLK上的时钟信号都是由外部晶振（与编码芯片相同）提供，系统中译码芯片与光纤驱动模块之间的引线采用直流耦合连接方式，匹配电阻应尽量靠近终端模块。光接收模块上有一个引出信号SD，它为断缆信号，把它与译码芯片的IB-端口相连，当接收器接收不到光信号时，SD会通过IB-给译码器一个信号，通过译码器的PECL-TTL转换电路从一个SO端输出一个TTL信号，SO端口与芯片的使能控制端相连，这个TTL信号就会有效时芯片不工作或无输入输出，断缆指示灯亮。断缆信号主要是从整个系统的安全性考虑的17。4.4 光/电、电/光转换模块设计由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经前置放大器后输出相应码率的电信号。 包括光接收模块，光发送模块，光收发一体模块，光转发模块等。 光收发一体化模块主要功能是实现光电/电光变换，包括光功率控制、调制发送，信号探测、IV 转换以及限幅放大判决再生功能，此外还有防伪信息查询、TX-disable 等功能，常见的有：SFP、SFF、SFP+、GBIC、XFP 、1x9等。 光转发模块除了具有光电变换功能外，还集成了很多的信号处理功能，如：MUX/DEMUX、CDR、功能控制、性能量采集及监控等功能。常见的光转发模块 有：200/300pin，XENPAK，以及X2/XPAK 等。4.4.1光收发一体模块定义光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号。经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为PECL电平。同时在输入光功率小于一定值后会输出一个告警信号18。4.4.2光纤连接器的分类和主要规格参数光纤连接器是在一段光纤的两头都安装上连接头，主要作光配线使用。 按照光纤的类型分：单模光纤连接器（一般为G.652纤：光纤内径9um，外径125um），多模光纤连接器（一种是G.651纤其内径50um，外径125um；另一种是内径62.5um，外径125um）； 按照光纤连接器的连接头形式分：FC，SC，ST，LC，MU，MTRJ等等，目前常用的有FC，SC，ST，LC，见图710。 FC型-最早由日本NTT研制。外部加强件采用金属套，紧固方式为螺丝扣。测试设备选用该种接头较多。 SC型-由日本NTT公司开发的模塑插拔耦合式连接器。其外壳采用模塑工艺，用铸模玻璃纤维塑料制成，呈矩形；插针由精密陶瓷制成，耦合套筒为金属开缝套管结构。紧固方式采用插拔销式，不需要旋转。 LC型-朗讯公司设计的。套管外径为1.25mm，是通常采用的FC-SC、ST套管外径2.5mm的一半。提高连接器的应用密度。4.4.3光模块主要参数光模块传输数率：百兆、千兆、10GE等等 光模块发射光功率和接收灵敏度：发射光功率指发射端的光强，接收灵敏度指可以探测到的光强度。两者都以dBm为单位，是影响传输距离的重要参数。光模块可传输的距离主要受到损耗和色散两方面受限。损耗限制可以根据公式：损耗受限距离（发射光功率-接收灵敏度）/光纤衰减量 来估算。光纤衰减量和实际选用的光纤相关。一般目前的G.652光纤可以做到1310nm波段0.5dB/km，1550nm波段0.3dB/km甚至更佳。50um多模光纤在850nm波段4dB/km 1310nm波段2dB/km。对于百兆、千兆的光模块色散受限远大于损耗受限，可以不作考虑。4.4.4光收发模块主要电路设计光发送模块电路如图4-2-1所示：图4-2-1：光发送模块驱动电路驱动电路包括下列部分：l 差分电流开关电路向LD输出调制电流l 偏置电流发生器向LD提供直流偏置电流l 自动功率控制（APC）电路在不同温度和LD老化的情况下，改变IBIAS，保持PAVG不变l 故障告警、保护电路l 调制电流、偏置电流监控电路l 输入端整形电路（D触发器）光接收电路如图4-2-2所示：图4-2-2：光接收电路5 总结与展望本课题完成的是模拟信号数字光纤传输系统的硬件电路设计。根据系统的功能和相应的技术指标，完成了系统的整体结构设计；详细阐述了系统的设计思想以及其中关键技术的研究；并作出了整体电路和各模块电路的原理图。在同步系统中，必须要实现同步才能进行正常的通信，而信号是以帧的格式进行传输的，所以实现帧同步是至关重要的。在本系统中，帧同步是由译码芯片CY7B933实现的。通过本课题的设计，对编、译码芯片以及A/D、D/A转换芯片的原理和使用方法有了更深入的理解，并且在系统的设计中，本人的能力有了很大的提高。参考文献1刘爱雄.光纤通信接口的设计与实现.J硕士学位论文.西安：西安电子科技大学，2003:2孙学康，张金菊.光纤通信技术北京M.北京邮电大学出版社，2001:213刘增基，周洋溢，胡辽林等.光纤通信M.西安：西安电子科技大学出版社，2001.14王磊，裴丽.光纤通信的发展状况和未来J.中国科技信息，2006(4):59605王加莹.长途超大容量DWDM光通信技术及发展J.光通信技术，2