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浙江工业大学颂十学位论文 突发光信号接收检测模块设计与研究 摘要 近几年来，突发模式的数据传输方式正在越来越多的应用于数字通信系统 中，这些系统通过光纤、无线和同轴电缆等媒质实现点到多点的连接。各国的设 计人员都在使用时分多址( t d m a ) 技术进行本地接入方式的研究王作，例如在本 地接入方式中，利用工作于突发模式的无源光网络( p o n ) 实现光纤到用户、光纤 到路边的连接。 随着光纤通信技术得到极大的发展的同时，不断有新的技术涌现出来。在光 纤接入网中，p o n 被认为是消除最后一公里瓶颈的最有效技术。在p o n 系统中， 我们会面对接收突发信号的问题，突发信号与连续信号相比有很大不同，传统的 光接收技术无法做出透当的响应；光纤通信技术的飞速发展，光纤测试设备也同 步发展起来，而普通的标准光功率计只能测试连续的光信号，而无法正确检测突 发光信号，这就需要特殊的技术一光突发模式接收和光突发模式功率检测技术。 首先研究了光突发模式接收技术。总结了现有的技术方案，选择具有较大优 势的蓠馈式接收技术方案展开研究。针对现有光突发模式接收技术的不足，进行 了较大幅度的改进，完成了接收模块的完整设计，包括可变增益跨阻抗前置放大 器以及限幅放大器的完整设计，并在1 2 5 g b s 速率下进行了仿真。接收模块性能 得到较大幅度的改进，接收机灵敏度为2 8 1d b m ，动态范围2 7 6 d b ，与现有的接 收褫技术相比，均褥到了较大幅度的提高。 然后，在15 5 m b s 传输速率下，本文研究了基于d s p 技术的高速数据采集系 统的设计与实现问题，根据p o n 系统中突发信号的特点，系统分为模拟信号接收 模块和数字信号处理模块，模拟信号接收模块由前置放大器a d 8 0 1 5 、峰值检波 电路、限幅放大器m a x 3 7 6 1 、复位脉冲产生电路凡部分构成，实现高速光突发 信号的接收和放大；数字信号处理模块由高速a d 转换器a d 9 4 8 1 和高速信号处 理器芯片t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 组成，实现高速光突发信号的模数转换，正确检测出突 浙江工业大学硕二卜学位论文 发光信号发射机激活发光期间的平均光功率。 关键字：无源光网络，光突发接收，数据采集，数字信号处理 浙江工业大学硕1 ：学位论文 d e s i g na n dr e s e a r c ho fo p t i c a l b u r s t m o d es i g n a lr e c e c i n ga n d d e t e c t i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eu s eo fb u r s tm o d ed a t at r a n s m i s s i o ni s i n c r e a s i n gi nd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e s e s y s t e m su s ep o i n t - t o - p o i n ta n dp o i n t - t o - m u l t i p o i n t c o n n e c t i o n so v e ro p t i c a l ，w i r e l e s s ，a n dc o a x i a lm e d i a d e s i g n e r si nw o r l d w i d ea l e w o r k i n go nl o c a l a c c e s sa p p r o a c h e su s i n gt i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( t d m a ) t e c h n o l o g y s o m ee x a m p l e si n c l u d eu s i n gp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) t or e a l i z e f i b e rt ot h eh o m e , f i b e rt ot h ec u r b w i t l l o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n d e v e l o p e ds i g n i f i c a n t l y , a l lk i n d so f t e c h n o l o g i e sa l ep r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k i no p t i c a lf i b e r a c c e s sn e t w o r k s ，p o ni ss e e na st h em o s te f f e c t i v et e c h n o l o g yt oe l i m i n a t et h e b a n d w i d t hb o t t l e n e c ki nt h el a s tm i l e p o ns y s t e ms h o u l df a c et h ep r o b l e mo f r e c i v i n go p t i c a lb u r s tm o d es i g n a l c a m p a l i n gw i mc o n t i n u o u ss i g n a l ，b u r s tm o d e s i g n a lh a sm o r ed i f f e r e n c e s ，s ot r a d i t i o n a lr e c e i v e rc a n n o td e a lw i t hi tp r o p e r l y w i t h t h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，t h eo p t i c a lf i b e rt e s t i n g e q u i p m e n ti si m p r o v i n gr a p i d l y g e n e r a lo p t i c a lp o w e rm e t e ro n l yi su s e dt o t e s t c o n t i u o u ss i g n a l ，b u ts o m es p e c i a lt e c h n o l o g i e sm u s tb eu s e di nt h eo p t i c a lb u r s t m o d er e c e i v ea n dt e s tt e c h n o l o g i e s f i r s t ，t h et e c h n o l o g yo fo p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e ri ss t u d i e d ，e x i s t i n gs c h e m e s a l es u m m e du pa n dr e c e i v e rt o p o l o g yb a s eo nf e e d f o r w a r di ss e l e c t e d f o rt h e d i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n go p t i c a lb u r s tm o d er e c e i v e r , t h ed e s i g ni si m p r o v e dg r e a t l y t h e d e s i g no fo p t i c a lb u r s tm o d e r e c e i v e ri sa c c o m p l i s h e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h e a d a p t i v et r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e rc r i a ) ，l i m i t i n ga m p l i f i e r ( l a ) 。t h ec i r c u i ta r e s i m u l a t e da tb i tr a t e su pt o1 2 5g b s t h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c e i v e rh a sb e e n 浙江t 业大学硕士学位论文 i m p r o v e dg r e a t l y , a n dt h er e c e i v e rs e n s i t i v i t yi s 一2 8 1d b m , d y n a m i cr a n g e i s2 7 6 d b ， w h i c ha r ea l li m p r o v e dg r e a t l y t h e n , ad s pc h i pb a s e dh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e da t15 5 m b s 。a c c o r d i n gt ot h et r a i t so fb u r s to p t i c a ls i g n a li nt h ep o ns y s t e m ，t h i ss y s t e m i n c l u d i n ga n a l o gs i g n a lr e c e i v e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h e b u r s ts i g n a lr e c o v e r c o m p o s e db yt r a n s - i m p e d a n e ea m p l i f i e ra d 8 0 15 ，l i m i t i n ga m p l i f i e rm a x 3 7 6 1a n d c i r c u i to fr e s e tp u l s e , a c c o m p l i s h e dr e c e i v i n ga n da m p l i f y i n go fb u r s ts i g n a l t h e b u r s ts i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ec o m p o s e db yh i g h s p e e d i n ga dc o n v e r t e ra d 9 4 81 a n dd s pc h i pt m s 3 2 0 c 6 2 0 1c a na c c o m p l i s hc o n v e r t i n gb u r s ts i g n a lf r o ma n a l o gt o d i g i t a la n dd e t e c t i n gt r a n s m i t t e rb u r s ts i g n a la v e r a g ep o w e r i n t h ea c t i v eg i v eo u tl i g h t d u r a t i o n k e y w o r d ：p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k , o p t i c a lb u r s tr e c 菇v i n g , d a t aa c q u i s i t i o r , d s p i v 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者繇翟像耖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阕和借阅。本人授权浙涯工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 董、保密口，在年解密后适用本授权书。 。2 、不保密配 作者签名：研德劾嚣期：矽曙年i 胃咱 导师签名： 毒f b 琴 日期：涮年t 乞月2 i 四 4 浙江工业大学硕上学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代光纤通信问世，它采用光波作为信息载体，并采用光导纤维作 为传输介质。这种通信方式以其巨大的可用带宽和极低的传输损耗，在问世后不 久便取代了铜缆，成为有线信道的最主要传输方式。目前一个覆盖全球的光纤通 讯网已建立起来，光纤不仅在长途干线网、区域网中已完全取代了铜缆，而且已 深入居民区、大楼、办公室、乃至偏远的乡村，可以毫不夸张的说光纤通信无处 不在【l 】。 随着光纤通信技术的飞速发展，光纤测试设备也同步发展起来，光纤通信本 身对于传输光的检测与测量显得尤为重要，光纤通信的成功发展是与光纤特性和 光辐射参数的精密测量的必然性是密不可分的。光纤通信的一个最重要的参数就 是传输过光纤的光辐射的功率。光纤光功率计就是测量这种光功率大小的仪器， 根据测量的结果可以得到被测光纤的传输损耗、光纤元件的插入损耗等等【2 4 1 。 最近几年，光纤通信技术得到了极大的发展，不断有新的技术涌现出来。无 源光网络( p o n ) 被认为是消除最后一公里瓶颈的最有效技术。突发模式的数据传 输方式正在越来越多的应用于光纤通信系统。p o n 是一项非常有潜力的新兴光纤 接入网技术，其物理层光纤传输的核心为上行突发模式传输和下行广播传输，尤 其以上行光突发信号的接收、发射问题为难点，突发信号与连续信号相比有很大 不同，这样对光信号的接收检测也提出了挑战，传统的连续光信号接收检测技术 已经无法做出适当的响应，这就需要特殊的技术光突发模式接收检测技术来 对p o n 系统突发上行信号进行正确的接收检测。 1 2 研究目的和意义 国外对p o n 系统光突发模式接收技术的研究相当活跃，到目前为止仍然不断 有高质量的文章发表。其中，前馈式方法最为人们所关注，结合前茵对前馈式方 浙江t 业大学硕士学位论文 法的分析，可以发现前馈式光突发模式接收是目前最有前景的高速光突发模式接 收技术。 光功率检测是光的最基本测量技术之一，广泛应用于光通信设备、光电武器 装备的测试和光器件的生产中，就象小型数字式万用表一样，光功率计已经成为 光纤传输系统维护用的必不可少工具。通常光功率计只能测量出连续信号的光功 率，目前国内尽管光功率计的种类繁多，功能强大，适用范围广，但市面上此类 仪器不仅价格昂贵，而且多为实际工程中光纤通信的需求而设计，在适用光波范 围及绝对功率值大小范围上也是为它们所服务。国内对突发光信号功率计成品报 道还没有，只是局限于理论研究，尽管国外已经有此类仪器的生产，但是价格非 常昂贵。 突发光信号与常规通信系统的光信号的不同点在于：一是其信号幅度的不均 衡；二是在数据流中其相位也不均衡；三是有长连“1 和长连“0 的出现【5 1 。 这种光信号在物理层，从线路上看也是突发性的( 线路上可能有时有光，有时没 有光) ，从光路上看就是一些不连续的光包【6 1 。正确检测出突发光信号就是需要 检测出发射机激活发光期间的平均光功率，而普通的标准光功率计只能正确测试 连续的光信号，这样如果使用传统的光功率计“记录一个采样周期内的平均光功 率 将不能得到正确的测试结果，从而给网络的安装维护带来困难，因此需要一 种能满足突发模式光信号接收和光功率检测要求的系统。 1 3 理论的研究现状和发展趋势 国际上对光功率计的研究，首先是1 8 9 3 年瑞典人( a n g s t r o m ) 与德国人 ( k u r l b a u m ) 几乎同时发明了“电替代法来测量光的辐射能，1 9 7 2 年美国国家 标准局( n b s ) p h e l a 开发出点校式焦电元件，接着在n b s 下属的b o u l d e r 与 g a l i b r a t s b u r g 两个实验室分别对其作系统设计和特性分析。最后由g e i s t 、d o y l e 和m c i n t o s h 三人共同完成整个系统的测试，并称此为电校式焦电型辐射计。绝 对辐射计是由电的功率来决定光的功率，因此绝对辐射计也称之为绝对光功率 计。 目前进行光功率测量时，光功率计与光探测头配合使用：光探头从光纤网络 中接收耦合光，并将之转换为电信号。光功率计电路将探测头输出的信号进行转 2 浙江t 业大学硕士学位论文 换，将光功率读数以d b m 或w 、m w 、p w 、p w 等给出。以这两种方法表示的 功率是绝对功率值。它们之间的转换公式是：m w 1 0 伽儿o 。光功率测试是光纤 测量学中最基本的操作，几乎每一种光波测试设备都包含有某种形式的光功率检 测。这类仪器以手持式居多，且种类繁多，功能也不完全相同。它们被设计适用 于不同的光波波段，不同的功率范围，配合不同的光探测头使用。 普通连续光信号功率计的基本工作原理是被测光投射到p i n 光探测器上变为 电流，再经i 变换电路和程控放大电路得到电压信号。这个信号送到程控低通 滤波器及响应度补偿放大电路，得到与功率值相对应的直流电压，经a d 转换得 到表示功率大小的数字量，控制处理部分进行数据处理和判断后，送显示器进行 功率显示或给出超量程或欠量程指示并发出量程转换命令进行量程的自动控制。 基本原理框图如图1 1 所示【6 】： 图1 1光功率计实现的基本原理 对于光功率计控制系统的研究。为满足光纤通信和光纤通信网的发展，光功 率计不仅应具有大动态范围、高分辨率等高性能，还必须与计算机有较强的数据 交换能力，具有适应多种测试要求的能力【7 】【8 】【9 】。 目前，国内光功率计的供应商虽然很多，对光功率计的研制也只是对基本参 数测试的光功率计。这些通用的光功率计有许多不同性能的光探测器可供选用， 且选用的探测器不同，其测量范围不同。例如，在7 8 0 - - 1 6 0 0 n m 波段内，选用g e 光探测器，其测量范围是+ 1 8 1 6 d m b ；而在8 4 0 1 6 5 0 n m 波段内，选用i n g a a s 光探测器，则其测量范围是+ 3 7 3 d b m 。 国外光功率计的供应商重要有日本三和( s a n w a ) 、日本日置( i - i i o k i ) , 美国 安科特纳( a e t e m a ) 、加拿大爱斯富( e o ) 等。国外有突发光信号功率的检 3 浙江工业大学i 顼十学位论文 测的光功率计的产品，如美国安科特纳( a c t e r n a ) 公司嗣前推出j d s us m a r t 型 手持光表，适应下一代光网络测试两设计的系列仪表，是一款新型的、智能化和 高性能的产品系列，可测试所有类型光信号和系统，包括宽带、p o n 以及千兆以 太网。但价格非常昂贵。 p o n 在光纤接入方式中相对成本低，能平滑升级，因而将是未来的发展方向。 在p o n 系统中，如图l 也所示，几个光踺络单元( o n o ，o p t i c a ln e t w o r ku n i 0 通过光 纤和耦合器共享一个光线路终端( o l t ，o p t i c a ll i n et e r m i n a l ) 。在p o n 系统中，上行 数据的传输采用时分复用的方式共享上行信道，对于发射土行数据的光发射机来 说，它发射的是突发包信号；对于接收上行数据的接收机来说，它接收的信号是 由于距离发射端距离的不同丽使信号幅度和相位都有很大变化的突发模式光信 号【1 0 1 。在这种情况下，如果仍然用传统的光接收模块处理信号，必然会引起一系 列滴题，因此，开发满足需求的光突发模式接收模块成为发展光接入网的当务之 急。 圈l 也p o n 系统结构图 由于光突发模式接收技术和功率检测技术具有极佳的现实意义和良好的应 用前景，因此成为国内外研究机构的关注对象，不断有新的报道出现。然而，现 在国内还没有开创性的成果出现，不论是高速还是低速的光突发模式接收检测技 术，绝大部分都被国外的研究机构或者公司所垄断，因此，我们有必要研究具有 自主知识产权的光突发模式接收检测模块。 4 浙江工业大学颀上学位论义 1 4 研究内容 ( 1 ) 本文首先总结国内# - p o n 系统中上行突发光信号接收技术的发展概况。 给出了直流耦合突发模式光接收模块的设计过程，并与交流耦合突发模式光接收 模块在几个关键参数方面做出了比较。简略介绍了本课题研究所涉及的相关理论 知识和工程知识，包括d s p 技术的概念和特点。 ( 2 ) 研究了满足突发光信号接收的高速集成电路的设计。突发信号的突发性 和不连续性特点对传统的连续模式光接收技术提出了挑战，传统的连续模式的光 功率接收检测模块不能适用于突发式的功率的接收。突发模式光接收的研究主要 集中于交流耦合接收和直流耦合接收，本文针对这种情况，在比较总结现有技术 的基础上，提出自己的直流耦合接收模块的设计方案，并给出了每部分电路的详 细设计过程和仿真分析结果。 ( 3 ) 研究基于d s p 的高速数据采集系统的硬件设计与实现问题，根据p o n 系统 中突发光信号的特点，系统分为模拟信号接收模块和数字信号处理模块，接收模 块由前置放大器a d 8 0 1 5 、峰值检波电路、限幅放大器m a x 3 7 6 1 、复位脉冲产生 电路几部分构成；数字信号处理模块由高速a d 转换器a d 9 4 8 1 和高速信号处理 器芯片1 m s 3 2 0 c 6 2 0 l 以及高速缓存f i f o 组成。 s 浙江t 业大学硕士学位论义 第2 章课题研究的相关知识 本章主要介绍p o n 系统上行信号光突发模式接收技术和d s p 技术的特点， 比较系统地研究和整理它们的研究内容、研究方法及其研究进展，并对当前的主 要研究工具作归纳整理，为后面的研究提供研究思想和研究工具。 2 1 数字信号类型 一般情况下，在数字传输系统领域有三种类型的信号格式如图2 1 所示：( 1 ) 连续模式( c o n t i n u o u sm o d e ) 。这是一种连续的二进制流，逻辑转换的时闻阀隔受 到严格限制，例如4 8 5 b 码或者m b n b 码，连续模式通常用于点到点传输系统；( 2 ) 突发模式( b u r s tm o d e ) 。在这种模式下，相同的逻辑符号寄相同的振幅，丽且逻 辑转换的时间间隔不受限制。例如传输予计算机r s 2 3 2 接口的点到点低速率数据 厂 n 厂 门 2 - 1 a 连续模式数据 儿l 厂 nn 一一厂 n 厂 圈2 1 b 突发模式数据 一一一厂 r 门 圈2 - 1 c 突发和分组模式数据，信号的幅度随包的不同而不同 图2 1数据通信中的三个数据格式 流，就是一种突发模式数据；( 3 ) 突发和分组模式( b u r s ta n dp a c k e tm o d e ) 。不同分 组信号的幅度不同，而且不同分组间通常会加载一个保护时间( g u a r dt i m e ) ，这种 类型的数据常用于以太两等多址接入网络鞋】。我们所说i 醚j p o n 系统光信号的突发 模式指的是类型2 和3 。 6 浙渡丁业大举醐士学位论文 2 2 光突发模式接收与传统接收的比较 在传统的点对点巍纤透信系统中，光接收模块一般接收另井一个溜定节点发 送的连续模式光信号( 如图2 1 a 所示) ，并从中检测出电信号。图2 - 2 为传统光接收 模块原理框图，光探测器将接收到的光信号转换为电信号，经过跨阻抗蓠鬣放大 器( t i a ，t r a n s i m p e d a n e ea m p l i f i 嘲放大和限幅放大器( al i m i t i n ga m p l i f i e r ) 放 大意实现等幅输出，1 蒌t 2 - 2 中的自动增益控制电路( a g c ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 用于稳定限幅放大器输出信号幅度。 。、 。、 莲2 - 2 传统光接收模块蘸理框图 在p o n 避信系统中，光接收模块接收来叁不同发送苇点的光分组信号，出于 不蠲发送节点发送的光分组信号功率不同，传输距离不嗣丽弓i 起的损耗也不同， 因蔗信号幅度变化较大幽l 图2 1 c 所示) ，在这种愤浣下，光接收模块就不能采震 传统的方法，这是因为，传统的光接收模块一般采用交流耦合方式，而突发信号 缺少蛊流平缀分量，信号经过交流耦合嚣，信号锻难实现对称分布，这样放大就 会造成严重的失真；黼假如采用直流耦合的方式，由于突发信号幅度相差很大， 存在幅度非常小的信号，嚣此要求接收模块的放大倍数要大，这样就会出现奁流 电平随着小信号一起放大，使褥放大器饱和而不能工作。因此，必须对光接收模 块进行专门的设计，以适应光突发模式僖号龄要求。衡量光突发模式接收机的指 标有：动态范围、灵敏度、前导码时间( 前导码是指在每一个光突发包的前部设 置的受了对光突发包的数据进行幅度恢复和相位同步的特殊码元) 、保护带时闻 ( 保护带是指相邻光突发包之间存在的间隔时间迸域) ，光突发模式接收模块的设 计主要围绕这鹿个指檬展开。 7 浙江_ t 业大学硕f j 二学位论文 2 3 三种不同的上行突发信号接收技术 常见的光突发模式接收模块通常有三种：交流耦合光突发模式接收、直流耦 合光突发模式接收和差分光突发模式接收。 2 3 1 交流耦含光突发模式接收 畦j 前面的分析知道，传统的光接收机主要采用交流耦合法【1 2 _ 阚，这种方法经 过适罴处理薏也可以用于光突发模式接收机，如图2 3 所示，t i a 得到的电压信号 通过一个高通滤波器后，不同幅度的数据自动的对称的分布在闽值电平的两端。 然霖这种方法存在一个较大的缺点：由于信号要通过一个高通滤波器，因此低频 分量有很大的损失，尤其是在遇到长连“0 和连“1 的情况下，信号将发生较 大的波形畸变，弓| 起严重酶误码，因此，要采用该方法，就必须对信号进行特殊 的线路编码，使得信号尽量不出现长“0 和连“1 的情况。同时，使用该方法 时，对耦合电容的选择一定要适当，电容僮不能过大，否则冲放电时间过长，前 导码时间和保护带时间会大大增加，电容值也不能过小，否则，低频分量损失过 、 、 图2 。3 交流稻含接牧模块原理豳 大，严重的增加误码。当然，交流耦合法也有它自身的优点，比如电路结构相对 简单，可以较少考虑童流工作点的漂移，不需要复位电路等。 2 3 2 直流耦合光突发模式接收 蠡予交流耦合光突发模式接收枧不能对壹流和低频分量做出响应，因此往往 采用直流耦合光突发模式接收技术【培- 2 2 。直流耦合合突发接收机主要分为两类： 反馈式与前馈式，如图2 4 所示。 8 浙江工业大学硕士学位论文 i 、 、 、 图2 4 a 反馈式接收模块 2 3 2 1 反馈结构 圈2 - 4 b 前馈式接收模块 图2 4 两种直流耦合接收模块 如图2 4 a 所示，差分跨阻抗前置放大器与峰值检测电路构成反馈环路，峰值 检测电路的作用是确定输入信号的判决门限。差分前置放大器的两个正负输出直 流耦合到下一级限幅放大器，其最终输出为等幅信号。在反馈方式下，信号幅度 的恢复在前置放大器内完成。 2 3 2 2 前馈结构 如图2 袖所示，传统的非差分前置放大器的输出分为两路：一路经快速峰值 检波后，经电阻分压取其一半作为判决电平，输入至限幅放大器的其中一个输入 端；另一路经延迟单元输入至限幅放大器的另一个输入端。限幅放大器的输出经 过进一步放大，即可达到等幅输出。 9 浙江- t 业大学獭i 士学位论义 2 3 2 3 两种电路实现结构比较 反馈型和前馈型在突发模式光接收机的设计中都可以应用。表2 1 给出了两 者的比较，从该表可以看出： 表2 1 两种邀路结构的比较 反馈类型稳定性前置放大器类型灵敏度高低参考文献 反馈型电流反馈较好差分放大器较低【1 7 2 4 前馈型电压前馈较差传统放大器 较高 【2 0 2 4 2 7 】 ( 1 ) 反馈与前馈方式都是采用动态的判决信号。不同的是前者采用的是电流 反馈，其判决毫流取决予蛊身的输出；后者采用电压前馈，其判决电莲取决予羲 一级对后一级的作用。 0 ) 反馈型稳定性离于蓠馈型。毒予反馈环的作用，前者稳定性高予露者， 但是反馈型需要差分输入，输出前置放大器。尽管前馈型可以采用传统的前置放 大器，但是霈要精心设计，防止出现不必要的电路振荡。 ( 3 ) 前馈型灵敏度高于反馈型。由于反馈型中判决信号引入至前置放大器的 输入端，两判决信号叠如有各静噪声，这必然使反馈型接收机接收灵敏度下降。 2 3 3 差分光突发模式接收 由于交流和直流耦合光突发模式接收机均不能对信号做出即时相应，需要一 定的前导码和保护带时闻，对相对低速的信号而言，这不算什么，但是对于高速 突发信号而言，这个问题将严重的影响信道开销，造成信道资源的极大浪费。因 此，人们不断寻找能够解决这个问题的方法，光差分检测接收法【2 3 斟】就是在这种 情况下被提出来的。这种方法的基本原理如图2 5 所示，曼彻斯特编码的信号经 过掺饵光纤放大器( e d f a ，e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 放大后，用耦合器进行平 分，其中一路信号经过半个比特的延迟，两路信号分别入射到两个相同的光电探 测器上，获得的光电流是两路曼彻斯特编码信号的差值因此，可以得到围绕电平 对称分布的差分曼彻斯特编码信号。这样，就可以采用交流耦合的方式继续对信 号进行处理。然而该方法存在一些难以克服的缺点，比如，半比特的延迟时间难 l o 浙江t 业大学硕士学位论文 一三 l i 一 l a - 圈2 - 5 竞差分接收执原理图 于精确控制、信号需要特殊编码、时钟与数据恢复电路结构复杂等，医此在现阶 段很难应用。 2 4d s p 技术 d s p ( d i 蜮t a ls i g n a ld r o c e s s 0 0 作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算 枕发照的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。随 着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，d s p 的性能价格比不断提高，尤 其是随着科学技术的发展，各种智能化系统的结构和控制算法越来越复杂，传统 的设计格局被代之以高速信息处理和全局p c 控制的复杂计算机控制系统，以及 单纯以高速d s p 为核心的复杂计算和控制的嵌入式控制设诗思路。 2 4 1d s p 的分类 d s p 一般按以下两种方式分类： 鼍、按数掇格式分可分为定点芯片和浮点芯片两种。定点d s p 芯片按照定点的 数据格式进行工作，其数据长度通常为1 6 位、2 4 位、3 2 位。定点d s p 的特点：体 积小、成本低、功耗小、对存储器的要求不高；健数值表示范围较窄，必须使用 定点定标的方法，并要防止结果的溢出。浮点d s p 芯片按照浮点的数据格式进行 工俸，其数据长度通常为3 2 位、4 0 使。由于浮点数的数掇表示动态范国宽，运算 中不必顾及小数点的位置，因此开发较容易。但它的硬件结构相对复杂、功耗较 大，且比定点d s p 芯片的价格离。通常，浮点d s p 芯片使用在对数据动态范围和 精度要求较高的系统中。不同的d s p 的浮点格式不一定完全一样，如i e e e 的标准 浙江工业大学硕十学位论文 浮点格式( 如摩托罗拉的m c 9 6 0 0 2 ) 、自定义的浮点格式( 如t i 公司的 t m s 3 2 0 c 3 x ) 。 2 、按照用途分类d s p 按照用途分类可分为：一类是专门用于f f r 、f i r 滤波、 卷积等运算的芯片，称为专用d s p 器件；另一类是可以通过编程完成各种用户要 求的信息处理任务的芯片，称为通用数字信号处理器件【2 5 1 。本论文中所涉及的 d s p 鬻的是通用数字信号处理器件。 2 4 2d s p 的特点 为快速实现数字信号处理运算，d s p 芯片般都采用特殊的软硬件结构。目 前，d s p 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能。单周期 完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集，大致有如下几个方 面： 1 ) 哈佛结构 从计算机的发展历程来看，计算机的总线结构主要有两种：即冯诺伊曼结构 和哈佛结构。早期的微处理器内部大多采用冯诺伊曼( v o n - n c u m a n ) 结构，冯诺伊 曼型结构其特点是程序和数据共用一个存储空闻，统一编址依靠指令计数器提供 的地址来区分是数据还是地址，由于对数据和程序进行分时读写执行速度慢，数 据吞吐量低，冯诺伊璺型计算机由于传统结构的集中，顺序的控制性质丽不能满 足并行处理的要求，不适合于进行具有离速实时要求的数字信号处理系统；而哈 佛结构具有分开的程序空间和数据空闻，每一空间都不允许数据和程序的同时存 在，以便实现并行处理，分开的数据总线和程序总线，分别为c p u 和存储器提供 专门的数据通信路径。这显然增加了计算机的复杂性，傻是由于可以同时对数据 和程序进行寻址，大大提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理。 冯诺伊曼结构，其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作 数都是通过条总线分时进行的。当高速运算时，不但不能同时取指令和取操作 数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。而d s p 内部采用的是程序空间和数据 空间分开的哈佛( h a v a r d ) 结构，允许同时取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来 自数据存储器) 。而且还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进 的哈佛结构。 1 2 浙江t 业大学硕：f ：学位论文 2 1 总线结构 许多d s p 芯片杰部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以 多次访问程序空间和数据空间，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 内部有四条总线( 每条总 线又包括地址总线和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程序存储器取董条指 令，从数据存储器读2 个操作数以及向数据存储器写1 个操作数，大大提高了d s p 的运行速度。因此，对d s p i 雨言，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可 以完成的功能就越复杂。 3 ) 流水线结构 计算机的运行方式大致分为三种：即顺序运行方式、重叠方式和流水线方式。 顺序运行方式是计算机的一般运行方式，宅是指程亭的每条指令及指令之间酶操 作都是顺序执行的，顺序执行的方式简单，但是运算速度慢，对设备的利用率低； 重叠方式就是在运算器执行第k 条指令的时候，让控制器分析第娶l 条指令，考 虑到分析指令和执行指令可能同时访问总线，易发生访问冲突，所以重叠方式只 用在具有程序总线和数据总线分开的啥佛结构中，虽然耋叠方式始终没有节省一 条指令的执行时间，但却缩短了一段程序的执行时间，运算器和控制器的数目没 有增加，只是控割方式发生了变化。所以仍然属于单指令流，单数据流的处理系 统。流水线方式是将复杂的指令分解成予运算，运算对象依次经过各子运算站， 从蔼完成复杂的运算。流永线方式与重叠方式的主要区别在于流水线方式将每条 指令分成几个子过程，对于每个子运算站来说，每隔一定的时间t 就有一条指令 被允许进入，且每个子运算的执行时闻相同，流水速度取决于t 而重叠方式的每 个阶段时间不尽相等，与指令的长度有关。 d s p 执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等死个阶段。在d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，如图2 6 所示。 在执行本条指令的同时，还一次完成了后面几条指令的取操作数、译码和取指， 将指令周期降到最小值。 1 3 浙溅工业大学颁：t ：学位论文 黠锋 nn + in + 2n + 3 取指二： 辩lx辩童n + 2 译码专 辩2舻王nn + i 、 敬搡律数 辩3n - 2弘ln 挟错 1 甏2 - 6 西缀流永线操作 4 ) 多懿理单元 d s p 内部般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) ，辅助寄 存器运算单元( a r a t 0 ，累加器( a c c ) 殴及硬件乘法器( m u u 等。它们可以在一个 指令周期态同时进行运算。例如，当执行一次乘法积累加的同时，辘助寄存器单 元己缀完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好充分的准 备。因此，d s p 在进行连续的桊加运算时，每一次乘加运算都是单周期的。d s p 的这种多处理单元结构，特别适用于f i r 和i i r 滤波器。此外，许多d s p 的多处理 单元结构还可 冀将一些特殊的算法，例如f f t 的码位倒置寻址和取模运算等，在 芯片内部用硬件实现以提高运行速度。 5 ) 特殊的d s p 措令 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了一 些特殊 鬟j d s p 指令，也是并行指令。这些并 亍指令有如下功缝；寄存器并行装入， 并行算术运算等。重复指令允许实现过零循环，对于许多算法，有个内部核心 程序需要花费大量的执行时闾，指令重复允许仅通过一次取指来减轻总线搦挤， 从而节省了程序执行时间。同时增加了程序的透明度，节约了程序空间。如f i r s 和l m s 指令，专门翅子系数对称的f i r 滤波器和l m s 算法。 6 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令阕嬲4 0 0 n s ，采用4 1 a nn m o s 豢 j 造工艺，英运算速度尧 5 m i p s ( 每秒执行5 0 万条指令) 。随着集成电路工艺的发展，d s p 广泛采用豫微米 c m o s 镑t 造工艺，其运行速度越寒越快，达到l m 霉s 。 1 4 浙江t 业大学硕：卜学位论文 7 ) 运算精度高 早期的d s p 的字长为8 位，后来逐步提高n 1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算 过程中溢出。 8 ) 硬件配置强 接口功能越来越强，片内具有串行1 3 ( m c b s p ) 、主机接口( h p i ) ，d m a 控制 器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合i e e e l1 4 9 。l 标准的测试访问口，更易于完成系统设计，另外，许多d s p 芯片都可以工 作在省电方式，大大降低了系统功耗。 浙江t 业大学硕j ：学位论文 第3 章突发光信号接收模块的设计与仿真 对于接收突发光信号的光突发模式接收模块，除了满足传统光接收模块所要 求的高灵敏度外，还要有较大的动态范围和快速的响应能力。光突发模式接收模 块主要包括前置放大电路，限幅放大电路和峰值检测电路等几部分组成，本章针 对传输速率为1 2 5 g b s 的光突发信号进行了整形电路的设计和仿真。 3 1 前置放大器电路设计与仿真 光信号经光电探测器后，产生的电流仍然非常微小，须经过前置放大器进行 放大，由于前置放大器的结构决定接收机的灵敏度和带宽，因此设计要求在保持 合适带宽的前提下使得接收模块灵敏度最高。 本节采用自动增益控制( a g c ) 跨阻抗前置放大器方案。跨阻抗放大器实际上 是电压并联负反馈放大器，这是一个性能优良的电流一电压转换器，既有低噪声 特性又有较大的动态范围，此外带宽也较大，因此跨阻抗放大器的均衡任务就简 单多了。 3 1 1 前置放大器电路设计 设计原则是在保持合适带宽的条件下，尽可能使接收灵敏度最高。根据前面 的分析，我们采用跨阻抗前置放大器，电路结构如图3 1 所示。我们选用特征频 率为9 g h z 低噪声微波双极性晶体管b f r 5 4 0 5 0 5 来设计前置放大器。 在电路中，晶体管q 1 、q 3 、q 5 起到放大作用，q 2 、q 4 、q 6 起到隔离缓冲 的作用，电阻r l 、i 也、电感l 2 、电容c 3 及晶体管q 4 构成反馈网络。对突发信号 而言，幅度变化相当大，因此要求前置放大器的动态范围要大，采用常规的跨阻 抗前置放大器是很难实现这个要求，必须采用具有自动增益控制功能的前置放大 器【2 6 , 2 7 1 。在跨阻抗前置放大器中，主要通过改变反馈电阻值来实现，最简单的方 法就是采用在反馈电阻两端并联二极管的方法。据此设计的电路如图3 1 所示。 考虑到电路的通用性，我们用三极管基极和集电极短接的方法来实现二极管的功 1 6 浙泼t 业大学硕十学位论文 麓。电鼹的具体分析如下：静态时，输入电流为0 ，电阻袋l 主的电蕊是左低右高， 电流从右向左给输入晶体管提供基极偏流，二极管反偏截止。r 1 同时也是这个 反相放大器酶反馈电阻。输入电流壹小变大对，溺于这是一个反褶放大器，输密 电压降低而输入端电压升高，r i 上的电压逐渐减小。输入电流增至一定值时， r 董