（光学工程专业论文）光纤通信中光发射机的研究.pdf

摘要 本文根据光纤通信系统中普遍采用的强度调制一直接检测方 法，设计了光纤线路码型为i b i h 线路码的3 4 m 光发射机，本论文 设计采用了现场可编程门阵列( f p g a ) ，将光纤线路编码、线路扰 码、定时提取、复接功能集成在一片f p g a 中。光纤线路码采用1 8 1 h 的光纤线路码型，增强系统对外的接口能力。系统对外可提供 8 4 4 8 k b i t s 的电路接口和符合g 7 4 2 复接标准的2 0 4 8 k b w s 电路接 口，复接按照g 7 4 2 标准进行准同步复接。复接电路中的锁相环采 用了全数字锁相环，为了提高锁相环的性能，对数字锁相环中的环 路滤波器进行了改进，减小了数字锁相环的抑制塞入抖动的能力与 同步捕捉带宽之间的矛盾。并且采用了改进的分离塞入比法进行码 速调整进一步减小因复接而产生的塞入抖动，从而提高系统的复接 能力。 关键字：复跌数字锁相环丫定时、f p g a 、光发射械抖 动 南京理丁大学硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n e dat h i r do r d e ro p t i c a lf i b e rt r a n s m i t t e ru s i n gt h e 1 8 1 h o p t i c a l f i b e rc o d ew i t ht h e i n t e n s i t y m o d i f i c a t i o n d i r e c t d e t e c t i o nm e t h o d a l lt h eo p t i c a lf i b e re n c o d i n g 一1 8 1 he n c o d i n g ，c o d e s c r a t c h i n g ，t i m i n g ，s e c o n d a r yg r o u pm u l t i p l e xa c c o r d i n g t ot h ei t u g 7 4 2s t a n d a r da r e i m p l e m e n t e d i nt h ef i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ( f p g a ) t oi m p r o v et h es y s t e mi n t e g r a t i o na n dt h ei n t e r f a c i n g p e r f o r m a n c e t h es y s t e mp r o v i d e s8 4 4 8 k b i t se l e c t r i c a li n t e r f a c ea n d 2 0 4 8 b i t se l e c t r i c a li n t e r f a c e c o m p l y i n gw i t h t h ei t ug 7 4 2 t h e d i g i t a lp h a s el o c kl o o p ( d p l l ) i st h ek e yo f t h es y s t e mb e c a u s et h e m u l t i p l e x - _ ( 1 e m u l t i p l e x ，d i g i t a lc o d et i m i n gr e c o v e r i n ga n dd e c o d i n g d e p e n do nt h eq u a l i t y o ft h ec l o c ko fo b t a i n i n gf r o mt h e d i g i t a l s i g n a l s p e c i a l l y ，t h ea l ld i g i t a lp h a s el o c kl o o p ( a d p l l ) i sd i s c u s s e d i nt h i sp a p e r i m p r o v e m e n to n r e d u c i n gt h ec o n f l i c to f t h ew i d t ho ft h e l o c k i n g 。r a n g ea n dt h ea b i l i t yt os u p p r e s sp h a s ej i t t e ri sg i v e no nt h e d p l l an e wm e t h o di nt h ep o s i t i v ej u s t i f i c a t i o nm e t h o di su s e di n t h e m u l t i p l e x i n g t o r e d u c i n g t h e s t u f f i n gj i t t e r ，a s ar e s u l t ，t h e m u l t i p l e xp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi si m p r o v e d k e yw o r d ：m u l t i p l e x 、d p l l ，a d p l l 、t i m i n g 、f p g a 、 o p t i c a lt r a n s m i t t e r 、j i t t e r 1 论文背景 绪论 本论文的应用背景有两个：一是为了我校电光院的光纤通信的学科建设 的一部分，进行光纤通信技术中光端机的研究及实现；二是将本课题与江苏 省科委科学宫的展品“数字光纤传像系统”结合起来，做成具有实用性的产 品。作者的主要工作是研究其中的数字复接技术，用于数字光发射机中，并 且将二次群复接实现在f p g a 中。最终做出提供了标准二次群输出接口的三 次群数字光发射接机，与本教研室另一位同学设计的光接收机构成一个完整 的光纤通信系统。并可用于经过数字化的图像、声音信号的传输；同时完成 了符合i t u g 7 4 2 标准的二次群复接器。 光纤通信经过了近5 0 年的发展，如今己成为通信领域的热门研究及应用 对象。我校的电光学院由电子工程，光学工程两大类专业组成，具有较强的 电子通信和应用光学方面的研究实力，具备了进行光纤通信研究的条件，但 一直没有开设光纤通信专业，本论文就是为我校的光纤通信专业的开设作一 些实际的工作，并将其与数字光纤传像系统结合起来。这项工作主要由三部 分组成，数字光发射机，数字光接收机，视频压缩与复用，其中数字光接收 机和数字光发射机统称为光端机。本课题的主要工作是数字光发射机及其数 字复接技术的研究与实现。光发射机是光纤通信的关键设备，其主要功能除 了将电信号转换成适合在光纤中传输的光信号，并且通过光发射器件将光信 号耦合到光纤中进行传输送至光接收机，由光接收机还原成电信号。光发射 机还需包含有数字复接设备与线路编码器之间的接口电路，以完成对电缆线 路传输码型( h d b 3 ) 解码任务。此外，光发射机还应具有公务联系电话，告 警监测系统，区间通信等辅助功能。 光端机的种类很多，性能各异，一般按照数字系列等级划分，如2 m ，8 m ， 堕塞堡三查堂堡主丝兰 3 4 m ，1 4 0 m 等，称之为基群，二次群，三次群，四次群光端机。本课题完成 的具有标准基群( 2 m ) 、二次群( 8 m ) 输出接口的三次群光接收机。要完成 视频信号的传输，只需将视频信号经过数字化变为数字码流进行传输，但由 于视频信号数字化后其数据速率太高( 达2 0 0 m b i t s ) 。要在三次群的光端机 中传输还需对其进行压缩，将数据速率降下来，然后经由码速调整器，将压 缩后的数据调整为标准的二次群( 8 m ) ，将其接入到光发射机的输入接口上： 在光接收机一方将光信号转换为电信号，并经分接后得到标准二次群信号， 然后将此信号送入码速调整的逆变换器，得到压缩的图像信号，解压缩后即 可复原视频信号。 2 本论文的主要工作 本论文主要完成3 4 m 光发射机的设计，并且与光接收机构成一个系统。 本文的工作集中在光发射机的设计，包括由输入电信号的h d b 3 解码，输入 信号的定时提取，准同步二次群的复接，1 8 1 h 光纤线路码的编码，线路码的 扰码( 这些工作都集中在一片f p g a 中完成以提高系统的集成度) ，光发射器 件的选择，并且最终构成光发射机。 南京理工大学硕士论文 第一章光纤通信的发展与技术 光通信是利用光载波传递信息的通信方式。现代光通信研究的早期主要 是大气光通信，以大气为传输媒质。这种传输方式的缺点是损耗大，受气候 环境影响严重，传输不稳定，且需要很高的设备费用。1 9 6 6 年英籍华人高锟 提出玻璃纤维光波导对光能的损耗可降低到2 0 d b k m ，因此可以把它作为光 通信的传输媒质。到1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司的莫勒等人研制出了衰减为 2 0 d b k m 的低损耗石英光纤不久有把损耗降低到4 d b k m 。从此光纤被确 认为光通信的传输媒质，光通信开始向光纤通信方向发展。 光纤通信由三个主要技术问题：便于应用且性能优良的光源；能长距离 传输光信号的光纤；灵敏的把光信号变成电信号的检测器。 1 1 光通信的特点及应用范围 光通信之所以引人注目是因为光纤是由高纯度的石英玻璃制成，因而具 有以往电缆所不具备的独特优点： ( 1 ) 损耗极低，可以长距离传输。商用光纤的损耗可以做到o 2 5 d b k m ， 不用中继就能传输5 0 8 0 k m ，甚至上百公里。 ( 2 ) 传输频带宽，传输容量大。单模光纤可利用带宽达5 0 ，0 0 0 g h z ，理论 上一对单模光纤可传输2 5 亿个话路，是同轴电缆的几百倍。 ( 3 ) 径细、量轻且富于饶性，易于铺设。一公里长的裸纤重量不足3 0 克， 比铜制的同轴电缆细得多、轻的多、而且光纤很柔软，经得起直径为 数毫米的弯曲，便于加工。 ( 4 ) 抗腐蚀，抗电磁感应和防雷的能力强。光纤是玻璃制成的，不易腐蚀 并且绝缘性好，可以在强电场环境下工作，不受电磁场和其他电噪声、 核噪声的干扰。 ( 5 ) 成本低，无资源问题。光纤的主要原料是石英，节省金属铜和铅，有降 南京理工大学硕士论义 低成本的潜在能力，不存在资源枯竭问题。 ( 6 ) 传输信号不向外辐射，保密性好。信号光集中在光纤中传输，纤芯外 有很快的衰减，因此不向外辐射，很难被窃听，易于实现保密通信。 ( 7 ) 可以采用多种复用技术。与传统的电通信相比，光通信可以采用光的 波分复用、时分复用技术，能达到资源共享，并且易于扩展，节省投 资、充分地利用光纤带宽。 由于光纤通信具有以上独特的优越性，因而不仅可以应用于电力通信， 控制系统中，进行工业监测、控制和计算机连线，还可以应用于飞机、导弹、 军舰、潜艇通信控制系统及高能物理、抗辐射通信等其它特殊通信领域。 1 2 光纤通信技术的发展 光信通信技术发展经历了6 0 年代的准备阶段，7 0 年代的试验和试用阶段， 8 0 年代的实际商用运行阶段及9 0 年代的世界范围大规模使用阶段。在整个 光纤通信的发展过程中，可将其发展方向归纳为下面的几个方向： ( 1 )光纤通信系统从小容量、中容量朝大容量和超大容量方向发展。系统 速度从开始的基群，二次群，三次群和四次群，现在已发展到1 2 g b i t s 、 2 2 4 g b i t s 、8 g b i t s 、1 0 g b i t s 、4 0 g b i t s 的光纤通信系统已投入商用。 更高速率的系统的试验也在进行中。 ( 2 ) 光纤通信系统从多模光纤向单模光纤以及单模保偏光纤方向发展。单 模光纤不存在模间色散，且材料色散与波导色散可能互相抵消，而在 1 3 1 0 n m 附近出现“零点色散”。同时随着相干光通信的发展，要求光 纤能保持光的偏振方向，因此保偏光纤也是一个重要的发展方向。 ( 3 ) 光纤通信系统的中继距离越来越长。并且光放大已经投入使用到高速 光纤通信系统中。光纤通信系统的中继距离受光纤损耗和带宽两个因 素的影响，单模光纤的适用工作区有两个：即1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 窗口， 低损耗区分别为1 2 6 0 n m 1 3 6 0 n m ，1 4 8 0 n m 1 5 8 0 n m 共2 0 0 n m 可用， 这相当于3 0 0 0 g h z 的频带宽度。因此随着对光纤低损耗带宽的利用率 的提高，光纤通信系统的中继距离越来越长，从几十公里发展到几百 塑塞堡三查兰堡主笙茎 公里。 ( 4 )光纤通信系统向波分复用方向发展。波分复用是光纤通信系统中的一 种特殊的复用方式，采用波分复用可以充分利用光纤的低损耗区，在 不改变现有的光纤通信系统线路的基础上很容易地提高系统的通信容 量。 ( 5 ) 光纤通信向相干光通信方向发展。现在大多数光纤通信系统采用直接 检测方式，在相干光通信中将采用光外差相干检测方式，能提高光通 信系统接收机的灵敏度。 ( 6 )光纤通信系统向全光方向发展。随着光纤放大器的出现，中继方式由 光电光方式变成光光方式，从而实现全光通信。 ( 7 )光纤通信系统向光孤子通信方向发展。孤子是种孤立波，它在传播 过程中没有能量弥散，特别是超短激光脉冲，它通过光纤传输时没有 任何色散而保持脉冲形状不变。这对长距离光通信是非常有用的。 ( 8 ) 光纤通信系统向网络通信方向发展。光纤传输容量大，是综合业务数 字网最理想的传输媒质，因此光纤通信将不再限于点对点的通信系统， 而向网络通信方向发展。 由此可见，光纤通信具有广阔的发展前景，充分利用光纤的带宽是发展 的主要方向。光纤通信能够适应未来大容量通信的要求，成为宽带通信网络 传输的骨干。 1 3 光纤结构与特点 按照传输光的工作波长来分，光纤可分为l u m 以下的短波长光纤( 例如， 0 8 5 u m 光纤) 和1 m 以上的长波长光纤( 例如，第一波长1 3 0 u m ，第二波 长1 5 5 u m 的光纤) 。 光纤能否作为通信光纤取决于光纤的衰减特性，光纤中存在吸收衰耗、 散射衰耗、光纤微弯衰耗和接头衰耗。由光纤的衰减特性曲线( 图1 1 ) 可知， 石英光纤有三个低衰减区( 又称作低衰耗“窗口“) ，即0 6 0 9 u m 为第一个 低衰减区，通常叫做短波长衰减区。1 o 1 3 5 u m 和1 4 5 1 8 u m 分别为第二、 南京理工大学硕士论文 第三个低衰减区。后两者又被称作长波长低衰减区。通信光纤的工作波长 就位于三个低衰减区中。 光纤线芯和包层折射率是不同的。折射率是反映光在两种传输接之中传 d 日k m 6 3 2 0 o 8 0o 9 01 0 01 1 0 i 2 0 1 3 01 4 01 5 0l - 6 0 图1 1铂英玻璃光纤衰减波长特性曲线 播速度的变化和传播角度的变化的参数。光纤有渐变型和阶跃型之分。渐变 型光纤又称为非均匀型光纤，其纤芯折射率从中心开始沿半径方向逐渐减小， 到心径与包层交界处达到包层折射率，而包层折射率为一固定值；阶跃型光 纤又称为均匀型或突变型光纤，其纤芯折射率为一常值h ，包层折射率为常 值n 2 ，r n l ) n 2 。 光在光纤中传输时，部分光波沿纤芯纵向向前传播，另一部分光波遇到不 均匀界面会产生反射波，还有一部分从纤芯另一端反射回波，这些光波在纤 芯中互相干涉、重迭，在纤芯横截面上形成不同的电磁场前的分布形式，称 为“模式”。从光波在纤心中传输模式来看，可以把光纤分为单模和多模。多 模光纤中，在光波波长一定的情况下，能传输多个模式；而单模光纤中只传 输一个模式，称为主模。 本课题中采用6 2 5 1 2 5 u m 型多模光纤，其工作中心波长为1 3 0 0 n m 。 南京理工大学硕士论文 第二章光发射机的系统构成 2 1 光发射机的概念 光发射机的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耦合到光纤中进行传输。光源发出的光 可以看作光频载波，通过调制，使其载荷信息，目前的调制方式一般采用直 接强度调制，即使光源输出功率跟随调制信号线性变化的方式。光发射机原 理方框图见图2 1 。其中s i 为输入信号流，c p i 为信号时钟，p o 为光功率输 出。电路部分主要由线路编码电路，光源驱动电路和发射光源组成。图21 中的其它部分电路，如光检测放大，比较放大，功控与保护及温度控制电路， 是为了实现发送机的各项技术指标，结合光源器件的应用特性而采用的相应 补偿措施。整个方框图适合采用激光器( l d ) 为光源的光发射机。对于发光 二极管( led ) 作光源的光发射机，其中的光检测放大，比较放大，功控 图21 光发射机系统组成框图 与保护及温度控制电路可以省去。 堕亘堡查兰堡主堡苎 光发射机依靠光源器件激光器或发光二极管将电脉冲信号变成光脉 冲信号，因此光源器件是光发机中的核心部件。光源器件的性能直接影响着 光发射机的主要性能指标。目前在光纤通信系统中广泛使用的光源主要是半 导体激光器和半导体发光二极管。光源驱动电路是光发射机的主要电路，它 将电脉冲信号通过调制电流强度的调制方式调制半导体激光器或发光二极管 发射出被调制的光脉冲信号。 一个性能十分完善的光发射机，一方面要有适应数字光纤通信的特点且性 能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电子 线路技术进行恰到好处的控制与保护。这就是光发射机除了一定要有整形或 编码电路，光源驱动电路和光源外，还可能要有自动功率控制( a p c ) ，自动 温度控制( a t c ) 和各种保护电路的原因。因此，可以说光发射机的本质含 义就是根据光源器件的应用特性采取有针对性的电子线路技术而使光源器件 能有效和可靠地应用在数字光纤通信系统中。 2 2 光源器件的选择 光源器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信系统中占有重要的地 位，性能好，寿命长，使用方便的光源是保证系统可靠工作的关键。一般光 纤通信对光源的基本要求有如下几个方面： ( 1 ) 光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，材料的色散要小； ( 2 ) 光源输出光功率必须足够大，入射到光纤的光功率一般应在1 0 微瓦到 数毫瓦之间： ( 3 ) 光源应具有高度的可靠性，工作寿命至少在1 0 万小时以上才能满足光 纤通信工程的需要。 ( 4 ) 光源输出光谱不能太宽，以利于传输高速脉冲。 ( 5 ) 光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。 ( 6 ) 电一光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。 ( 7 ) 光源应省电，体积重量不应太大。 目前基本能满足上述要求的器件有半导体激光器( l d ) 和半导体发光二极 堕塞堡三查堂堡主堡塞 管( l e d ) 两种，它们都是半导体光电子器件，体积小，可以直接用电流调 制光强，室温连续工作寿命达万小时。现在光纤通信系统通常采用这两种器 件。但在选用时需要根据实际情况综合来考虑决定，因为它们各有优缺点。 一般说来，单纵模激光器( l d ) 的响应速度快，输出光功率大，几m w 几十m w ，谱线宽度窄，带宽大，耦合效率高，广泛地应用于长距离大容量 光纤通信系统中，但激光器寿命短，温度稳定性差，所以需要较复杂的驱动 及保护电路，且制造难度大，成本高。发光二极管与半导体激光器相比，因 为它发射的不是激光，输出光功率较小，一般仅l 2m w ，方向性差，发 散度大，与光纤的耦合效率低。但发光二极管的寿命长，理论推算旬达1 0 8 至 1 0 ”小时。实际应用的l e d 一般寿命在10 万小时以上，且具有较好的温度 特性( 一般为l c ) ，在较宽的温度范围内可正常工作，输出光功率与注入 电流的线性关系好，价格也便宜。此外半导体发光二极管不像半导体激光器 那样需要许多附加电路，它的驱动简单，不存在模式噪声问题等问题，发光 二极管广泛地应用于各种低速短距离光纤数字通信系统和图像的模拟传输 中。根据调查，目前三次群，四次群光传输系统中，当光纤损耗0 4 5 d b k m 时，l e d 的无中继距离可达1 7 k m ，可以满足本系统的设计要求。 2 3 线路码型 2 3 1 光纤通信中对线路码型的要求 数字光纤通信系统一般不直接传送由电端机传输过来的数字脉冲信号， 而需要进线路码型转换，产生适于数字光纤通信的线路码型。线路码具有平 衡数字码流中“0 ”、“1 ”码字的能力，可以减少数字码流中连续“l ”和“0 “串的长度，从而使时钟信号含量丰富，减少误码率，定时抖动少，所以线 路码型对光纤通信的信号传输具有重要的作用。 线路码型是信道码型，它要将二进制的数字串变为适合于特定传输媒质 的形式。因此对于不同的传输媒质，有不同的线路码型。数字光纤通信系统 壹室望! ：查兰堡主堡苎 的线路码型与电缆通信的线路码型有相似之处，但也存在许多区别。其主要 区别是：电缆通信系统一般都采用没有直流成分的正负极性的三电平码作线 路码，例如h d b 3 码。但在光纤通信系统中选择线路码型时，不仅要考虑其 传输媒质光纤的特性，还要考虑电器件即光源器件和光检测器件的特性。 由于只有“亮”和“暗”两种状态，所以只能采用含有直流成分的两电平码 作为线路码。 一般说来，对光纤中传输线路码型的选择主要考虑如下要求： ( 1 ) 比特序列独立性。在接收端进行码型变换时能唯一正确地恢复原信号。 ( 2 ) 能够提供足够的定时信息，避免出现长连“l ”和0 以便能从传输 的信号中提取丰富的定时信息。 ( 3 ) 码速提升速率小。由于码型变换后码速都有所增加，因而会降低接收 机的灵敏度，为保持原接收灵敏度就要付出一定的光功率代价。 ( 4 ) 尽可能减少功率谱密度中的高、低频分量。因为低频分量带来直流变 化，导致信号基线浮动，而高频分量会受到光纤带宽和接收机带宽的 限制。因此需要选择窄频谱的线路码。 ( 5 ) 能在不中断业务情况下进行误码率的检测。此外，还能传输各种辅助 信息及区间通信。 ( 6 ) 误码增值要小。在线路码型反变换时，往往会使还原码的误码数比线 路码的误码数增多，即有误码扩展。因此要选择误码增值小的线路码 型。 ( 7 ) 所选的线路码应使编码，译码设备简单，成本低，系统功耗不能因此 增加太多，易于实现。 2 3 2 光纤通信中的常见线路码型 目前光纤传输系统大多数用基带信号直接解调制光信号，对光纤线路码型 而言，仍属于基带码型。常用的有两大类，一类是m b n b 码，即分组码；另 一类是插入比特码。 堕室望三查兰堡主笙苎 2 3 2 1m b n b 自马型 m b n b 码是光纤数字通信系统常用的一类编码，其中适用于低速率的线路 码型有1 8 2 b 、2 8 3 b 、3 8 4 b 等，适用于高速率的码型有4 8 5 b 、5 8 6 b 、5 8 7 b 、 b 8 b 等。这类码型的构成方法是：首先将输入的二进制码流每m 比特一组， 作为一个码字，然后在每个码字的时隙内按一定的码变换表，变换成1 l 比特 一组的码字，使码速提高n m 倍。m b n b 码有两种码型：非均等m b n b 码 ( r e = n + 1 ) ，其码组内0 和“1 ”的个数不一定相等；均等m b n b 码( n m + 2 ) ，其码组内“0 ”和“1 ”个数相等。无论哪种类型，都有典型的2 ”一2 个多余的码字不使用，称为禁字。在这种m b n b 码中，由于按字位来进行编 码，译码，所以随着字长的增加，码型变换电路的结构变得更复杂，但总的 来看，m b n b 码的传输性能较好，直流电平浮动较小，“0 ”，“1 ”分布均匀， 定时信息丰富，误码监测性能好，可以利用不出现禁字的特点方便地进行误 码监测。而携带辅助信息的性能稍差，且有误码扩散，即线路中的一个误码 变换为原信源码就有n 个误码，影响系统性能。 2 3 2 2 插入比特码 插入比特码就是把原码流以m 比特为一组，在它的末尾之后插入一个比 特组成线路码。因此这种码型设计比较灵活，中途可上下话路，辅助信息比 较丰富，所以应用较广泛。根据插入比特码的用途可以分为以下三种： ( 1 ) m b l p 码末尾插入p 码。p 码称为奇偶校验码，它把m 位奇数原 码校正为偶数码。当m 位码内“1 ”的个数为奇数时，插入p 码为1 ， 反之插入“0 ”，以保持m + l 位码内“1 ”的个数为偶数。也可以采用 保持m + l 为码内“l ”的个数为奇数的方式。保持m + l 为码内“1 ”的 个数为偶数的例子如8 8 1 p 码等，采用这种编码可以同时进行误码监 测。 ( 2 ) m b l c 码末尾之后插入c 码。c 码称为反码或补码。即当第m 位 为“1 ”时补码为“0 ”，反之为“1 ”。c 码的插入可以减少长连“1 ， 或长连0 ，但误码检测仅能对第m 位实行，其它误码不能检测，把 误码率减少到1 m 。 旦塞堡三查兰堡! ：堡苎 ( 3 ) m b l h 码末尾之后插入h 码。h 码称为混合码。h 码具有多种功 能，它实际上是p 码，c 码和用以监控、公务、区间通信的插入比特 码组成，为了这些插入比特码的识别还插入帧定位码。其中除了c 码 是为了改善码流的传输特性，帧定位码是为了这些码的定位的，其余 的都属于操作、维护、管理、保护方面的辅助信息。这种码传送辅助 信息的能力较强，而且有简单易行、辅助信息传送质量高的优点。m 越小，所传送的辅助信息容量越大，但对高速系统，m 太大使线路速 率太高，会造成实现上的困难。常用的有8 8 1 h ，1 8 1 h 码，分别用于高 速( 如5 6 5 m b s ) 和中高速( 如1 4 0 m b s ) 系统中。 这些码型各有优点，在不同场合，可以选用其中的相适宜的码型。此外， 为了改善线路码的传输特性，m b n b 、m b l p 、m b l c 、m b l h 码常与扰码结合 一起使用。将输入的码流逐比特与线性位移寄存器进行模- - 3 n ，就可以实现 扰码。采用这种方法可以有效的防止接收端码字的虚同步，在图像传输系统 中还可抑制静态图像抖动。 2 3 3 线路编码器 由于光纤通信系统中采用的特殊的线路码型，相应的编码器也与一般通信 系统的不同。在光发射机中，编码器的作用就是将输入的普通二进制码流进 行码流变换，即把信源码变换成为合适的线路码去调制光源器件，使光源器 件产生被调制的光脉冲送到光纤中去传输。编码器主要由码变换器和时钟频 率变换器组成。 2 3 3 1 码变换器 码变换器就是将输入的普通二进制码流按线路编码规则，变换成线路码 流。所选的码型不同，可用的器件不同，实现的方法也不同。常用的有下面 三种方法； ( 1 ) 码表存储法码表存储法就是将所选用的线路码型的码表，存放在 一个存储器中，把输入码字作为地址码，读出存储的内容即为线路码。 南京理_ t 大学硕士论文 这种编码法从理论上讲任何码型都可以采用，但在实现上有一些问题， 如存储器的工作速率问题和存储器容量问题等。具体实现时，存储器 一般可采用可编程只读存储器p r o m ，使用时要将码表也写进存储器。 在选择p r o m 时，要考虑器典型的寻址时间和允许时间，并且容量也 要满足码表的要求。 ( 2 ) 组合逻辑法当没有适当的p r o m 时，特别是在高速系统中，要实 现固定码表的码型变换时，可采用组合逻辑法，也就是利用布尔代数 的算法，用逻辑组合代替码表存储器。这种方法的优点是编码速率可 以做的很高，而且随着集成电路的发展，也比较容易实现。 ( 3 ) 缓存插入法这种方法适用于m b l p , m b n b 码，实现时设置一个合适 长度的缓冲存储器，用输入码的速率写入，再以变换后的速率读出， 在需要插入的码位上插入应插入的比特，最后送出的就是线路码流。 2 3 3 2 时钟频率变换 由于码型变换前后码流的速率不一样，所以必须对时钟的频率进行变换。 时钟频率变换的方法常用的有两种： ( 1 ) 分频倍频法这种方法比较直观，对于m b n b 码，频率变换要实现 的是n m ，对于m b l p ，m b l c ，m b l h 码要实现( m + 1 ) m ，即先进行m 分频再进行n ( 或m + 1 ) 倍频。数字电路实现分频比较容易，但数字 倍频2 ”以外难以用普通逻辑电路直接实现，如用模拟电路，当n 较大 时，性能不稳定。故这种方法目前较少使用。 ( 2 ) 锁相环法锁相环法也进行m 分频，再用锁相环倍频，因此这种 方法可以看做分倍频法的一个特例。由于锁相环具有良好的频率、相 位跟踪性能，可以滤除高频抖动，并且已集成化，工作稳定可靠，实 现方便，易于调整，大多数的频率变换电路都采用这种方法。 2 3 ，4 线路扰码 扰码器也称为数据加乱器，扰码是光纤通信系统中经常使用的一种线路码 堕塞堡王查堂堡主堡苎 型。在数字通信系统中，数字通信系统的性能变化与数字源的统计特性有关， 也即与数据的模式有关，它影响到系统的定时、串音、均衡特性。采用有冗 余度的传输编码可消除一部分信息模式对系统性能的影响，但是要以增加传 输符号速率为代价。若把数据源变换成近似于白噪声的扰码数据序列，可以 消除模式对系统误码率的影响。为了改善线路码的传输特性， m b n b ，m b l p ，m b l c ，m b i h 码经常与扰码结合在一起使用。光纤数字通信系统中常 采用二进制扰码，其优点是： ( 1 ) 增加定时同步信息，使定时设备简单，便于同步提取。 ( 2 ) 扰码后，信息传号均匀，这样信息变化不会引起光功率输出变化，相 应地发光二极管发热温度恒定，提高了l e d 的寿命。 ( 3 ) 功率谱密度中无直流分量，并且高，低频分量也很小，改善了a p d 的 电流增益的稳定性，因为a p d 的电流对直流偏置有高的灵敏度。 图2 3 解扰原理图 ( 4 ) 使可检测的光功率减到最小，即提高了系统的接收灵敏度。 ( 5 )由于扰码的加乱，增加了保密性能，可用于保密通信。 ( 6 ) 提高了通信质量，但是并不增加信息的传输的速率，提高了通信效率。 扰码是在光发射端使用移位寄存器产生m 序列，然后将待扰码信息序列与 1 4 堕室堡三查兰堡主堡苎 与m 序列作模二加，其输出就是被扰码的随机序列。解扰码是在光接收机端 使用相同的m 序列与收到的被扰信息模二加，从而将源信息恢复。使用n 节 反馈移位寄存器可获得一些周期为2 “一1 的序列，将这种最长的r l 节线性反馈 移位寄存器序列称为i 序列。扰码是将输入的二进制n r z 码序打乱，重新排 列，而后在接收端解扰，还原成原来的二进制序列。扰码的重要作用是抑制 静态图像抖动理论和实验证明，不用扰码器约有2 0 0 的抖动宽度。加扰码器 后，抖动迅速减小，5 级以上的扰码使抖动抑制到1 0 以下。扰码器和解扰器 的核心是以移位寄存器和异或门组成的( 2 ”一1 ) 位随机序列发生器，1 1 为发 生器的级数。扰码器和解码器原理如图2 2 、图2 3 所示。设扰码器的输入 序列为i l l ( t ) ，经扰码后的输出序列位y ( t ) ，他们之间的关系可以表示： y ( t ) = m ( t ) o y ( t - k t ) ( 2 1 ) 解码器输出x ( t ) 可以表示为：x ( t ) = y ( t ) o y ( t k t ) ( 2 2 ) 式中，t 位移为寄存器的时延，抽头位置由扰码器的级数n 确定。见表2 1 。 抽头位置 53 ，5 74 ，9 95 ，9 l l9 1 l 1 51 4 1 5 扰码器级数r l 的确定应考虑信号抖动和基线漂移两个问题。 对信号抖动而言，n 越大，对抖动的抑制作用也越大。但理 论和实验证明，当n 大于5 时，如果在增加级数，对抖动 通信的改善就不明显了。对信号的基线漂移而言，为了避 免扰码序列中过大的低频分量，扰码器数应小一些。因此 在一般设备中使用5 级或7 级扰码器 表2 1 扰码器抽头位置与级数关系 2 4 三次群光发射机系统组成 本系统采用1 8 1 h 线路编码的三次群光发射机系统设计，三次群光发射机 也称作3 4 m 光发射机。其中准同步复接部分按照g7 4 2 复接标准进行，增强 了系统对外的接口能力。为提高系统性能并采用五级的扰码器，光线路中数 字信号速率为8 4 4 8 k b i t s x 8 = 6 7 5 8 4 k b i t s 。光发射部分采用h p 公司的光发射 壹室堡三查兰堡主堡苎 一 模块，该模块采用p e c l 电平接e l 。p e c l 电平是用于高速电路的电平标准， 由于线路编码与复接均采用兀1 l 电平标准，发射模块采用p e c l 电平标准， 因此需要t t l p e c l 电平转换，系统框图如图2 4 。图中虚线框中部分采用 v h d l 语言在f p g a 中设计完成。其中的输入信号可以是标称速率是 2 0 4 8 k b i t s 的准同步的支路信号，也可以是8 4 4 8 k b i t s 的同步支路信号。当 输入信号经过h o b 3 解码后，如果输入信号是标称速率为2 0 4 8 k b i t s 的准同 步支路信号时，输入信号经过准同步复接，再经过五级线路扰码后，进行1 8 1 h 线路编码；如果输入信号是8 4 4 8 k b i t s 的同步支路信号，在进行1 8 1 h 线路 编码后，由t t l 电平转换成p e c l 电平，由p e c l 电平标准的信号直接调制光 发射模块中的发光二极管，产生强度调制的光信号，耦合到光纤中进行传输。 系统中采用模块设计如下： ( 1 ) 传输光纤采用多模光纤：6 2 5 1 2 5 u m ，n a = o 2 7 5 ( 2 ) 采用集成的光发射模块，光源器件为i n g a a s p 发光二极管，工作中心 波长在1 3 0 0 n m 。其参数如下： 输出光功率p ：典型值1 4 0 d b m ，最小值1 6 0 d b m ，最大值一1 2 5 d b m 输入电流j 。，：最大值1 0 0 m a 发光二极管中心发射波长：典型值1 3 0 0 n m ，最大值1 3 7 0 n m ，最小值 1 2 7 0 n m 。 ( 3 ) 虚线框中的部分采用v h d l 硬件设计语言针对x i l i n x 公司的s p a r t a n i i 容量为1 0 万门的f p g a 进行设计。 支路信号1r l 吖一u 光纤 叫噼鬻h 攀p 图2 4 三次群光发射机系统组成框图 堕塞堡三查堂堡主丝苎 本系统是3 4 m b i t s 的i b l h 线路编码的数字光纤传输系统，光线路码型采 用1 8 1 h 本地制式。b 码的b 1 b 4 是4 个独立的8 4 4 8 k b i f f s ( n r z ) 支路信号， 直接参与1 8 1 h 线路编码。h 码的h 1 一h 4 也是4 个独立的8 4 4 8 k b i f f s 支路码 流。1 8 1 h 编码是将b 1 b 4 和h 1 h 4 支路比特交替按顺序安排，以按码字同 步复接方式形成光线路码流。其线路码流速率是8 8 4 4 8 k b s = 6 7 5 8 4 k b s 。其 帧结构如图2 5 所示。 l b l h 帧结构 匠叵叵】习匠叵互叩 帧长2 5 6 比特线路码速率- - 8 4 4 8 k b s * 8 = 6 7 5 8 4 k b s h 2 结构 图2 51 8 1 h 线路码帧结构 b l a b 4 ，h 1 和h 3 为6 个独立的二次群信道。可以是二次群或4 个 2 1 1 2 k b i t s 同步合成的区间信码。但不做成标准二次群接口对外，它在机内分 别与6 块“2 8 复用“板接口。“2 8 复用”( 2 8 m u x ) 的作用与二次群复用相 同，将4 个2 0 4 8 k b i f f s 的h d b 3 异源基群信号，按g 7 4 2 的帧结构复接成 8 4 4 8 k b i t s 码群。同标准二次群设备的不同点是：( 1 ) 8 4 4 8 k b i t s 复接为n r z 方式，机内直接与光端机接口，不提供外用h d b 3 接口。( 2 ) 8 4 4 8 k b i f f s 复接 和分按时钟使用光线路发送和接收时钟，复接和分接在线路时钟同步状态上 进行。以上6 个8 m 信道提供2 4 个基群信道( 7 2 0 路) 以及标准接口。 c 为b 4 的反码，即c = h 4 = b 4 ，全部插入b 4 的补码。用于减少码流中 同号连续数( 妄8 ) 和利用其补码规律进行传输误码校验。其速率也为 8 4 4 8 k b i t s 。 h 2 支路为混合码支路。是一个综合性的码，共由3 2 个码组成。它含有4 个次级支路( 4 x8 比特) ，其中二个支路用作二条2 m 传输信道：用“2 8 区 间”接口板与之接口，进行码速调整与接口变换，获得二个2 0 4 8 k b i g s 的h d b 3 电路外。连同b l b 4 ，h 1 ，h 3 共计2 6 个基群信道( 7 8 0 路) 和相应的接口。 塑里些圭查兰堡主堡苎 h 2 中另一支路( 8 比特，2 1 1 2 k b i t s ) 用作数据信道，与“数据接口板” ( d i f ) 接口分接成8 条2 6 4 k b s 数据线，可以将r s 2 3 2 或t t l 口对外，供 系统业务或开发其它传输电路用。 h 2 中其余8 比特( 2 1 1 2 k b i t s ) 安排是：4 比特作1 8 1 h 帧定位码，即 f1 f2 i l i 2 = 1 0 0 1 ；另外4 个比特作为4 条数据线( 2 6 4 k b i t s ) ，专用于系统 业务信道，即公l ( 本地公务) ，公2 ( 跨数字端公务) ，监控和倒换用。 综合以上所述，i b l h 本地线路编码的组成按排列于表2 2 。 表2 2i b i h 本地线路编码列表 信号比特代号速率接口板用途对外端子 名称 8 m 信 b i ，b 2 ，b 3 ，b 4 8 4 4 8 k b s2 8 复用提供2 3 各基顶架 道h 1 h 3群信道h d b 3 s y s l _ s y $ 2 4 补码h 4 = b 48 4 4 8 k b s改善传输特性 ， 误码检测 区间h 2 中二个支2 1 1 2 k b s2 8 区间提供两条机群顶架 通信路信道h d b 3 s y s 2 5 s y s 2 6 数据h 2 中y 一个2 1 1 2 k b s数据接口d 1 一d 8 数据线顶架 次级支路2 6 4 k b sr $ 2 3 2 公务h 2 中比特2 6 4 k b s公务板段内公务电话 1“公l ”( p h l )信道 公务h 2 中比特2 6 4 k b s公务2 接口越段公务电话t t l 2“公2 ” ( p h 2 ) 信道 监拧h 2 中比特2 6 4 k b ss m e d c u 段内监控信道 ， “监” 倒换h 2 中比特2 6 4 k b ss m c l ：l 倒换信道 ， 南京理工大学硕上论文 “s w ” 帧码f 1 f 2 f 1 f 2 ，h4 2 6 4 k b s ，1 8 1 h 帧定位 2 中4 比特鹅 列表中各级速率信号，以线路帧码为时序和相位参考，按1 8 1 h 本地形帧 结构，同步复接形成线路码，因此它4 i 3 n 以在中继机同步分离和插入其中任 何一部分。b 1 b 4 ，h i ，h 3 是6 个独立的8 m 信道，也可由2 0 4 8 k b i t s 的支路 信号复接而成，性质完全相同。系统中的复接按照g 7 4 2 规定的复接方式进 行。， 南京理工大学硕士论文 第三章v h d l 设计语言与f p g a 器件 3 1 现场可编程门阵列( f p g a ) 高密度现场可编程逻辑器件，包括复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ec p l d ) 和现场可编程门阵y u ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a a r r a y f p g a l ，使设计者可以根据具体需要进行在片系统设计，使系 统的开发更加快速、方便。f p g a 实际上是由一系列逻辑单元的阵列构成， 这些阵列单元通过可编程连线阵列，可实现逻辑单元之间的互连，也可实现 与可编程i o 单元的互连。f p g a 具有更多的灵活性：即使用于开发周期短、 小批量产品开发，也可用于大批量产品的样品研制，可以在设计中不改变p c b 板的情况下对设计功能进行电路上的修改。同时，其项目开发所需的前期工 程开发费用低。 i 0c 二 ii d l l 2 臣3 d d 叠 黑 噩 y一 u o = c 【 囵匿 蛊 匿 图31 x i l i n x 公司的s p a r t a n l l 系列f p g a 结构图 堕室堡三查堂堡主堡苎 x i l i n x 公司的f p g a 系列器件由于其容量大，密度高，工艺先进而在系统 设计中得到广泛应用，x i l i n x 的s p a r t a n l l 系列器件的结构是构建在x i l i n x 的 v i g t e x 高端器件的结构基础之上的( s p a n a n i i 的结构如图3 1 ) 。s p m a n i i 具有 v i r t e x 系列器件的相同结构，又具有低端产品的价格优势，而其容量在1 5 - 2 0 万系统门之间，最高系统运行速度可达2 0 0 m h z ，足以满足一般系统设计的 要求。本论文采用的就是x i l i n x 公司的容量为1 0 万门的s p a r t a n l