（计算机系统结构专业论文）光纤通信接口的设计与实现.pdf

摘要 采用光纤代替电缆传输数据，不但可以使相隔距离较远的楼宇之间能共享同 一台喷墨绘图机，而且在国防上可以很好地解决普通电缆易产生对外信息辐射造 成信息泄露的问题。 本论文在数字光接收机原理基础上设计了一个能嵌入在喷墨绘图机中的光接 收模块，该模块将通过光纤传输过来的光信号转换为电信号，并从电信号中将数 据信号正确地恢复出来。论文中主要讨论了光电检测技术，互阻前置放大器，带 限幅放大器的时钟恢复和数据再生( c d r ) 电路，串并转换电路，硬件写数据电路 以及读数据显示电路。其中的核心问题是同步时钟的提取。时钟信号提取是数字 光纤通信系统中的一个重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个系统的传输质 量和传输距离。常用的时钟信号提取方法有调谐滤波法和锁相法，论文中主要讨 论了锁相环时钟提取技术( p l l ) 。 关键词：光纤喷墨绘图机光接收模块锁相环 a b s t r a c t u s i n gf i b e r st or e p l a c ec a b l e st ot r a n s m i td a t am a yn o to n l yr e a l i z es h a r i n gaj e t g r a p hp l o t t e ra m o n gr e m o t eb u i l d i n g sb u ta l s oc a nb eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo f i n f o r m a t i o nl e a kp r o d u c o db yc a b l e si nt h en a t i o n a ld e f e n s es y s t e m a no p t i c a lr e c e i v e rm o d u l ee m b e d d e di nt h ej e tg r a p hp l o t t e ri sd e s i g n e di nt h i s p a p e r t h ef u n c t i o no ft h em o d u l ei st ot r a n s f o r mt h eo p t i c a ls i g n a l sc o m i n gf r o mt h e f i b e ri n t oe l e c t r i c a ls i g n a l sf r o mw h i c ht h ea c c u r a t ed a t as i g n a l sw i l lb er e s u m e d p h o t o e l e c t r i c i t yd e t e c t i n gt e c h n o l o g y , t r a n s i m p e d a n c ep r e a m p l i f i e r , c l o c k r e c o v e r ya n d d a t a - r e t i m i n g i cw i t l ll i m i t i n ga m p l i f i e r , s e r i a l - t o p a r a l l e lt r a n s f o r mc i r c u i t ， h a r d w a r e - w r i t i n gd a t ac f f c u i ta n dr e a dd a t ad i s p l a yc i r c u i ta r ed i s c u s s e d ，w i t ht h ef o c u s o nt h ep i c ku ps y n c h r o n o u sc l o c kf r o md a t as t r e a m c l o c k - r e c o v e r yi so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t si nd i # t mo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h o s ep e r f o r m a n c e sh a v ea d i r e c te f f e c to nt h et r a n s m i t t a lq u a l i t ya n dt r a n s m i t t a ld i s t a n c eo ft h ew h o l es y s t e m t h et u n e - f i l t e rm e t h o da n dp l lm e t h o da r ei nc o r n n o nu s ei nr e c o v e r i n gc l o c ki n w h i c ht h el a t t e ri se x p l o m di nt h i sp a p e r k e y w o r d ：o p t i c a lf i b e rj e tg r a p hp l o t t e ro p t i c a lr e c e i v e rm o d u l e p l l 创新性声明 吣8 8 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名；纠墨塑同期遗掣：! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：名鱼毕 日期垒坚互坠 导师签名 日快龇一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信技术 1 1 1 光纤通信基本概念 所谓光纤通信，是指利用光导纤维( 简称光纤) 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。 光波是属于电磁波的范畴，电磁波按照波长不同( 或频率不同) ，可分为如长 波、中波、微波、红外线、可见光、紫外线等。其中，紫外线、可见光、红外线 都属于光波。光纤通信是工作在近红外区，即波长是0 8 1 8 枷，对应的频率 为1 6 7 3 7 5 t h z 。1 1 1 ，2 光纤通信的主要特点 一光纤通信的主要优点 与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信的优点如下： ( 1 ) 传输频带宽、通信容量大： ( 2 ) 传输损耗小，传输距离远： ( 3 ) 抗电磁干扰能力强，保密性好； ( 4 ) 线径细，重量轻；耐化学腐蚀； ( 5 ) 串扰小，信号传输质量高； 光纤通信与电通信的比较 光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：是用光作为传输信号 二是用 光缆作为传输线路。因此，在光纤通信中起主导作用的是激光器和光纤。 半导体激光器的发光面积很小，它能输出功率稳定而且方向性极好的激光， 激光可以运载巨大的信息量。 光纤是一种会质光波导，具有把光封阕在其中进行传输的导波结构。它是由 直径大约只有0 1 m m 的细玻璃丝构成。由于其损耗低( 可达0 0 5 o 1 d b k m ) ， 所以适于长距离传输。 1 1 3 光纤通信接口参数规范”1 光线路码型 光接口的线路码型为加扰n r z ( 不归零) 码，采用7 级扰码器，生成的多项 式为x + x 6 + t 。这种码型最篱单，线路速率不增加，没有光功率代价。无需编 码，只要一个扰码器即可。扰码的目的是为了控制由于信息序列长连“0 ”或长连 “l ”所引起的定时信息丢失。采用7 级扰码器是为了保证扰码器产生的伪随机序 列充分接近真正的随机序列，从丽削弱各个再生器所产生抖动的相关性，使系统 光纤通信接口的设计与实现 抖动积分量减小。 - 波长范围 在短距离内，光纤采用满足标准g 6 5 2 的单模光纤时，光源波长可选1 3 1 0 h m 或1 5 5 0 n 掰。 光发送机 ( 1 ) 平均发送光功率 光发送机平均发送光功率定义为当伪随机序列信号调制发送机时，在电光转 换器输出口测碍的平均光功率。 ( 2 ) 消光比 消光比定义为最坏反射条件下，全调制肘发送“l ”码时的平均光功率( 层) 与发送“0 ”码时的平均光功率( e 0 ) 之比的最小值，即e x = t o l o g ( 只e 0 ) 。 c c i t tg ，9 5 7 建议规定短距离传输时消光比为8 2 d b ；长距离传输时为l od b 。 色散机理及最大色散值 色散是由于在光纤中传输的光信号不同成分的时间延迟不同而产生的一种物 理效应。色散通常用3 d b 光带宽 。或脉冲展宽f 来表示，这里的f 是输出光 脉冲相对于输入光脉冲的展宽。光纤色散引起光脉冲展宽，从而导致码间干扰。 光纤色散也使激光器各谱线经光纤传输后产生不同的延时，也使接收脉冲展宽， 这种光纤色散与激光器的光谱特性共同作甩产生懿系统性能损伤叫模分配噪声。 一般认为ld b 色散引入的功率代价是最大可以容忍的数值，因而将1 曲功 率代价所对应的光通道色散值定义为光通道最大色散值。 光接收机 ( 1 ) 接收机灵敏度 光接收机灵敏度定义为：在保证达到l o “o 的比特误码率( b e r ) 的条件下， 所需要的最小平均接收光功率。它已经考虑了发送机所引起的各种功率代价。即 发送机具有最坏消光比、最差上升沿和下降沿等因素，但不包含与色散、抖动有 关的功率代价。 ( 2 ) 接收机过载功率 接收机过载功率定义为。在保证达到l o 。1 0 的比特误码率( b e r ) 的条件下， 所需要的最大平均接收光功率。首先，当接收光功率高于接收灵敏度时，由于信 噪比的改善，使误码率变小。当继续增加接收光功率时，接收机前端放大器进入 非线性工作区，继而发生饱和或过载使信号脉冲波形产生畸变导致码间干扰。 当误码率达到1 0 。o 时的接收光功率即为接收机过载功率。当接收机光功率仍继续 增加时，则误码率迅速恶化，最终会导致系统崩溃。当接收功率处于接收灵敏度 与接收过载功率之间( 二者的差称为动态范围) 时，接收机误码率优于l o “o 。系 统正常工作对就处于这一范围。 第一章绪论 1 2 本论文的工作及意义 本论文的研究工作属于十五国防预研项目的一个子课题，该项目负责研制开 发一台高品质、宽幅面、彩色喷墨绘图机的样机。该绘图机的整体技术指标达到 国际水平，具有自主知识产权，并且项目研发后转换为产品投放市场。 一般地，彩色喷墨绘图机处理的图像数据量非常大，一幅大的图像可达几十 兆字节，甚至几百兆字节。在局域网中，通常采用同轴电缆或双绞线传输数据信 号，但在要求传输速率达数十兆b p s 或数百兆b p s 时，不管是同轴电缆还是双绞 线，二者的传输距离都较短。为了能使相隔距离较远的楼宇、部门之间能高速共 享同一台绘图机，可以采用光纤代替电缆来传输图像数据信号。与同轴电缆和双 绞线相比，光纤具有许多优异性能，例如频带宽、容量大、速率高、传输距离远 等。而且，光纤通信系统不受外部电磁场的影响，可以防雷击，因而光纤系统不 受冲击噪声和串扰之类的干扰。除此之外，光纤还有一大特点：光纤中传输的是 光信号，不会辐射能量，在国防上可以很好地解决普通电缆容易产生对外信息辐 射造成信息泄露的问题。 光接收模块是实现光纤传输图像数据到喷墨绘图机的重要部件。本论文在数 字光接收机原理基础上设计了一个能嵌入在喷墨绘图机中的光接收模块，该模块 将通过光纤传输过来的光信号转换为电信号，并从电信号中将数据信号正确地恢 复出来。论文中主要讨论了光电检测技术，互阻前置放大器，带限幅放大器的时 钟恢复和数据再生( c d r ) 电路，串并转换电路，硬件写数据电路以及读数据显示 电路。其中的核心问题是同步时钟的提取。时钟信号提取是数字光纤通信系统中 的一个重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个系统的传输质量和传输距离。 常用的时钟信号提取方法有调谐滤波法和锁相法，论文中主要讨论了锁相环时钟 提取技术( p l l ) 。 第二章光发射端 第二章光发射端 2 1 光发射端功能 光发射端是数字光纤通信系统中的三大组成部分之一。其功能是将电脉冲信 号转换成光脉冲信号，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 从光源器件的尾纤发送出去。 在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是光频载波，通过调制，使 其载荷信息，一般采用直接强度调制的方式。光发射端原理框图如图2 1 所示， 主要由整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源组成。 图2 1 光发射端原理方框图 2 2 光发射端关键技术 2 2 1 光源 光发射端依靠光源器件一激光器( l d ) 或发光二极管( l e d ) 将电脉冲信号变 换成光脉冲信号，因此光源器件是光发射端的核心部件。 根据光纤在0 8 5 u m 、1 3 u m 和1 5 5 u m 附近呈现低损耗的特性，结合半导体发 光材料，其辐射波长能够覆盖上述范围的是砷化镓( g a a s ) 化合物，而且在此基 础上发展三元和四元化合物很方便。因此，目前在长、短波长的数字光纤通信中 广泛使用的光源器件是i n g a a s p i n p 双异质结( d h ) 半导体激光器与发光二极管 和a i g a a s g a a s 双异质结半导体激光器与发光二极管。 _ 半导体激光器l d 激光器是1 9 6 0 年由美国人梅曼发明的新型光源，它是利用受激辐射原理，并 采取一定措施在某个方向上获得很强的指向性、极高的光强、极好的相干性的一 种光源。 6光纤通信接口的设计与实现 构成一个激光器应具有下列的先决条件：激光工作物质( 发光介质) 、能保证 粒子数反转分布的激励能源( 泵浦源) 、光学选择谐振腔、域值条件及相位平衡条 件。激光器的原理图如图2 2 所示。“1 反射镜部分反射 激光输出 满足粒子蟊反转分布的激光工作物 图2 2 激光器的构成原理图 目前已研制出了多种类型的激光器，例如固体激光器、气体激光器、半导体 激光器等。由于半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、较高的稳 定性、调制方便、调制速度高、频带宽等优点，在光纤通信中得到了广泛使用。 而一个半导体激光器基本上由下列部分构成：n 1 一个引导所产生的光的光波导。为了传输单横模波导的厚度和宽度都必须足 够小， 一个增益区或激射区。为通过光波导的光波在双异质结构复合区中同电子和空 穴发生相互作用时产生的受激发射提供增益。 促进振荡的兜反馈装置。在最简单的光振荡器中一法布量一泊罗激光器中，光反 馈由激光器二端半导体材料和周围空气之间折射率突变而引起的光反射形成。 - 频率选择元件( 通常是光栅) ，该器件用来只选择法布里一泊罗腔的个模式。 激光器中是否包含频率选择元件，主要看它是否同时允许几个模式存在。 半导体发光二极管l e d 在光纤通信中使用的光源，除了半导体激光器咀外，还有半导体发光二极管。 它除了没有光学谐振腔以外，其他方面与激光器相同- 它是无域值器件，它的发 光只限于自发辐射，发出韵是荧光。 蔺2 3 访胥张二糨黄示煮圈 金属电极 衬底层 碾制层 有源层 罂髅 氧化物膜 金属电极 第二章光发射端 发光二极管又分为两大类：西发光二极管及边发光二极管。目前，在单模光 纤数字通信系统中，大多采用边发光二极管，如图2 3 所示。“1 半导体发光二极管的工作特性和特点：“1 ( 1 ) 光谱较宽 l e d 属于自发辐射发光，其谱线宽度要比l d 宽的多，对于高速率信号的传 输而言这是不利的。目前，国内一般的边发光二极管的最高调制频率为 7 0 1 0 0 m h z 。 ( 2 ) p - i 曲线的线性较好 l e d 是无阈值器件，随着注入电流的增加，它的输出光功率近似呈线性增 加。因此，在进行调制时，其动态范围大，信号失真小。 ( 3 ) 耦合效率较低 由于l e d 发射出的光束的发射角较大( 大约在4 0 。1 2 0 0 范围内) ，故与光 纤的耦合效率较低。一般只适用于短距离传输。 ( 4 ) 寿命长 目前国产发光二极管的寿命一般可以达到3 1 旷小时以上。 ( 5 ) 温度特性较好 激光器的阈值电流随温度变化而变化，而l e d 是无阈值器件，因此。l e d 温 度特性较好，一般不需加温控电路。 尽管发光二极管的输出光功率较低、光谱较宽，但由于它使用简单、寿命长 等优点，因此，在中、低速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输系统 中还是得到了广泛的应用。 光源的选择 光接收模块设计方案中选用了深圳市恒宝通光电子有限公司的单发射光电模 块h l t x 一1 2 作为光发射端的电光转换器，它采用的光源是半导体激光器，工作波 长是1 3 1 0 h m 。 2 2 2 光源的调制技术 在光纤通信中。怎样才能将电信号转换成光信号，并传送到光纤上呢? 通常 采用的方法是对光源进行调制。在光纤通信系统中。信息由l e d 或l d 发出的光波 所携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。按调制方式与光 源的关系来分，有直接调制和外调制两种。 一光源的内调制“1 内调制又称直接调制，它是直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数 ( 光强、频率等) ，得到光频的调幅波或调频波。这种调制方式可以用于半导体激 光器和半导体发光二极管这类光源。在数字光纤通信系统中，采用内调制方式时， 光纤通信接口的设计与实现 通常用光纤中有无光信号来表示“1 ”和“0 ”。用发光二极管进行数字信号内调制 原理图如图2 4 所示。 图2 4 用发光二极管进行数字信号内调制原理图 内调制方法虽然电路简单容易实现，但是在高速率下采用这种调制方法时， 将使光源的性能变坏。例如，使光源的动态谱线增宽，造成光传输时色散增加， 导致在光纤中所传脉冲波形展宽，结果限制了光纤的传输容量。 光源的外调制 对于直接调制来讲，单纵模激光器引起的啁啾( c h i r p ) ( 所谓啁啾，指的是 线性频率调制，即一个脉冲的载波频率随时间而改变。) 噪声已成为限镱4 其传输距 离的主要因素。外调制指的是，让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波通过光 调制器，光信号通过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制。外调 制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下 运用。 与直接调制不同，在外调制情况下，高速电信号不再直接调制激光器，而是 加载在某一媒介上，利用该媒介的物理特性使通过的激光器信号的光波特性发生 变化，从而间接建立了电信号与激光的调制关系。在外调制情况下，激光器产生 稳定的大功率激光，而外调制器以低啁嗽对它进行调制，从而获得远大于直接调 制的色散受限距离。目前，投入实用的主要有两种：种是电吸收型外调制器， 一种是波导型铌酸锂马赫一曾德尔调锖4 器。在高码速下强度调制一直接检波的光 纤通信系统或外差光纤通信系统中，般采用对光源的外调制方式。 2 2 3 光纤 光纤是光导纤维的简称，由直径大约为0 。l 册的细玻璃丝构成。它透明、纤 目 第二章光发射端 细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。它 由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还往 往覆盖一层塑料加以保护，其中包层直径一般为12 5 u m 。光纤分为单模光纤和多模 光纤两种。单模光纤的纤芯直径很小，模场直径只有9 l o u m ，光线沿直线传播， 信号畸变小，只能传播一个模式。多模光纤的纤芯芯径一般为5 0 或6 2 5 u m ，包 层直径一般为1 2 5 u m ，可以传输多种模式。光的一个传输模式指的是，在光纤的受 光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯一包层交界面上产生全反射 的传播光线。当光纤的纤芯直径较大时，则在光纤的受光角内，可允许光波以多 个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，此时，就称光纤中有多个模式。 光纤的传播模式如图2 5 所示。常用的光纤规格为单模：8 1 2 5 u m ， 9 1 2 5 u m ， l o 1 2 5 u m ；多模： 5 0 1 2 5 u m ( 欧洲标准) ，6 2 5 1 2 5 u m ( 美国标准) 。 高次模基模低次模 豳2 5 光纤的传播模式 光纤窗口 现在常用的光纤窗口有三个，分别是第一窗口0 8 5 u m 波长区、第二窗口区 1 3 1 u m 波长、第三窗口区1 5 5 u m 波长。其中，0 8 5 u m 的损耗为2 5 d b k m ，1 3 1 u m 的损耗为0 3 5 d b k m ，1 5 5 u m 的损耗为0 2 0 d b k m 。 第三章 光发射电路 第三章光发射电路 3 1 发射端电脉冲信号的产生 为使数据密度最佳化，数字光纤通信系统以不归零( n r z ) 码格式( 有光脉冲 对应于逻辑上的“l ”；而无光脉冲对应于逻辑上的“0 ”) 来传输数据。采用n r z 码形式发送数据，效率很高，因为一个1 5 0 m h z 时钟频率可传送1 5 0 m b sn r z 数据。 检测光接收模块的各项性能指标时，需要光发射端提供相应的检测数据信号。一 般地，利用同步通信方式从光发射端发送相应的检测数据，时钟信号包含在检测 数据中。设计方案中利用单片机8 0 3 1 方式0 时的1 0 脚r x d ( 发送串行数据) 输 出所需要的数据信号( n r z 信号) ，例如1 0 1 0 1 0 1 0 比特序列。8 0 3 1 串行口内有一 个可直接寻址的专用寄存器一一串行口缓冲寄存器s b u f 。在物理上，s b u f 由两个 8 位寄存器组成：一个是发送寄存器，一个是接收寄存器，二者共用一个地址9 9 h ， 可同时发送、接收数据。c p u 写s b u f ，就是修改发送寄存器；读s b u f ，就是读接 收寄存器。对于发送寄存器，为了保持最大的传输速率，一般不需要双缓冲，因 为发送时c p u 是主动的，不会产生写重叠问题。 3 2 串行口控制寄存器s c o n ( 9 8 h ) 8 0 3 1 串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均由特 殊功能寄存器s c o n 控制和指示。其控制字格式如图3 1 所示。“在发射端，采用 8 0 3 1 的工作方式0 提供光接收模块检测所需的电脉冲信号。s m o 和s m l 的值均为 0 时，8 0 3 1 的串行口以方式0 工作，此时的波特率是丘1 2 ，其中之是晶体 振荡器的工作频率。 s c o n ( 9 8 h ) 图3 。1串行口控制寄存器s c o n 光纤通信接口的设计与实现 3 3 串行通信工作方式0 8 0 3 1 的工作方式0 为同步移位寄存器输入输出方式，常用于扩展i o 口。 此处，我们利用方式0 来实现光发送端和光接收端的同步通信。在数据帧格式中 约定同步字符是0 1 1 l l l l o 二进铡序列，检测数据是连续的1 0 1 0 1 0 1 0 二进常4 序列。 方式0 以8 位数据为一帧，不设起始位和停止位，发送时数据按照从低到高的顺 序输出，这样正好可以实现同步通信的要求。其帧格式如下： 以方式0 工作时，首先初始化s c o n 寄存器内容为0 0 1 4 ，然后通过r x d ( p 3 0 ) 端以厶1 2 波特率将s b u f 中的8 位数据以串行形式往外发送，低位在前。无 起始位、奇偶侥及停止位。当晶体强荡器频率为j 2 潲2 时，数据波特率为i 礴 z 。 简单的测试程序如下： m o v s c o n ，# o o h ；设置工作方式为方式0 m o v a ，# 7 e h ：发送同步字符0 1 1 l l n 0 二进制序列 m o vs b u f ，a ； w a i t l ：j b ct i ，l o o p ： s j m pw a i t i l o o p ；m o va ，洳a a h ：发送的二迸制位数据 i o i o i o i o b l o o p i ：m o vs b u f ，a ： 数据一 s b u f 启动发送 w a i t ；j b ct i ，l o o p l ：判断发送中断标志，当一帧数据发送完后被置位 s m pw a i t 3 4 光发射电路核心器件 电脉冲信号通过光纤传输之前，必须先将电信号转换成光信号，然后再耦合 郅光纤中去。对于低速率电脉冲信号，采用低遽电光转换器就可以实现电光的转 换。本论文中选用的电光转换器是深圳市恒宝通光电子有限公司的h l t x - 1 2 。它 是一个单发射超低速光电模块，最高速率为5 m h z ，其中的核心器件是l d 激光源。 它是为光纤监控系统及远程m o d e m 而设计，工作于较低的速率，t t l 电平数据接 口，方便线路设计，且功耗较小，输出光功率稳定，消光比( 指发射“l ”码时的 发光功率发射“0 ”码时的发光功率的比值) 高，输出功率范围可选。光接口可 根据用户需要提供带尾纤和不带尾纤s t 、s c 、f c 连接头。它的工作波长是1 3 l o n m 。 h l t x 一1 2 的性能特性如下： 第三章光发射电路 特点 速率d c 5 0 0 k b p s o 5 5 m b p s 2 x 6 管脚金属封装( 其中有6 个管脚不用) t t l 电平接口 宽温度工作范围：一4 0 c + 8 5 c + 5 v 电源供电 极限参数 参数符号最小值最大值单位 脬储温度 t s t - 4 0+ 8 5 江作温度 t o p - 4 0+ 8 5 i 旺作和存储湿度8 5 腆电电压 v c c 0+ 6v b l 线焊接温度时间2 4 0 1 0 s 一发射性能 l参数符号最小值典型值最大值单位 i 数据速率bo c 5 m b s 冲心波长 c1 3 l o n m k 宽 a 4n m 平均光功率4p o l l0 d b m 阳光比e x t 2 0 d b 旺作电流 i c c 1 1 01 3 0m a 旺作电压v c c 4 7 555 2 5v 管脚图 注：在5 0 占空比下测得 光功率可以根据用户要求定制 l管脚发射管脚接收 i tc a s e1 2c a s e l zg n d1 lg n d l so p 融l nl o d a t a o u t i 。n c9n c i sc a s e8 c a s e f e+ 5 v 。 7+ 5 v 其中管脚1 ( c a s e ) 和管脚5 ( c a s e ) 接管壳，管脚4 ( n c ) 空闲不接，管脚 3 ( d a t ai n ) 接输入的t t l 电信号。单端电光转换器中管脚7 管脚1 2 不用。 第四章光接收模块 第四章光接收模块 4 1 光接收模块的功能及总体方案设计框图 4 1 1 光接收模块的功能 数字光接收模块在数字光纤通信系统中的作用是将经光纤传输后衰减变形 的微弱光脉冲信号通过光电探测器转换为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡 与定时后，再还原成为标准的数字脉冲信号。 光接收模块必须有足够的带宽以保证对输入光信号脉冲 乍出正确反应。传输 的码速越高，要求的带宽越宽。光接收模块电路末端的均衡滤波器和放大器配合， 以提供升余弦脉冲和限制噪声，从两使光接收模块能获得较低的误码率和较高的 接收灵敏度。 4 1 ，2 总体方案设计框图 光接收模块的总体方案设计框图如图4 1 所示。它由光电探测器、前置放大 器、主放大器、自动增益控制电路( a g c ) 、均衡器与时钟恢复电路、判决器及串 并转换电路所组成。各部分功能的详细描述见4 2 节。 电 图4 1光接收模块的总体方案设计框图 4 2 光接收模块关键技术 4 2 1 光电探覆1 j 器 光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有个接收光信号的元件。但 是由于目前我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度。所以我们并不能通过 对光信号的直接还原而获得原来的信号。在它们之间还存在着卜将光信号转变 成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，最后再还原成原来的信号。这一 接收转换元件称作光检测器，或者光电探测器，简称检测器，又叫光电检波器或 者光电二极管。 光纤通信接口的设计与实现 光电探溺器是数字光接收模块的核心器件，常见的光电探测器包括：p i n 光 电二极管和雪崩光电二极管( a p d ) 。 光纤通信系统要求光电探测器： ( 1 ) 灵敏度高；灵敏度商表示检测器把光功率转变为电漉的效率寒。在实 际的光接收模块中，光纤传来的信号极其微弱，有时只有l n w 左右。为了得到较 大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。 ( 2 ) 响应速度快：指射入光信号后，马上就有电信号输出：光信号一停， 电信号也停止输出，不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信号完全不延 迟是不可能的，但是应该限制在一个范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的 不断提高，超高速的传输对光电探测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技 术提出了更高的要求。 ( 3 ) 噪声小：为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的 噪声足够小。但是对于光电探测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条 件下工作又处于光接收模块的最前端如果在光电变换过程中引入的噪声过大。 则会使信号噪声比降低。影响重现原来的信号。 ( 4 ) 稳定可靠：要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化 和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。 4 2 2 前置放大器 前置放大器是数字光接收模块的关键部件，它与光电探测器的合理匹配，要 求能够得到从理论上可以得到的尽可能大的输出信噪比信号，并将这样的信号放 大输出到有一定数量级的脉冲信号电压，般为毫伏数量级。前置放大器一般应 尽量贴近光电探测器。在一般的光纤通信系统中，光电探测器输出的光电流是十 分微弱的。为了保证通信质量，必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放 大。但是，放大器在放大鸽过程中，放大器本身的电阻会弓j 入煞嗓声，而放大器 中的晶体管也会引入散粒噪声，因此对前置放大器有特别的要求，它应是低噪声、 高增益的，这样才能得到较大的信噪比。 4 2 3 主放大器 主放大器是一个蔺增益的宽带放大器，它放犬来自前置放大器输出的小信号 电压。一般情况下，通过主放大器放大的信号基本上是无失真的前置放大器的输 出信号。为了判决电平的需要，主放大器输出电压为1 3 伏( 峰一峰值) ，对于 不同输入光功率信号，其放大增益可以通过a g c ( 自动增益控制) 调整得到不同 大小的数值。从而保证其输出电平幅度不变。 主放大器鹩作忍有嚣个方面； 第四章光接收模块 _ 将翦置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平。 主放大器本身还是一个增益可调节的放大器。当光电检测器输出的信号出现 起伏时，通过光接收机的自动增益控制电路对主放大器的增益进行调整，以 使主放大器的输出信号幅度在一定范围不受输入信号的影响。 图4 2 所示是一个由运算放大器、负反馈放大器、温度补偿电路以及射极输 出器构成的主放大器电路。m 图4 2主放大器电路方框图 4 2 4 均衡器 均衡器一方面是为了得到有利于判决的信号输出波形，即信号码波形引起的 码间干扰小。按均衡的要求，具体的输出为升余弦频谱波形。另一方面是通过均衡 可以合理压缩主放大器过宽的带宽，减少数字光接收放大器的噪声，提高其输出 信噪比。这样均衡后的输出信号波形送到判决电路可以得到最佳判决，从而得到 理想的接收灵敏度。下面比较一下无均衡器和有均衡器的效果。 没有均衡器对将出现的问题 在数字光纤通信系统中，送到光发射端的信号是一系列的矩形脉冲，由信号 分析知道，理想的矩形脉冲具有无穷的带宽。但是光发射端输出的脉冲经过光纤、 光电探测器、前放和主放大器等部件时，由于这些部件的带宽有限，因此矩形脉 冲频谱中只有有限的频率分量可以通过，最终从接收端主放大器出来的脉冲形状 就不再是矩形的，将可能出现很长的拖尾，如图4 3 所示。这种拖尾将会使前、 后码元的波形重叠，产生码间干扰，严重时会造成判决电路误判，从而产生误码。 图4 3 未经均衡出现的脉冲拖尾现象 1 8 光纤通信接口的设计与实现 均衡器的作用 信号经过均衡器后，成为升余弦频谱脉冲。而这种脉冲波形有利于判决。具 体的说，经过均衡以后的波形，在本码判决时刻，波形的瞬时值应为最大值：而 这个本码波形的拖尾在邻码判决时亥8 的瞬时值应为零。这样，经过均衡以后的波 形尽管仍有拖尾，但是这个拖尾在邻码判决的关键时刻为零，从而不干扰对邻码 的判决，如图4 4 所示： ( b ) ( a ) 均衡前收到的脉冲波形( b ) 均衡后的脉冲波形 图4 4 单个脉冲均衡前后波形的比较 4 2 5 判决器和时钟恢复电路 判决器 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 冲再生电路。脉冲再生电路的作用是将均衡器输出的信号( 例如升余弦频谱脉冲) ， 恢复为“o ”或“1 ”的数字信号。 为了能从均衡器的输出信号判决出是“0 ”码还是“1 ”码，第一步要设法知 道应在什么时刻进行判决，即应将信号中的时钟信号( 又称定时信号) 提取出来； 接着再根据给定的判决门限电平，按照时钟信号所“指定”的瞬间来判决由均衡 器送过来的信号。如果信号电平超过判决门限电平，则判为“l ”码：低于判决门 限电平，则被判为“0 ”码。从而把升余弦频谱脉冲恢复为“0 ”、“l ”码信号。 时钟恢复电路 实用的时钟恢复电路有多种，图4 7 所示的调谐滤波法时钟恢复电路是其 中的一种方案。经光接收均衡后输出的信号为升余弦频谱脉冲( n r z 信号) ，由通 信系统原理知道，不归零码( n r z ) 的功率谱密度分布如图4 5 “1 所示。从图中我 第四章光接收模块 们可以看出n r z 码功率谱密度中不含时钟频率成分，因此无法从中提取时钟频率 f 图4 5n r z 码的功率谱密度分布图 图4 6r z 码功率谱密度分布图 成分。为了能提取出时钟信号，首先用非线性电路( n l c ) 对n r z 信号进行处理，使 n r z 信号转换为r z 信号。它的功率谱密度分布曲线如图4 6 “1 所示。由图4 6 看 出，r z 波形的频谱密度中，时钟频率成分较大，从而可以从时钟恢复电路中提取 时钟信号。然后用滤波器选出时钟信号，再经过限幅放大电路整形，最后得到所 需的时钟信号。 ao 相h o o h = ol 时钟恢复电路方框图中各部分的功能 均衡器一一将光接收机均衡后输出的信号转换成升余弦频谱脉冲。 箝位、整形、非线性处理一一升余弦频谱脉冲经箝位、整形后得到n r z ( 不归 零码) 信号，非线性处理进一步将n r z 信号变换成r z 信号。 调谐放大一一用非线性处理后的波形来激励调谐放大器，然后在调谐放大器 的谐振回路中选出时钟频率为的简谐波。 限幅一限定简谐信号波形的幅度，满足后续整形电路的要求。 整形、移相一一整形电路将经限幅后的波形变为矩形脉冲；移相网络再将这矩 形脉冲串的相位调整到最佳判决时所需要的相位，最后得到正确的时钟信号。 - 时钟恢复电路波形图及调谐电路 整个时钟信号恢复过程如图4 8 所示。 光纤通信接口的设计与实现 巾；嘲il 巾； 升余弦频谱脉冲 n r z 信号 i 门iir 1；i r z 信号 厂八调谐放大后的信号 、八八八八八八厂八限幅后的信号 厂 厂 r 厂 厂 厂 厂 r 厂 恢复后的时钟信号 图4 8 时钟恢复电路波形图 调谐滤波法时钟恢复电路中的关键部件是调谐滤波器。最简单的滤波器是l c 调谐电路，尽管它的q 值不是很高，但其电路简单，工作比较稳定，成本低廉， 因此在低于3 4 m b s 速率的光端机和中继器的时钟提取电路中常被采用。时钟提取 用的l c 调谐电路一般采用串联谐振电路，以便得到较高的q 值，其电路图如图 4 9 所示。“1 一 c 图4 9l c 串联谐振电路 _ 数据再生示意图 整个数据信号再生示意图如图4 1 0n 1 所示。在光接收端，信号经均衡器均衡 后，一路送到判决器，另一路送给时钟恢复电路。在恢复后的时钟信号的上升沿， 判决器被触发，判决器输出的即为再生店的数据。 l 01l1001 发端信号 号 hh ! h 一信号 图4 1 0数据信号再生示意图 第四章光接收模块 4 2 6 串并转换电路 串并转换电路的功能是将经判决器判决再生后的串行数据信号转换成并行 数据信号，以便进行存储和进一步的处理。 4 3 光接收模块的主要技术指标 4 3 i 光接收模块灵敏度 在数字光接收模块中，允许脉冲判决有一定的误差范围。如果接收模块将“i ” 码误判为“0 ”码，或者将“0 ”码误判为“i ”码，这就叫i 个错误比特。如果在 1 0 0 个比特中判错了一个比特，则称比特误码率为i 1 0 0 ，即1 0 。数字通信要 求，如果比特误码率小于1 0 - 6 ，则基本上可以恢复出原来的数字信号。如果比特 误码率大于1 0 ，则基本上不能进行正常的通信。对于数字光通信系统来说，一 般要求系统的误比特率小于1 0 - 9 ，即1 0 亿个脉冲中只容许发生一个误码。 因此，光接收模块灵敏度定义为：在保证达到所要求的比特误码率的条件下， 接收模块所需要的最小输入光功率。接收灵敏度一般用d b m 来表示，它是以i m w 光功率为基础的绝对功率，或写为 最= 捌皑熹 其中，p m i n 指在给定比特误码率的条件下，接收模块能接收的最小平均光功率。 例如，在给定的误码比特率为1 0 4 时，接收模块能接收的最小平均光功率为i n w ( 即1 0 。9 w ) ，则光接收模块灵敏度为- 6 0 d b m 。 影响接收模块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。光接收模块灵敏度是系统性能的综合 反映，除了上述接收机模块本身的特性以外，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发送端的消光比和光纤的色散来决定。光接收模 块灵敏度还与传输信号的码速有关，码速越高，接收灵敏度就越差。这就影响了 高速传输系统的传播距离。即速率越高，接收模块灵敏度越差，传播距离就越短。 4 3 2 动态范围 光接收模块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，光接收模块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纤损耗的 变化，也可能是由于一个标准化设计的光接收模块，使用在不同的系统中，光源 光纤通信接口的设计与实现 鸽强弱不霭，光纤钓传输彗龟离也不同。这样，传给光接收模块的光功率就不可能 一样。 为了使光接收模块正常工作，接收信号不能太弱，否则会造成过大的误码率。 但接收信号也不能太强。否则会使接收模块放大器过载，而造成失真。因此光接 收模块正常工作时，接收光信号的强度应该有一个范围。把光接收模块在保证一 定的比特误码率条件下，所能接收的最大光功率( 用d b m 来描述) 与最小光功率 ( 用d b m 来描述) 之差( d b ) ，称作光接收模块的动态范围d 即 p = l o l g ( k 旷) 一l ol g ( 】旷) 2t 01 9 ( 东。) d b 一般希望光接收模块的动态范围越大越好，实际中一般为1 6 2 0 d b 。 4 4 影响光接收灵敏度的主要因素 数字光接收模块的主要技术性能指标之一是光接收灵敏度。一般要求数字光 接收模块有高的光接收灵敏度，也就是要求数字光接收模块正常工作时接收的光 功率越小越好。然而，实际的数字光接收模块在这一点上要受到各方面因素的限 制，其中主要是各种噪声的限制。 数字光接收模块的噪声主要来自光电探损l 器和数字脉冲信号的随机性以及数 字光接收模块电路本身在光一电转换和电脉冲信号放大的过程中所引入的噪声。 4 。4 1 数字光接收模块鹩量子噪声1 数字光接收模块的量子噪声主要来自光电探剩器，这是由于光电探测器在光 的照射下其内部光生载流子的随机性以及入射光信号的随机性所引起的一种十分 复杂的噪声。光电探测器在数字光接收模块中的应用原理如图4 1 1 所示，图中冠， 是负载电阻和光电探测器的串联电阻之和，g 是光电探测器结电容，其中包含有 安装电容。 l s 图4 1 】数字光接收模块中的光电簿测器等效电路 在数字光接收模块中，接收到的光信号并不是均匀的，而是一种由“1 ”和“0 ” 组成的随机光脉冲信号这些随机的光脉冲信号结合各种不同的光电探测器特性 第四章光接收模块 所引起的噪声将成为影响数字光接收模块的光接收灵敏度的主要因素。 假设一种随机的光脉冲信号照射在数字光接收模块的光电探测器上，这些光脉冲 信号的功率可以表示为： p ( t ) = e b x h 。( f k t ) ( 4 4 1 ) 式中，b 。表示第k 个时隙光脉冲信号的参量，t 是码元时隙，砟( f ) 表征输入光脉 冲形状的波形函数。 令 f 。h 。( t ) d t = 1 ( 4 4 2 ) 对第k 个光脉冲的光功率积分得 l b * h 。( t ) d t = b e ( 4 4 3 ) 因此，b ，代表了第k 个光脉冲的能量。 根据光脉冲信号的功率可以得到在光电探测器内由光子激励出一次电子一空穴对 每秒的平均数为： 2 ( t ) = 善p ( f ) + 厶