（信号与信息处理专业论文）适合于低温工作的光纤传输系统的设计与实现.pdf

电子科技大学硕士论文摘要随着通信技术的发展，数据传输的电磁环境越来越恶劣，因此怎样实现在复杂多变的电磁环境下实现数据的正确传输，越来越受到人们的关心。而采用光纤进行数据的传输，与电缆传输相比，不但能够抗电磁干扰，而且带宽高，重量轻，所占空间小，因此越来越广泛采用光纤传输数据。由于该系统应用在复杂的温度环境中，所以对系统的温度特性有很高的要求。要完成多路信号在单根光纤中传输，需要进行数字复接，相应地在接收端要进行解复接，恢复出原始多路信号。同时为了与光纤信遭相匹配，需要对复接后的信号进行线路编码。在进行数字复接时，要用到码速调整来完成异步信号的同步化，它是影响光纤传输系统性能的重要部分，需要对它做进一步研究。因此在f p g a 上研究并实现了正码速调整。另外无论是在常温和低温下对光纤传输系统性能进行测试，都需要用到误码仪，但该仪器需要租借，不能长期使用，费用也较昂贵，不够方便，为此在f p g a 上设计实现了简单的误码率测试仪。本系统设计中运用了数字通信、光纤通信技术和e d a 技术实现对了8 路并行数字信号的复接解复接、光纤线路的8 b 1 0 b 编解码、高速数字信号的光纤传输、基于f p g a 的正码速调整和简单误码率测试仪。本课题作者主要完成的工作有：1 对光模块在低温下的变化进行了调研，了解了光模块在低温下失效的原因，并围绕着系统需要，向厂家提出要求，订做了满足低温要求的光模块。2 根据系统性能要求确定了设计方案，设计出了能在低温工作的硬件电路，包括发射和接收两部分，并完成了调试。3 测试了系统在常温下的误码性能；进行了低温试验，并测试了系统在低温环境下的误码性能，验证了系统能在低温下正常工作。4 在f p g a 上分别设计实现了正码速调整和简单误码率测试仪，并连接成功。本系统能在一4 5 的低温下正常工作，在八路通道传输数据时的误码率达到1 0 。1 1 ，符合目标要求，具有较强的抗电磁干扰能力，具有很高的实用价值。关键词：光纤，复接解复接，误码率，f p g a ，正码速调整电子科技大学硕士论文a b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i ti sac r u c i a lp r o b l e mt h a th o wt ot r a l l s m i td a t ac o r r e c t l yu n d e rs oc o m p l i c a t ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，c o m p a r e dw i t hc a b l et r a n s m i s s i o n ，f i b e rt r a n s m i s s i o nh a st h es t r o n g p o i n to fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ep r o o fa n di sl i g h t ，s oi ti sa d o p t e dw i d l ya st r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，m o r e o v e r ，t e m p e r a t u r e r e s i s to f s y s t e mi sa l s or e q u i r e ds t r i c t l y s p u rt r a c ks i g n a l sr e q u i r et ob em u l t i p l e x e dt ot r a n s f e rt h r o u 曲as i n 羽eo p t i c a lf i b e r a n dm u l t i p l e x e ds i g n a l sn e e dt ob e8 b 10 be n c o d e dt oa d a p tt h ef i b e r ，p o s i t i v ej u s t i f i c a t i o ni si m p o r t a n tt ot h es y s t e m ，s or e a l i z i n gw i t hf p g ai sw o r t hr e s e a r c h i n g b e rt e s t e ri so f t e nu s e dt oc h e c kt h es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，b u ti t se x p e n s i v e ，s oid e s i g nas i m p l eb e rt e s t e rw i t haf p g a t h es y s t e mi n t r o d u c e di n t h i sp a p e rh a st h ef i m c t i o no fm u l t i p l e x i n ga n dd e - m u l t i p l e x i n go f8 c h a n n e l sp a r a l l e ld i f f e r e n t i a ld i g i t a ls i g n a l s ，e n c o d i n ga n dd e c o d i n go fo p t i c a lf i b e rl i n ec o d e8 b 1 0 b ，p o s i t i v ej u s t i f i c a t i o nw i t haf p g a ，b e rt e s t e rw i t haf p g aa n df i b e rt r a n s m i s s i o no fh i 【g hb i tr a t ed i g i t a ls i g n a l ，a n dr u n n i n gc o r r e c t l yi nl o w - t e m p e r a t u r ee n v i r o m e n t t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n e ：1 ，a n a l y z i n gw h a th a p p e n e dw h e nf i b e rm o d u l ew o r k i n gi nl o wt e m p e r ，a n dh a v ei tm a d et om e e tt h el o wt e m p e r 2 a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e d ，s c h e m i n gt h es y s t e m ，d e s i g n i n gh a r d w a r ec i r c u i t s ，w h i c hw o r kc o r r e c t l yi nl o wt e m p e r a t u r e ，i n c l u d i n gt e a n s m i t t i n gc i r c u i ta n dr e c e i v i n gc i r c u i t ，d e b u g g i n gt h e m 3 t e s t i n gt h eb e ro fs y s t e mi nn o r m a lt e m p e r a t u r e ，d o i n ga l le x p e r i m e n ti nl o wt e m p e r a t u r ee n v i r o m e n ta n dt e s t i n gt h eb e ro fi t 4 r e a l i z i n gp o s i t i v ej u s t i f i c a t i o na n ds i m p l eb e rt e s t e rw i t haf p g ai n d i v i d u a l l y t h es y s t e my l l nc o r r e c t l ya t _ 4 5 ，h a se x c e l l e n tb e rp e r f o r m a n c e ，i t sb e ri s1 0 - w h e nt r a n s m i t t i n gw i t h8c h a n n e l si nl o wt e m p e r a t u r e ，w h i c ha c h i e v et h es y s t e m sr e q u i r i n g k e y w o r d s ：f i b e r ，m u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n g ，b e r ，f p g a ，p o s i t i v ej u s f i f i c a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：型遂。日期：僻1 月佣关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：型羔莹；导师签名：日期：奶矿年月，孑日电子科技大学硕士论文第一章引言本课题涉及的理论基础是数字通信技术和光纤通信技术。通信进行信息的传递和交换，是人类社会活动的工具。自从1 9 2 8 年奈奎斯持( n y q u i s t ) 定理被提出到1 9 3 7 年瑞维斯( a h r e e v e s ) 发明p c m ( 脉冲编码调制)通信，通信技术由频分制( f d m ) 发展到时分n ( t d m ) ，由模拟通信发展到数字通信。利用数字通信，模拟信号被数字化后传送，进一步提高了抗干扰能力。但由于器件的限制，当时未能实现，直到晶体管出现后，1 9 5 0 年贝尔实验室才造出了第一台实用的p c m 设备。新器件的出现对通信技术的发展，起着很大的推动作用。数字通信不仅能使人和人之间通信，而且能完成人与机器、机器与机器之问的通信。作为数字通信领域中提高通信有效性的一种重要技术手段，时分多路复用在许多数字通信系统中得到广泛应用。如果被复接各支路的码流的时钟不是出自同一时钟源，则都有一定的偏差，在复接之前必须将各支路码流调整到瞬时完全相等的数码率，这一过程即是异步信号的同步化过程。码速调整是一种重要的异步信号的同步化方法，其中正码速调整由于其设备简单，容易实现，最为常用，我国目前的p d h 复接设备大多采用正码速调整。为了满足通信容量的增加和通信范围不断扩大的要求，更大容量和更加可靠的光纤通信，在2 0 世纪6 0 年代初已问世。1 9 7 6 年美国在亚特兰大进行的现场实验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用阶段。此后，光纤通信技术不断创新，光纤从多模发展到单模，工作波长从0 8 5um 发展到1 ，3 1pm 和1 5 5um ，传输速率从几十m b s 发展到几十g b s 。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，从单一类型信息的传输到多种业务的传输。目前光纤已经成为信息宽带传输的主要媒介，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。与电缆通信等其它通信方式相比，光纤通信有着无可比拟的优越性。光纤的使用可以极大地扩展通信的容量。传输损耗低，传输距离远。光纤通信保密性好。它传输的信息密闭在光纤中，几乎无信号泄漏。光纤通信抗干扰性很强。光纤为非金属介质材料，不受电磁干扰。电子科技大学硕士论文线径细，重量轻，敷设线缆时，空间利用率高。制造光纤的原材料一石英来源丰富，随处可取。光纤良好的柔韧性也为线路施工提供了方便。这许多的优势，使得光纤通信成为通信史上发展最快的一门通信技术传统的波控信号传输系统中采用同轴电缆传送波控信号，但由于电缆的电磁屏蔽性差，电缆之间的互相干扰严重，可靠性低，再加上电缆的重量大，体积大，布线复杂等缺点，不能满足新的系统性能要求。而光纤的采用将从根本上解决这些问题。但是相对于传统电缆，光纤传输在应用中也有一个很大的不足：其传输特性受温度影响较大，包括峰值波长，发光效率，传输损耗，传输距离都会随着温度的变化而发生很大的变化。因此光纤传输系统在应用前必须对其温度特性进行研究，发现问题，并提出解决的办法。本系统使用了数字复接技术，而码速调整是将异步信号调整到同步信号的一项常用技术，而基于f p g a 的正码速调整实现起来更加灵活方便。对系统进行测试需要用到误码仪，而基于f p g a 的误码率测试仪，体积小，使用方便，并可以根据光纤传输系统的特点进行了改进，方便了对光纤传输系统的误码测试。本课题将光纤应用于波控信号的传输，运用了数字通信和光纤通信技术实现对八路并行波控数字信号的复用解复用、光纤线路码8 b 1 0 b 编解码和高速数字信号的光纤传输。由于该系统的应用环境相对恶劣，不但对系统的稳定、可靠、电磁兼容性、误码率、系统小型化等方面有较高的要求，而且系统的工作温度有很高的要求，因此研究光纤传输系统的温度特性，并改善本系统的工作温度范围是课题的重点。此外还设计实现了基于f p g a 的正码速调整和基于f p g a 的误码率测试。在本课题中，本人完成的主要工作有：1 对光模块在低温下的变化进行了调研，了解了光模块在低温下失效的原因，并围绕着系统需要，向厂家提出要求，订做了满足低温要求的光模块。2 根据系统性能要求确定了设计方案，设计出了能在低温工作的硬件电路，包括发射和接收两部分，并完成了调试。3 测试了系统在常温下的误码性能；进行了低温试验，并测试了系统在低温环境下的误码性能，验证了系统能在低温下正常工作。电子科技大学硕士论文4 在f p g a 上分别设计实现了正码速调整和简单误码率测试仪，并连接成功。该光纤传输系统通过了一4 5 低温试验，在常温和o 至一4 5 范围内的误码率性都能达到了课题设计的目标。电子科技大学硕士论文第二章数字复接及基带传输消息的传递总是要通过一定的信号形式来进行。通信的根本任务是远距离传递信息，因而如何准确的传递数字信息是数字通信的一个重要组成部分。在数字传输系统中，其传输对象通常是二元数字信息，设计数字传输系统的基本考虑是设计一组有限的离散波形来表示离散的数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的电脉冲信号所占据的频带通常是从零频和低频开始，因而称为数字基带信号。在某种场合的通信中，基带信号不需要调制而可以直接在某些信道中传送。这种直接传的基带信号的系统称为基带系统。比如在有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下。基带系统是数字通信系统中的重要组成部分。基带传输是数字通信系统中最基本的传输方式。此外，基带传输还具有下列特点：( 1 ) 由于数字技术的发展，目前基带传输越来越广泛地被采用。( 2 ) 一般在传输中对信号的许多处理都在基带中进行。即使对于有调制器、解调器的系统也是这样，因为调制之后( 频带信号) 对信号再处理不方便。( 3 ) 在调制系统中，对已调信号可以采用等效的基带信号来处理和分析，这样给已调信号的分析处理带来简化和方便。在数字通信中，为了扩大通信容量，在一个信道上传输多路低速数字信号，需要对输入信号进行数字复接，其实质就是对多路数字信号进行复用。多路复用是实现多路信号互不干扰地在同一条信道上传输的技术，包括频分复用和时分复用。本系统的信号源为8 路并行数字基带信号，在单根光纤中实现8 路信号的实时传输需要进行复接。2 1p d h 的数字复接多路复用可以扩大通信容量，使在一个信道中可以互补干扰地传输多路信号。目前应用最广泛的办法是频分多路复用( f d m ) 和时分多路复用( t d m ) 。在频分复用中，原信号通过调制进行频谱搬移，将各路信号调制到不同的频段，相当于对频域进行分割。各路信号在频域中占用不同的频段，互不重叠。在时分复用中，多路信号在时间上被离散化，相当于对时域进行分割，多路信号在不同的时间内被传送，各路信号在时域中互不重叠。显然，p c m 系统适合于时分多路复用的传输方式。本系统采用时分多路复用方式将8 路并行波控信号复用成一路高速串行数字信号。电子科技大学硕士论文2 1 1 时分多路复用时分复用是在抽样定理的基础上提出来的，它是将每一抽样周期均匀分成若干个相等的时间间隔，让各路信号按固定顺序在不同的时间间隔内轮流传输。每一路信号所占用的周期性时间间隔称为一个时隙，并将各路信号轮流传输一次所构成的一组连贯时隙称为一帧。时分复用的原理可由图2 - 1 说明。图2 - 1 多路信号时分复用示意图多路数字信号c h l 、c h 2 、c h 3 分别在时钟系统t 1 、t 2 、t 3 时钟的作用下进行抽样，将其时间离散化。t 1 、t 2 、t 3 时钟信号的时序关系如图2 2 所示，它们的频率相同，相位不同。回幽蛐虹图2 2 时分多路复用信号时序图电子科技大学硕士论文为了使收发两端能准确对应开通( c h l c h l ，c h 2 c h 2 ，c h 3 c h 3 ) 、在发送端需要加入起始标志码，在接收端设有标志码的识别装置和调整装置，称为同步系统。当收发对应位置发生错乱时，同步系统能自动的将其调整到正确的位置。多路信号每路样值的重复周期为一个帧周期，对图2 - 2 所示系统，3 个信号时隙与标志码占用时隙之和称为一帧。通常起始标志码也就是帧同步码。一个时分复用系统必须收、发同步才能正常工作，而这个同步包括主时钟频率的同步和帧时隙的同步。由图2 一l 和图2 2 可知，t 1 、t 2 、t 3 、t o 各时隙时钟均由发时钟系统中的主时钟c p 分频得到，而收端t l ，、t 2 、t 3 、t o 时钟出收端时钟系统中的主时钟c p 分频得到，显然发端主时钟c p 与收端主时钟c p 必须同步，即频率相同。另外，在收端要能识别判断发端来的帧同步信号位置是否与收端t o 时隙对应，若不对应则需由同步系统进行调整。为了使时分复用系统中收发两端同步，发端必须加入帧同步码( 起始标志码) ，收端同步系统必须具有两方面的功能，一是同步的识别，即识别收到的码流中帧同步码的位置：二是调整功能，当识别出收发两端同步码位置不对应时，收端能进行调整使其两者位置相对应。通常帧同步码都是多位，如p c m 3 0 3 2 基群系统帧同步码为7 位。但是帧同步系统中选用的帧同步码无论是多少，随机的信息码流中都可能出现与其完全相同的码型。当系统刚开机或由于外界干扰处于失步，进行帧同步码捕捉的过程中不可避免地会出现假同步，使系统在一段时间内工作在失步状态下。因此，在系统失步进行同步引入的过程中，为了避免由于假同步码的出现而误判为同步，在帧同步系统电路的设计中常加入个核对保护电路。这个电路的作用是在同步引入过程中连续几帧的位置上均捕捉到帧同步码才确认系统同步，这种附加保护措旌称为后方保护。把同步系统捕捉到第一个同步码到进入同步状态这段时间称为“后方保护时间”。加入保护系统的帧同步系统框图如图2 3 。同步识别输出同时送入保护电路和脉冲形成电路。在保护电路中进行记忆，当连续几帧的位置上均遇到同步码时认为同步，关闭j 1 门，使j 门解除禁止状态，主时钟顺利通过j 门进入时隙时钟分配电路，系统进入正常工作状态。为了确保系统正常工作，同步系统必须总是处于检测和比较状态，如果无外界干扰，系统一旦进入同步状态将一直保持下去。但是，复用信号在信道传输过程中不可避免的受到外界的干扰，因此只能保证信道能满足定误码率的指标要求，如误码率p e 1 0 9 等，不论误码率怎样小，误码总会存在，当这个小概率电子科技大学硕士论文输入码流幽2 3 有保护措旌的帧同步系统框图c h lc h lc h n事件发生在帧同步码组中时，如帧码为0 0 1 1 0 1 1 ，误为0 0 1 1 0 1 0 ，帧同步系统识别电路认为失步，识别电路将校正信号输出，这样就要经过一个或者几个帧周期的移位才能重新回到同步状态，由失步检测到重新确认同步的这段时间为同步引入时间，或捕捉时间，在这段肘间内系统不能正常工作，这种由于误码引起的失步为假失步。为了减少系统工作中出现假失步的现象，避免误判，一般并不是将次比较结果就作为是否失步的判决依据，而是要连续观察几次，如果连续几帧在收端同步码时隙内均未对准收信号序列中的同步码，才确认是真正失步，再进行移位和扣除调整，这种保护措施为前方保护。系统从第个同步码组丢失起到同步系统进入捕捉状态为止，这段时间为前方保护时间。在图2 3 中，同步识别输出同时送入保护电路和脉冲形成电路，在保护电路中进行记忆，当连续几次有误差信号时保护电路才能开启禁止门j l ，使经过脉冲形成电路的误码脉冲去控制j 门，使禁止门j 关闭，c p 时钟不能通过，从而进行移位调整。系统在失步过程中，前方保护时间就是指同步识别有误差脉冲输出到保护电路关闭禁止门j 的这段时间。帧同步系统的性能要求为：帧同步系统的同步引入时间要短，设备开机后或受外界干扰失步后系统要能很快的进入同步状态：系统工作要稳定可靠，系统应该具有较强的识别假同步和避免假同步的能力；在定的同步引入时间要求下，同步码组的长度应该最短，以提高信息传输效率。同步系统的性能与帧同步码型的选择、帧同步码型的插八方式、同步引入方式以及保护措施的设计等因素有关。电子科技大学硕士论文2 12 数字复接方式数字复接实质上就是对多路数字信号进行时分复用，让不同的支路信号占用不同的时隙时间，在接收端再根据时间上的不同将信号分开，这一部分叫分接。分接是复接的逆过程。数字复接系统简图如图2 - 4 ，数字复接器是由定时、调整和复接单元构成，分接器是由同步、定时、分接和恢复单元构成。定时单元给设备提供统一的基准时间信号。复接器的定时单元各有内部时钟，也可以由外部时钟推动；分接器的定时单元只能由接收的时钟来推动，借助于同步单元的控制，使得分接器的基准时间信号与复接的基准时间信号保持正确的相位关系，即保持同步。调整单元是把各输入支路数字信号进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号，然后由复接单元对它们实施时间复用形成合路数字信号；分接单元是把合路数字信号实施时间分离形成同步数字支路数字信号，然后再通过恢复单元把它们恢复成为原来的支路数字信号。l23支路复接器图2 4 数字复接系统框图分接器支路从时分多路复用原理可知，在复接单元输入端上的各支路数字信号必须是同步的。但是在调整单元的输入端上即在复接器的输入端上则不必有这样要求。如果复接器输入支路数字信号与本机定时信号是同步的，那么调整单元只需调整相位，有时甚至连相位也无须调整，这种复接器称为同步复接器；如果输入支路数字信号与本机定时信号是异步的，即它们的对应生效瞬间不一定以同一速率出现，那么调整单元要对各个支路数字信号实施频率和相位调整，使之成为同步数字信号，这种复接器称为异步复接器；如果输入支路数字信号相对于本机定时信号是以同一标称速率出现，而速率的任何变化都限制在规定的容差范围内，这种复接器称为准同步复接器。数字复接方式有三种：即按位复接、按字复接和按帧复接。( 1 ) 按位复接每路每次只插入1 个符号的复接方式称为按位复接。对二元码序列，按位复电子科技大学硕士论文接即按比特复接。这种方法是以1 比特码为单位，对每个复接支路的信号每次只复接1 位码，图2 - 5 即为按位复接后的码序列与被复接支路之间的关系。显然，按位复接时复接后的码流中首先传第1 路的第1 位码，然后传第2 路的第1 位码，第三传第3 路的第1 位码，最后传第4 路的第1 位码；接下来再次传第1 路至第4 路的第2 位码，依次类推。按位复接方式的最大优点是对复接缓冲存储器的容量要求小、简单易行、容易实现。其缺点是对信息的交换处理不利。支路厂11 厂1 广一支路2 ! 厂- 广一支路3 厂下_ 一。支路a 厂111 厂t -1o11o010111o11o1复接码透r 厂广 厂 厂 几图2 5 按位复接过程( 2 ) 按字复接每路每次插入1 个码元的复接方式称为按字复接。对于p c m 数字话路，每路时隙有8 比特码称为1 个码字，按路复接时，各复接支路轮流复接，每次每路插入1 个8 比特码的码字。按字复接的优点是复接后的码流保留了完整的字结构，有利于多路合成处理和交换，但要求有较大容量的缓冲存储器，电路较为复杂。( 3 ) 按帧复接每路每次插入1 个帧的复接方式称为按帧复接。这种方法的优点是复接时，不破坏原来各支路的帧结构，有利于交换，但需要更大的存储容量，目前极少应用。通常数字复接不要求保持帧结构，因此考虑到尽可能地简化设备，一般多采用按位复接方式或按字复接方式。无论是哪种复接方式，如果被复接各支路的码流的时钟不是出自同一个时钟源，则都有一定的偏差。在复接之前必须将各支路码流调整到瞬时完全相等的数码率，这一过程即是异步信号的同步化过程。异步信号的同步化方法常用码速调整。码速调整方法有三种，即正码速调整、 y 负码速调整、正零负码速调整，其中正码速调整设备简单，易于实现，最为常用。电子科技大学硕士论文2 3 线路传输码型和8 b 1 0 b 编码在光纤数字传输中，一般不直接传输由电端机传送来的数字信号，而是经过码型变换，变换成适合在光纤数字传输系统中传输的光线路码( 简称线路码) 。线路码型有多种，在选择线路码时不仅要考虑光纤的传输特性，还要考虑光电器件的特性。一般说来，由于光电器件都有一定的非线性，因此采用脉冲的“有”、“无”来表示”1 ”和“0 ”的二进制码要方便得多。但是简单的二进制信号有三种实际问题：第一，不能有长连“0 ”或长连“1 ”出现。因为长连“0 ”、连“1 ”会使定时信息消失，从而使再生中继器和终端接收机的定时提取产生困难。第二，简单的二进制码中含有真流成分，而由于“0 ”、“1 ”码出现个数的随机变化，使得直流成分的大小随机地发生变化。光接收机中是采用交流耦合的，直流成分的变化会引起信号基线浮动，这会给判决再生带来困难。第三，简单的二进制信号在业务状态下不能监测线路误码率。为此，在光纤传输之前，需将简单二进制信号变换成适合光纤传输系统的光线路码型。线路码型的选择需要满足以下要求；( 1 ) 能提供足够的定时信息，线路码应避免出现长连0 及长连“1 。( 2 ) 码速提升率要小。这是由于码型变换后码速都有所增加，这会降低接收机的灵敏度，为此应付出一定的光功率代价。( 3 ) 应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，需选择窄频谱的线路码。( 4 ) 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号及区间通信。( 5 ) 误码增殖要小。在线路码解码时，往往还原码的误码数比线路码的误码数更多，即有误码扩展( 增殖) 。因此要选择误码增殖小的线路码。( 6 ) 所选线路码型应尽可能使设备简便，成本低。目前光纤传输系统大多采用基带直接调制光信号，对线路码型而言，仍属于基带码型，而且采用的光纤线路码型应该是两电平、基带、连续运行、固定长度的组码。在光纤传输系统中，对于较低的码速( 1 0 0 m b s ) 常采用的线路码型为m a n c h e s t e r 码、c m i 码。这两种码要求编码器的时钟是信源时钟的两倍，频带利用率不高。对于中等码速( 约3 0 0 m b s ) ，应用较多的是a m i 码、m b l c 码。a m i 码不含直流分量，而且具有检错能力，但性能与信源统计特性有关。对于电子科技大学硕士论文高速( ， 4 0 0 m b s ) 情况下，应用较多的有m b n b 编码。它们的电路结构较为简单，易于实现。在以太网中，信息以长短不同的格式发送，而包内地址段、数据段、通讯以及差错控制等的比特数都是8 的倍数，即是面向字节的。同时硬件各接口和缓存也是面向字节的。在这样的系统中，8 b 1 0 b 码很有优势。8 b 1 0 b 码的编码方案：把8 b 1 0 b 码划分为3 b 4 b 和5 b 6 b 两个子块进行块编码。划分子块的方法为：如果一个8 位码( 8 b ) 为( a b c e d f g h ) ，a 为按传输方向的第一位比特，5 位码( 5 b ) 即为a b c d e ；3 位码( 3 b ) 即为f g h 。5 b 6 b 和3 b 4 b 编码表分别如表2 - 1 、表2 - 2 所示。码字a b c d e ka b c d e ia b c e d i码字a b c d e ka b c d e ia b c d e id o0 0 0 0 000 1 1 0 0 001 0 0 l l1d1 60 0 0 0 lo0 1 1 0 111 0 0 1 00d 11 d d o o o1 0 0 0 10o n l 0 1d 1 71 0 0 0 1o1 0 0 0 1l无d 20 1 0 0 000 1 0 0 1o1 0 1 1 0 ld 1 80 1 0 0 100 1 0 0 11无d ，31 1 0 0 001 1 0 0 0 1无d 、1 91 1 0 0 l01 1 0 0 lo无d 40 0 1 0 000 0 1 0 lo】l o l 01d 2 00 0 1 0 1oo o l o li无d 51 0 1 0 00l o l 0 0 1无d 2 11 0 1 0 1o1 0 1 0 10无d 60 1 1 0 000 1 1 0 0 1无d 2 20 1 1 0 l00 1 1 0 l0无d 71 1 1 0 0o1 1 1 0 0 00 0 0 1 1ld 依2 3l i l 0 i x1 1 1 0 1o0 0 0 1 0 ld 80 0 0 1 0 00 0 0 t 1oh 1 0 0 jd ，2 4o o o j io0 0 1 l o0l t o o l1d 91 0 0 1 001 0 0 1 0 1无d 2 51 0 0 1 l01 0 0 1 10无d 1 00 1 0 1 000 1 0 1 0 【无d 2 60 1 0 1 100 1 0 1 10无d 1 11 1 0 1 001 1 0 1 00无d 瓜2 71 1 0 1 lx1 】0 1 100 0 1 0 0 】d1 20 0 1 1 0o0 0 1 1 0 l无d 2 80 0 1 1 lo0 0 1 1 lo无d ，1 31 0 1 1 0 01 0 1 l o o无d 2 80 0 1 1 110 0 1 1 111 1 0 0 0 0d 1 40 1 1 1 000 1 “00无d 依2 91 0 1 】x】o 】00 1 0 0 0 1d 1 sj i i i o ol o l o o o0 1 0 1 l ld ，k 3 0o i ! i i x0 n 1 101 0 0 0 0 1d 3 11 1 1 1 1o1 0 1 0 1l0 1 0 1 00码字f g h kf g h jp g h j 翻转码字f g h kf g h jf g h j 翻转d 服x 00 0 0 x0 1 001 0 10d x p 71 1 1o1 1 100 0 01d x 11 0 001 0 01无d k v a 71 1 1x0 1 111 0 0od x 20 1 0 00 1 01无k 2 8 1l o o1】0 010 1 1od x 31 1 0x1 1 0o0 0 1lk 2 8 20 1 010 1 0l1 0 10d ，k x 40 0 1x0 0 101 1 01k 2 8 51 0 111 0 1o0 1 01d x ，51 0 1o1 0 】o无k 2 8 60 1 11o l l01 0 0ld x 60 1 1o0 1 l0无码表中码字名称中的k 代表此码字可作为特殊字符。翻转控制在8 b 1 0 b 编码中体现为“非零不均等子块”的极性呈交替变化的基本行为模式：“非零不均等”的子块依次向后进行极性翻转控制。通过对当前子块编码后的不均等性和极性进行判决来控制下一个子块编码后是否翻转，原则是不破坏极性交替变化的规电子科技大学硕士论文则。在翻转控制中，无论是4 b 或6 b 块码都被视为无区别的子块等同对待。码表中的k 代表了此码字可作为控制字，k 是由外部输入的，当k 被置为0 时，表示传输的是数据，k 被置为“1 ”时，表示传输的是控制字。对基于局域网的包传输，8 b 1 0 b 线路码是对编码效率、复杂程度、运行数据和变化、运行长度、误码传播等相关特性以及对环型或点对点的拓扑结构的一个几近优化的组合。电子科技大学硕士论文第三章光纤传输系统的温度研究1 9 7 0 年高锟提出用作光通信传输媒质的光导纤维，其损耗降到2 0 d b k m ，同时，美国贝尔实验室制作出可以在室温下连续工作的铝镓砷( a 1 g a a s ) 半导体激光器。这两项科学成就为光纤通信的发展奠定了基础。此后，光纤通信以令人眩目的速度发展起来，7 0 年代中期即进入了实用化阶段。至1 9 8 3 年，美、日、德、法、英、荷、意等国先后宣布：在长途通信干线方面降不再敷设电缆，而采用光缆。至今，光纤通信应用已遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等各领域。最初，光纤通信的工作波长九f 0 8 5 u 珊 属短波长波段，传输光纤用多模光纤。光源使用铝镓砷( a 1 g a a s ) 半导体激光器，光电检测器为硅材料的半导体p i n 光电二极管或半导体雪崩光电二极管( a p d - - a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ) 。后来发展到光纤通信的工作波长为凡o = i 3 um ，传输用多模光纤。该波段属长波长波段，是石英光纤的第二个低损耗窗口，有较低的损耗且有最低的色散。相应的光源是长波长铟镓砷磷铟磷( i n g a k s p i n p ) 半导体激光器，光电探测器采用锗( g e )材料。1 9 8 4 年实现了波长 。= 1 3um 单模光纤通信系统。单模光纤较多模光纤色散低得多，损耗也更小。8 0 年代中后期又实现了九0 - 1 5 5 pm 单模光纤通信。i ，5 5 um 是石英光纤的最低损耗窗口。后来，工作波长为1 5 5 “m 的掺饵光纤放大器问世，又使这一波长具有更重要的意义。 。= o 8 5um ， 。= 1 3pm ，x 。= 1 5 5 l lm 三波段是石英光纤的低损耗窗口。3 1数字光纤通信原理数字光纤通信的基本原理是将数字通信中的数据传输信号首先经过电一光变换成光脉冲数字信号；然后通过光纤传输到数字通信的接收端，如果通信距离比较长，还需要光中继器：最后再经过光一电变换、放大、均衡与定时再生成传输的数据信号。在波控信号传输系统中，不需要光中继器。这一变换过程如图3 - 1所示。在光发射机中采用强度调制( i m 一i n t e n s i t ym o d u l a t i o n ) ，强度调制是在发送端用所传的电信号去改变光信号的强度：光接收机中采用直接检测( d d 一d i r e c td e t e c t i o n ) ，直接调制是指在接收端用光检测器把调制的光波变为原来的电信号。图3 - 1 中的电端机就是一般的电通信设备，如数字脉冲编码( p c m ) 发射机、接收机。光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号，而后将光信号耦合到光纤中去。光发射机的关键器件是光源。它采用半导体激光器( l d 一l a s e rd i o d e )电子科技大学硕士论文或半导体发光二极管( l e d 一一l i g h te m i t t i n gd _ i o d e ) 。光接收机的作用是将由光纤接收来的光信号转换成电信号，电信号经过处理后送入电接收端机。光接收机的关键器件是光电探测器。图3 - 1 单信道光纤通信系统框图3 2 光纤通信的光端机光端机是光纤通信系统中的终端传输设备。在光纤数字通信系统中，光端机处理的是p c m 通信的数字信号。光端机主要由光发射机和光接收机所组成。3 21 光发射端机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从光源器件组件的尾纤发射出去。典型光发射机结构如图3 2 所示，包括光源、功率控制、温度控制、电流驱动和信号调制电路。图3 2 典型光发射机结构在这一光发射机中，激光器监控端的输出光与一个光探测器相连。探测器的电流与激光器的输出功率成正比，并通过两个控制环来控制激光器的驱动电流a在驱动电流控制环中，通过比较探测器的电流与一个参考电流来稳定激光器的光强。幅值控制环用于稳定消光比。温度控制是通过比较热敏电阻和一个参考电阻电子科技大学硕士论文的阻值差得到的。下面分别对各组成部分具体介绍。1 光源在光发射机中，光源是个关键器件。采用的光源要求容易调制，响应速度快，输出光的能量集中在一个很小波长范围之内。根据光纤在o 8 5um 、1 3um 和1 5 5uf 1 1 附近呈现低损耗的特性，结合半导体发光材料，其辐射波长能覆盖上述范围的是砷化镓( g a a s ) 化合物。目前在长、短波长的数字光纤通信系统中广泛使用的光源器件是i n g a a s p 双异质结( d h ) 半导体激光器与发光二极管和m g a a s g a a s 双异质结半导体激光器与发光二极管。发光二极管的基本结构是一个半导体p n 结，外部加上电流后就会发光，通常采用砷化镓化合物，产生的波长为0 8 o 9um 。其制作简单，价格便宜，受温度影响小，但输出光发散较大，功率有限，调制速率不高，只能注入多模光纤，一般用于低成本光通信系统。激光二极管也是一种半导体p n 结器件，含有刻蚀或解理衬底作为反射面以增强p n 结上的光场。因此，激光二极管结合了l e d 和光谐振腔反射的特点，输出的激光功率比较高，发散角度小，调制率高，可以注入多模和单模光纤。在波控信号光纤传输系统中采用激光二极管作为光源。2 驱动和信号调制电路调制电路是光发送机的主干电路，它将电脉冲信号通过电流幅度调制的方式调制半导体激光器或发光二极管发射出光脉冲信号。对于采用激光器作为光源器件的光发送机，l d 驱动电路的功能是用经过处理的数字电脉冲信号来调制l d器件的发光强度，发射出具有一定光功率的脉冲信号，同时保证发射出的光脉冲信号具有足够快的响应速度。这在高速大容量光纤数字通信系统中尤其重要。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，数字电信号对其进行调制，般采用直接强度调制。图3 3 示出用数字信号对激光器输出光功率调制原理，对l d 施加了偏置电流i b 。由图3 3 可见，当激光器的驱动电流大于阀值电流】m 时，输出光功率p 和驱动电流i i 。基本上是线性关系，输出光功率和输入电流成正比，输出光信号反映输入电信号的变化。在调制电路中，对偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。选择直流偏置电流应考虑以下几个方面：( 1 ) 加大直流偏置电流使其逼近阀值i t h ，可以大大减小电光延迟时间，同时使张弛振荡得到一定程度的抑制；( 2 ) 当激光器偏置在阀值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，i b 和电子科技大学硕士论文p图3 - 3 直接数字调制l d 原理( i b + i i 。) 的值相差不大，从而可以大大减小码型效应；( 3 ) 另一方面，加大直流偏置电流会使激光器的消光比恶化，直接影响光接收机的灵敏度；( 4 )g a a l a s g a a s 激光器的散粒噪声在阎值处出现最大值( 很陡的峰值) 。若激光器正好偏置在阀值上，散粒噪声的影响较严重。因此，偏置电流的选择，要兼顾电光延迟、张弛振荡、码型效应、激光器的消光比及散粒噪声声等各方面情况，根据器件的性能，具体系统的要求，适当地选取i b 的大小。对于调制电流i 。幅度的选择，应根据激光器的p - - i 曲线，既要有足够的输出光脉冲的幅度，又要考虑到光源的负担如果激光器在某些区域有自脉动现象发生，那么l 。的选择，应避开自脉动发生的区域。在一般情况下，光发送机的输入信号都是数字光纤通信系统的线路码型数字脉冲信号。在数字光纤通信系统设备的设计中，为了方便发送机对其输入脉冲信号码型的选择，简化电路结构，这些线路码型数字脉冲信号都是n r z 码。光发送机的输入数字脉冲信号是采用n r z 码型还是r z 码，这与整个数字光纤通信系统的设计有关。一般来说，r z 码对数字光纤通信系统中的光接收机有利，而n r z 码就相应增加了数字光接收机对信号波形均衡的难度。目前在中等速率的数字光纤通信系统中一般采用r z 码，丽在高速或超高速的数字光纤通信系统中则采用n r z 码型。光发送器中的整型码型变换电路的功能就是对输入的数字信号进行波型变换后以十分标准的或经过某些预处理的电脉冲信号去调制光源器件而发出符合数字光纤通信系统传输性能要求的光脉冲波形信号。在光收发模块中，没有集成线路码型变换功能。在光纤传输系统中，这部分功能由专用芯片完成。3 自动功率控制( a p c ) 和自动温度控制( a t c )电子科技大学硕士论文光发射机中的光功率控制电路可以自动补偿l d 由于环境温度变化和老化效应而引起的输出光功率的变化，保持其输出光功率不变，或其变化幅度不超过数字光纤通信设计要求的指标范围；同时自动控制光发送机输入信号码流中长连“0 ”序列或无信号输入时使l d 不发光。一个性能完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特点的光源器件，另方面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和防范。这就是光发送机除了要有整形码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外，还需要有自动光功率控制( a p c ) 、自动温度控制( a t c ) 和各种保护电路的原因。光发射机的本质含义就是根据光源器件的应用特性采用有针对性的电子线路技术而使光源器件能有效和可靠的应用在数字光纤通信系统中。3