（通信与信息系统专业论文）一种交通监控光纤传输系统的设计与实现.pdf

摘要 本课题来源于哈尔滨锐科光电技术有限公司的项目一工业与交通用监控 光端机。这是为克服具备同等功能的模拟光端机的缺陷而研制的项目，该项 目要求用单纤对传一路视频信号和一路数据信号，同时要保证所研制的光端 机具有较大的温差变化适应性。 ， 虽然光纤专用通信系统已经得到了广泛的应用，但是它的应用也主要局 限在模拟通信方式之下。模拟信号传输的最大缺点是图像质量的损伤是积累 的，易产生失真。把模拟视频信号数字化后，可以解决上述模拟电视难于解 决的问题，并产生令人鼓舞的新特性。但是在数字视频信号码流中存在随机 的长连的“o ”或“1 ”，不适合在光纤信道中传输。论文中详细论述了其原因 并给出了切实可行的解决方法。 同时为了实现对现场摄像机的控制，还需回传一路数据信号。这一路数 据信号的速率较低，不适合光纤信道传输，需要进行调制。 本文利用波分复用的方式实现了信号的对传，并设计出了具体的实现电 路。最后对视频信号和数据信号的各项性能指标进行了严格的测试。通过实 验，证明了方案的正确性和可行性。 关键词：光纤通信；8 b i o b ；基线漂移；波分复用：自动功率控制 ； ；一；。；盗鲨鲨至篓：笙鳖；：； 。； a b s t r a c t t h i st a s kc o m e sf r o mt h ep l a no fh a r b i nr o c ko p t o - e l e c t r o n i et e c h n i q u e c o ，1 d 一一t h ed i 百t a lo p t i c a lt r a n s m i t t e r a n dr e c e i v e ru s e di n i n d u s t r ya n d t r a f f i c ，w h i c hh a sb e e ns t u d i e di no r d e rt oc o n q u e rt h ed i s a d v a n t a g e so fa n a l o g d e v i c e ，i tm u s ta c c u r a t e l yt r a n s m i to n ev i d e os i g n a la n dr e v e r s e l yt r a n s m i to n e d a t as i g n a li no n ef i b e ra n dw o r kw e l lw h e nt h e t e m p e r a t eh a sc h a n g e dg r e a t l y a l t h o u g ht h es p e c i a ls y s t e mo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sa l r e a d yu s e d w i d e l y ，i t sc o m m u n i c a t i o nm o d em a i n l yd e p e n d so na n a l o gc o m m u n i c a t i o n t h e m o s t d i s a d v a n t a g ei st h a tt h ed a m n i f i c a f i o no fi m a g eq u a l i t y i sa c c u m u l a t e da n di t w i l lc a u s et h ed i s t o r t i o no fv i d e os i g n a l w h e nt h ev i d e oa n a l o gs i g n a lh a sb e e n c h a n g e di n t od i g i t a ls i g n a l ，i tw i l ln o to n l yc o n q u e r t h ep r o b l e mt h a ta n a l o gs i g n a l c o m m u n i c a t i o np o s s e s , b u ta l s ob r i n gm a n yn e wc h a r a c t e r s ，t h e r ee x i s tr a n d o m l o n gs u c c e s s i v e 0 o r 1 i nt h ec o d eo fi m a g es i g n a l ，w h i c ha r en o tf i t f o rt h e t r a n s m i to ft h eo p t i c a lc h a n n e l + t h i sp a p e rm a k e sab r i e fd i s c u s s i o no ni t sr e b $ o n a n da l s og i v e so u tap r a c t i c a lm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e m w h e nt h et e m p e r a t e h a sc h a n g e d g r e a t l y 。t h es y s t e m w i l la l s ot r a n s m i to n er e v e r s a ld a t as i g n a li no r d e r t oc o n t r o lt h ev i d i e o no ns i t e b e c a u s et h ed a t er a t ei sv e r yl o wa n dc a nn o tf i tf o r t r a n s m i t t e ri no p t i c a lc h a n n e l ，i ti sn e c e s s a r yt om o d u l a t et h es i g n a l t h es y s t e mm a k e sn s eo ft h ew d mm o d et or e a l i z et w or e v e r s es i g n a l s t r a n s m i t t e ri no n ef i b e ra n dd e s i g n st h ep r a c t i c a lc i r c u i t a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e s o u tt h ea c c u r a t ec a p a b i l i t i e st h a ta l ea t t r i b u t e dt ot h ev i d e os i g n a la n dt h ed a t a s i g n a l t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h i sm e t h o d i sb o t h r i g h ta n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o n ；8 8 1 0 b ：b a s e l i n es h i f t ；w a v ed i v i s i o n m u l t i p l e x ；a u t o m a t i c p o w e rc o n t r o l 暗尔滨工程夫学硕士学经论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于哈尔滨锐科光电技术有限公司交通监控工程项目，以交邋 监控为应爆背豢，对以光绎必健输分质的耀像逶信系统及数攒逶售系统进行 研究。 1 2 光纤通信系统的基本原理 光野遥信楚馘竞佟为信惫载棒，竣竞纾作秀佟输媒分豹邋僖方式。在_ i 蘧 信系统中，发送信息端叫信源，接收端叫傣宿。信源的信号通过调制通过电 缆和电磁波发送至h 信宿端，诒i 信宿端将接收信号懈调实现信号的恢复，觚丽 完成信号的传竣。光终通信怒在售源端需爰烤电俊号转位为光信号，通过光 纤传输到信宿端，再将光信芍转化为原始的电信号的一个过程。实现光纤通 信除了需要将传绫多群豹毫接号转羧为煮信号静装霉嚣强茨示的宅薅梳，逐 需要有传输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置，如图i 1 。所 瓯在光纾通信中有三个主要的技术闷题：便于应舔置经能往蠢的光源：髓长 距离传输光信号的传输余质；灵敏的接收光信号井能把光信号转化为电信号 的光检测器。 圈l 。l 光纤通信系统原理框图 1 3 课题研究的意义及成用 本课题研究的是光纤在专用通信系统中的应用。所谓的专用通信系统怒 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 指不开放公用或不妨碍公用通信网经营管理的那些通信系统。在这一章里， 仅就交通监控管理系统应用做一下介绍。 随着我国现代化进程的推进，工矿企业、市内交通，高速公路以及电气 化铁路等方面的监视于管理系统已经开始应用。在这些应用领域中，一般对 视频传输指标的要求不一定很高，但其应用环境条件比较恶劣( 例如应用场 合中电磁干扰强、有辐射或腐蚀等) ，加之有些场合要求保密性强或传输距 离太长，这些都易于采用光纤传输。另外进入二十一世纪，公路成为我国发 展交通的骨干，随着国内交通道路的建设，交通干线四通八达，给社会经济 活动的建设带来了很大的促进作用。但是，反过来，由于车辆增加而引起的 交通事故的增多，交通堵塞、违规行驶和监守自盗等现象已成为必须解决的 问题。解决上述问题，推动交通建设的进一步发展，关键在于有一套先进的 交通监控和管理系统，本课题正是为适应这种社会需求而产生的。 图像监控系统具有形象直观、确切无误、通信效率高等一系列优点。但 传统的图像监控系统的视频信号是利用电缆传输的，其在传输距离、信息容 量及可靠性方面都有缺陷。 主要问题是： ( 1 ) 电缆干线每传输几百米需设置一个放大器，多级放大器的级连除增 加噪声累计之外，还使交扰调制和相互调制失真增加。 ( 2 ) 电缆的损耗既是频率的函数又随温度变化，因此往往必须在放大器 上进行频率和温度补偿，导致了调试和维护的困难。 ( 3 ) 由于放大器的接入，接插环节多，大量的无源接插件与有源接插件 的级连是故障发生的主要因素，使系统的可靠性和稳定性受到威胁，给维护 工作带来不少麻烦i ”。 与电缆传输相比较，光纤传输具有以下优点： ( 1 ) 损耗极低，中继距离很长。商品石英光纤现已达到的损耗水平是在 1 _ 3 “m 波长处损耗是o 3 5 d b k m ，在1 5 5 t m 波长处损耗是o 2 0d b k m ，这 比最好的同轴电缆的损耗的百分之一还要低。 ( 2 ) 频带极宽，传输容量很大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽， 理论上一对单模光纤可传2 5 亿个话路，是同轴电缆的几百倍。若采用多个 光源的波分复用，则带宽更大。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好。光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路 不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。 ( 4 ) 保密性能好。在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也 无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非 常安全。 ( 5 ) 温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比，光纤的温度系数 极小，其传输特性基本不随温度而变，故光纤传输系统十分稳定可靠，而且 不易老化。 由于光纤通信具有以上独特的优越性，它已成为图像传输系统中不可取 代的传输介质【3 1 。 工业用交通监控系统属于多点电视监控系统，从传输的角度来说系统可 以分为图像传输和数据传输。图像用来监视，而数据则主要用来做控制用， 其中图像传输主要有以下几种形式： 图1 2 单路单点图像监控系统 a 单路单点传输 图1 2 示出了一个基本的图像监视光纤传输系统，视频信号由摄像机 出来后，直接通过光系统传至控制中心进行监视。 图1 3 多点图象传输系统 b 多点图像传输系统 图1 3 是一个图像信号传至多个接收点的传输系统，只有一个光发送端 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机，而通过光分路器可以连接若干个接收点，起到一发多收的目的。这种方 式可做小范围会议电视中心会场下行线传输之用。 c 单纤双工传输系统 图1 4 示出了利用波分复用器进行两路传输的系统。在工业于交通监控 系统中，可在上行方向传输图像信号而在下行方向同纤传输用于控制的数据 信号。不过这种系统因为增添了波分复用器，因此需要考虑它的损耗。 图1 4 单纤双工两路传输系统 在监控系统中，经常采用数据传输系统( 如图1 5 ) 去控制摄像机镜头焦 距、光圈及其保护罩雨刷于电源开关和云台的动作等。为了使工作接口可靠， 以防止电磁杂波干扰，通常在光系统与数据编译码器的接口出需要加置光电隔 离器。 一蓁蓊h 暴卜叫暴h 纂毳卜1 编码广 数据发广 数据收广 解码广 图1 5 控制数据传输系统 当然专用传输技术的应用应该是非常广泛的，就图像和数据传输而言就 用广播电视短程线传输，工业与交通监控管理系统，电缆电视网，宽带综合 业务网以及计算机通信的局部区域n ( l a n ) 等方面的应用。 1 4 目前光纤视频传输的现状 目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、 海关、水利、银行等领域视频图像、音频、数据、以太网、电话等光端机开 始普遍大量应用。初期模拟调频、调幅、调相光端机在市场上占有相当的比 例，其传输方式是将基带的视频、音频、数据等信号调制在某一载频上，通 哈拳浜工程大学硕士学位论文 过发射光端机进行光纡传输，然后遁过另一端的接收光端机进行鳃谰，恢复 成相应的基带视频、音频、数据信号。而闰内、国外工程上开始大鬣应用的 数字式走溱掘麓将多鼹模羧綦豢豹裰频、音频、数据逡季亍嵩分辨率数字纯， 形成高速数字流，然后将多路数字流进行复用，通过发射光端机进行发射， 熬磊运遗舅一端的接救毙端辊进行援狡，解复用，恢复成各路数字纯信号， 再通过数字模拟变换恢复成模拟视频、音频、数据。 从目前市场情况来看，模拟光端机已逐步退如市场，而数字光端机如雨 詹春笋般开始在市场上普及。数字代替模拟，这也是光纤通信技术崴著的历 史发展趋势。这主要基于鼹大原医，一是模拟信号在传辕过程中，特别是农 中继传输时，图像质量的损伤是积累的。例如，信号非线性失真的积累使图 像瓣毙度产生越寒越大豹骧燮；噪孝戆稷豢镬图像清曦度越采越低；籀经失 真积累使图像产生类似衍射环那样的镶边，从而产生彩色失真和使鬼影现象 越来越严霾。另终，摸叛电褫信号还其有稳定度涟、可靠性低、调整繁复、 不便于集成和自动控制困难等难点。而数字信号的传输贝q 最大程度上克复了 这魑缺点。其次是数字化专用视频芯片的稳定性和价格已经可以满足客户的 震菠。嚣魃诲多大型羹点王纛已普遮采鼹数字巍端援。在发达国家，专瘸必 纤传输系统中已经得以广泛的应用。当然对于我们国内来说，也要结合某地 区实际蠡孽情况热强菜个指标酌毪麓并兼颟性麓价格院，铡本谍蘧要求所研制 的光端机具备较大的温差变化适应性，以很好的适应j b 方冬夏温度变化大的 特点。 当然电视倍号数字纯也存在一个明显的缺点，就是所需的传输带宽大。 但是它的带宽相对于光纤的蹙大带宽来漫，可以说不是最主要蜘矛盾。同黠 随糟大规模逻辑阵列，各种视频专用通信：漆片的开发，数字视频光纤传输已 经能够应蠲到工程实践孛。 1 5 课题的具体任务和技术指标 本课题研究的是一种交道益控光端视的数字纯实现方式，疆求设计的这 套光纤传输系统，在一根光纤中实现一路视频数字化和一路反肉数据鲍对传。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 1 系统总体结构 1西嘉二三三亘二主三主薹蚕翌霎霎三_蒜波分复用 蠡矧电平转换h 解调滤波 剥坠矧鲎錾 塑塑全翮一j 犷 信号 放大 信号 放大 意z ， _ 咱卜j 光荣号入 1 咱卜_ 7 光信母入 露波分复用 图1 6 系统总体结构框图 1 5 2 系绫技术指标 ( 1 ) 要求视频达到的技术规格如下： 信号电平：l v # - p 信号阻抗：7 5 q 视频带宽：1 0 h z 6 m h z 微分增荫d g ： = # 。溻 ( 3 2 塞上式莓觅，藏骜溢寰熬秀褰+ l d 戆煞率鼗黎下器，邃衰袋襄臻戆p l 浆 性趣线瓣率鞠变托上，温璇越齑，魏线瓣率裁变褥越枣，群鞠辩电一竞转捺 教率越夺。 哈尔演工程大学硕士学位论文 i * i g i i ；g = - 目；i i i ；i ；j ；目；i i i 目_ ；i 冒z ；_ i - _ i i i ；i j ；- _ 鼻 由溺3 1 还可知l d 的溺德电流最溢袭和使鬻寿命翡潞数，若偏鬻电弱i 瀚 定+ 丽冀他因素变化时，势必g l 起激光器的输出功率不稳定。例如温度跫嵩 詹，可能琏5 现i b + i m i t h 妻况丽长期发巍。困越溪镬籍跨蚤功率控制电路( a l 毽) ，来於偻峦于温度、 老化等原潮引起的阈值电流的变化，使之肖稳定的光功率输出。 锌对辨上祷凝，为了稳定瞻器输鸯巍功率不变，麓鼙鸯效鹣控铡方法是 调整驱动l d 的蠛流偏鬻电流，即当l d 的阐值电流发生变化时，其直流偏鬣 电流髓及凝生褶成韵焚化，以裸证在姻豹调翎穰流不变的条件下，的输 出光功率憾定不嶷。这裁是设计a p f i 电路蛉基本理论依据。 a p c 电路怒利用一只与l d 封装在一越的p i n 二极管检测l d 后向输出 翡巍售号，辗撂p i n 辕疆熬大夺嚣鑫裁邀改变l d 的镳鬻电流，使其输出功 率保持恒定。图3 4 是a p c 的电路原理图。 ， - 5 v 图3 4 自动光功率控制电路 p i n 二极管梭测到的信号经a 1 放大后送到比较器a 3 的反向输入端，另 一方面誊流参考泡压通过a 2 放大看送委a 3 静两商输入端，a 3 黎晶体管b g 4 组成可自动调节的恒滚源向l d 提供直流镳置，偏流的大小可由直溅参考电 压的调整黼进行颓置。在a 2 的反向端接入输入信号作为参考，以防止a p c 电路在元傣号竣入或长涟“0 ”码霹，攘滚鑫羲上舞嚣雩| 起误磷。该a p c 逝 路可以保证在输入信号为“l ”时激光器发出强度恒定的“1 ”鹳。两当输入 蓿号为“0 ”码对，激巍器王幸筝在溺穰辩逶。 雅藤蔟王器大学硕士攀经谂烹 3 。1 3 光发送端桃毫路实现 3 ，1 3 1 分焱冗佟魄赡设计 瓣蘸，市璐上爨餐鹣缝六帮分滗蝼筏是蘩爨上述鹭驱磷篆鬻器羹旃竞凄 率控制原璨来设计县体的应用电路，所以，添视频传输系统最初也打算采用 遮黪设诗爨想。囊溪了犬囊翡参考文靛惹，并在仔缭势瓠蹰需嚣耩饕特牲参 数的基础上，我们选用运葵放大器t l 0 9 2j 荦f l 三极警m 9 1 0 馋恕光端枧根荧电 露辩主要嚣掌 。不遵这种瞧路对强静蘩求很高，那就是闷德电流诿，j 、，发光 功零簧大。爨髂戆路始蹙3 5 爨示。 = j 当 创型 固莎 l ； 呻卜 卅 一； l l l l 圈3 5 骧劝及a p e 电路 程经过褫步鼹滋蹙实验瑟，我爨发爨奁澄蒺蔻爨不度大麓露姣( - 2 5 + 5 0 z ：) ，此辩端机输出光功率很稳定，但是且温度变化嬲出此范围，光端 疑翡翰邀戆璐辜迅速漂移，錾裁巍磅攀缝爨壤隆失蠹终焉，凌蔽臻纛颡蕊号 发生严重失旗。 3 1 ，3 2 系嚣m a x 3 2 6 3 翡a p c 墩路爱诗 ( 1 ) y & x 3 2 6 3 受缨技工佟鼹理 m a x 3 2 6 3 是一个2 4 脚的表贴芯片，它集光源驱动和自劫光功率控制渤能 蔻一鸯，爰竣诗走鞴辍熬镶选蕊片。它楚驱蘸1 5 5 1 b p s 蠢逮羧撂巷号懿澎蓑 送，工作电压是+ 5 v ，在使用中非常易予调节。它具绺自动光功率控制( a p c ) 凌笺莠星是互褡甓魏辘天，是接受差分隈l 输入置魏提洪甄蓊输越毫流。在 其中设置的稳定的濒度参考电压娆簏化激光嚣电滚骢调节。它的诞制电滤鳆 嬉容滚工程夫掌疆= ： ：学往论文 范暖悬从5 m a 裂2 s 瞅，镄霆邂滚躲溺孵范嚣是从s 璐焘裂o 畦，褥这个藏匿莰 需调节井酃的两个电黻的大小虢可驭了。 游竞发送撬鬻蠢疆灏器 p 瓣，落冀蠹浆鑫羲楚臻率耱锈( a f t ) 魏麓鬓l 褥 光功率的恒定。而实现a p c 的功能仪黼调节个外部电阻的大小。m a x 3 2 6 3 激竞蕊韵器逛三拿主要帮分鬟藏：一卞楚带薅溢废 诿静参鸯墩压爱戒器， 一个是其露a p c 豹激毙德霆郄分，秘个诞镣l 驱动器。冀终 8 a x 3 2 6 3 透其鸯 体弑小，箨涮方法简单鹩特点。其内部原璃图及设计外阐接口电路如网3 6 凄示。 羹3 ，6 & a x 3 2 6 3 瓣瑾曩搂淫蓬 因为激光驱动器的基零功能是给激光二搬管拦供适当蛉馕鼗呶流秘调制 遣藏。其中氍定穰嚣奄流键激竞= 裰警工佟予门蔽戳皇翰线往区，交交的调制 瞧浚与输入电压嚼步。盘墅霹是滋您驱秘嚣熬戆输鑫缝梅努褰3 ，8 孛 丁l ，下2 ，丁3 和t 4 。这种驱动电路为双端信号反向输入，其输入数据信号经相应 速率瓣集矮嚣终整影美蒸，一毅霾这餮骧凄德号翡渡影要蕊，强鼗诱螫趣亲 比较容易。同时由予t 1 与t 2 的基极肼加的信号大小相等，相位捆反，这样 耳强避一多攥毫窀黪戆开蒺遮霾。这释驻动邀路麓澡度稳窀链、梳电源干旒 熬性裁郏缓查 。匿舞这些冁素弓 超的变化等与驱动电路豁共模辕入。出鼍：慧 2 6 跨承浜工程天学硕士掌酸论文 1 i 。 i i i i t i z 缀t 4 为憾滚源电路，保诞了曲调制魄流i m 的稳定性，霹对燕常躲蓑动输入 信号不会有影响。鄢么在设计a p c 电路时，理想状态偏鹫电流i 。应髓门隈 毫流丽交，漏裁奄淀i 。旋随斜率效率舔交，途一帮分虫瑟3 s 反馈毫路疆窝 t 6 辩乏控制。其中t 4 、t 5 和t 6 的放大倍数不同，调解它们的大小，主鞭依靠 蕊片乡 蟊懿三令壤踅熬丈枣浚定。“w 谖瓣潢裁彀滚i 。随大，j 、，r 。；调瓣 偏镤电流的大小，r 。，调解p i n 反馈电流的大小。逛些参数要根据l d 的变化 盏躐来谲解，这裁实现了豹a p c 。 ( 2 ) m a x 3 2 6 3 的激光餐特性参数及辨匿电阻。 视频光发射机中所用激光篱特性参数如下： 波长毒1 3 1 0 n m ，一 闽值电流r 1 7 厂2 0 m a qi 斌塞率尹卅。0 ，1 a w 量子效率r 0 1 m w m a 通信系统特性指标簧求鲫下： 平均光功率只镕0 d b m ( t m w ) 消光比e ，6 d b ( e ，一4 ) 奄疆毪控锈骧甏毫滚翡六枣。虫予系统掰遥激光譬瓣满蓬彀流惫 2 0 m a ，从激光管的调制特性考虑，将其偏赞电流定在2 5 m a ，略赢于闽值电 流。霆。这个电隧庆窥d 谰潮电流的大小，调制电流艨控帚在t 2 m a 。至 于这薅个电阻具体魏静大小，液根据实际馕况穗芯片的工作特性越线求褥。 震一。怒用来调节葳馈电流大小的电阻，通过它可以决定在温度变化时反 馈羹弱大枣。叠一篮虿逶过实验方法滚确邃，谖试慧糍戳对，先繇嚣裰频番 号调节r 脚。，当，。端电压值是3 v 时所对应的电阻值即所求r ，。值。 最后遮弼豹弱稼莛m a x 3 2 6 3 蘸惫动逶入光功率控巷状态。 ( 3 ) 驱动嚣的输入输出接口设计 首先设计驱动器的输入接翻。在前面的介绍中已经说明此蕊片的输入接 窭是p e c l 瞧鼹。舞羧它靛输入接口邀路应酸按照p e c l 毯路茨攘叠囊范遘嚣 连接。 藩凌浚诗驱韵器与激光嚣静接蜀。在激悲二截管翡鞠褫谦持恒定静辍抗 很关键，它能够使离速输出电路的负载相对予频率1 5 l l 持稳定。输如电路负载的 哈承泼工程大学硬士牮整论交 i ；_ # # i i ；j _ i i l l l l i l 不稳定可熊引起段射、振铃、降低必学波澎的厦爨。与镳置电流源榴荧蛉分 流魄容会产生与频率有哭的阻抗( z m s ) 。为了减小阻抗变化的影响，激光二极 誊戮壤窝镶翟嘏蹒阕癸鬟一翳离电感或磁臻滤，该迄戆辩壹浚僚萋魄鼹没寄 影响，但对调制电流将盛现高阻抗，如图3 ，6 所设计。 灞裁激流熬夫枣彀凌予辨帮宅黻& 一，魏蠢隧控制差分输出凝的电流 源。激光驱动器由输出缎晶体锗的黛魄极输出。大多数情况下，粲电搬开路输 出的上拉元件应有设计者本人根据实际电路需要，选择电阻或电感，遮翳有电 压余星的大小来确定。 驱动嚣和激光管的连接1 生能取决于两者的距离。如果距离小于几毫米， 不必雳簧浚线，尽胃裁减梦骞垒霞纂。弓l 线饔激澎管鹭装连线嘏感遣威舔惑 性负载可能需要电阻( 如。) 和电容( c 艘。，) 组成的分流网络来补偿。分流网络 的强的是为了消豫寄奎嘏感，飘丽深持纯奄辍往受裁减少道冲和振铃。串联 阻尼电阻( 鹣) 鸯鼹个佟耀，既掷割7 导致输斑失粪的反射，又建立了一个稳 定的负载，激光管自身的负载一般在5 q 上下波动2 0 ( i 5 n = 2 0 ) ，总负 载( 疑括惫疆，。瑟鬯容e 毫：) 交稼是毒旗t 2 5 n = 4 ) ，这藏提塞了受载 的稳定度。假定使用同轴封装的激光管，这然器件的初始参数为艮= 2 0 q ， = 7 5 q ，蠢g = 3 p f 崮予不同豹激竞管英封装电感不厨，应对用予分流 网络的元搏值进行调整以达到凝优工 乍状念。另钤，偏鬟瞧感应毫接浚接瑟 激光管的阴极，这样就不会在驱动器的偏管级引起电艇余量问题。当连接 距离大于死毫米醅，簧蘩惩阻抗受控静传辏线来造攘激走管彝骡凌嚣。 3 2 光接收机 3 2 1 光接收端机组成 茨懿飘获越瓣兜慧鼍，在巍簿孛褥辕对，萃袋簸囊被衰藏，雨量躲薅费 波形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱信号，并放大、再生 成琢传输麴信号。 对强发谡剑的数字僚号，程接收端采蘑鼗接检测( ) 方式避，光接牧 机的主要组成如图3 7 所示嘲。 培零浚王疆太学矮士譬霞论文 图3 7 数字光接收机框图 在毙接渡税申，善毙 ；喜要将港售号转换或蘸信譬，帮对竞遴行薅灞，这个 过程是由光电检测器( 光电二极管或雪崩光电二极管) 束完成的。光呶检测 器把宠藉譬转换藏电流髂号送入蘸羹藏大器。嚣嚣放大器鹃嗓声对整个放大 器的输出噪声影魄甚大，因此，它应该是糕心设计靼制作的低噪声放大器。 主放大器的作用除提供怒够韵增益井，它的增益还爱a g c 电路控制，传输出 信号翡蟮震在一是靛蕊爨郧不受簸入睡号掭囊的影蹶。均餐滤波器酶捧臻蹩 保i 难判决时不存程码间干扰。判决器和时钟恢复电路对信号进行再生。如果 在发麓蠛递霉了线路缡秘( 或撬鹃) ，藤么，在蔹牧臻嚣要有璃藤瀚译粥( 或 解扰) 电路。 光接收机最主鬃的憔能指标是接收机灵敏度。襁接收机的理论中，中心的 阚越逮是辩何降低稔a 鲻瓣臻声、提离接受灵敏菠。灵敏寝主癸褒莰予毙毫 检测器的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。 程工程上，现在一觳遥甭缀俘，繇p i n 、放大嚣、均衡和a g c 均集成在 一起。对予本课题，因为所传接号最巍才菇2 0 0 m ，所以仅选择带翦置放大戆 组 率即可。对于光纤通信来说，这么高的信号速率是不需舞均衡和自动增益 控锚瞧踌戆。这榉只要髯设| 卡一令主放大器麓鼗褒复窭信号来。 3 ，2 2 走电检测器 光电检测器魁光接收机的核心器件，它将光脉冲信号转换成为电脉冲信 号。光纾邋信中常瘸静巍奄检测器主簧有p i n 竞魄二摄篱帮雪精光电二极管 ( a p d ) 。p i n 光电二极餐没有储增，使用趟单，工l 乍偏难低，藤且可以固定 睦尔滨工程大学矮：卜学位谂文 不变不需要任何控制。a p d 具有很高的内部倍增因子，它与合理设计的呶 予放大器结合，可以使a p d 工作在媛佳倍增工作状态。这样的数字光接收机 能够彳导到魄采用p i n 光电检测爨斡光接收壤裹l o d b 以疼毂接收灵敏度。瞧囊 于a p d 需要较高的工作偏压( 几十伏至两百伏) 以及其倍增特性受温度的影 稳较严重，毽瑟镬蠲怒来氇院较复杂。 光纤通信系统对光电检测器的要求包括： ( 1 ) 对光纤通信系统光信号韵工作波长有较高的响应度域灵敏液。 ( 2 ) 响应速度要快，即舞求光电检测器有足够快的晚应速度或慰够宽憋 带宽，使光电检测器尽可能没有失真或小失真地将接收到的光脉冲信号转变 为鼹辣挣信号。 ( 3 ) 引入的附加噪声要小。光信号经过长距离传输后到达接收端，由于 各稀衰耗，信号已交的十分徽弱，噪声已相对较大，所瑷光电检铡器弓| 入的 噪声电流应越小越好。因为程光电转换过稷中引入的附加噪声郝必然会被露 面的放大电路放大而不可能被消除。如果蝾声电流大到可以与光电转换输出 电源相毖擞嚣重，信号被噪声联淹没，接收砉氇无法从噪声瞧流与售号惠滚静混 杂中正确的判决蒋生出有用的信号，就会发生失真。所以光电转换过程引入 静噪声大，j 、，壹接决定光接浚祝酌髓缝指稼。噪声的主蒺来源跫踣电流产璧 的散粒噪声、倍增噪声、量子噪声和信号超伏噪声等。在设计和使用时应尽 可麓根据嗓声的来源，粑嗓声降到最小，从而提高信嗓眈。 ( 4 ) 湿度特性要好。光电检测嚣昭特性受环境湿度的交豫影响缀大，特 别是a p d 器件，温度对蕻倍增因子和暗电流的影响十分严重。在工程成用中， 辗攥具体瓣光电猃测嚣溢度耱牲参数，一方蘸可懿选焉受温度影穗较套静a p d 器件或对温度不敏感的p i n 光检测器，另方面可以采用温度控制电路。 萁它豹要求还有俸积要小、寿命要长、对电源要求低，班及要稳定、可 靠、便宜。 对两种检测器p i n 和a p d 比较可知，p i n 的电路简单，温度稳定性好， 砭且可鞋提供足够的接收灵敏度，联戮选髑p i n 必电捡铡器。 根据以上对光电检测器的疆求，选择相应参数的p i n 光电检测器。本系 统逸用的楚l 5 0 整p i n 集戒巍电接收组件，它是幽i n g a a sp i n 管与g a a si c 跨阻抗放大器经薄膜集成技术组合而成的。灵敏度高，动态范围宽。适用于 晗尔滨工程大学硕士学位论文 长波长光缗通馈系统或其它搬电接收装置舱光电捡测与翦置敖大级中。 l 5 0 型p i n 集成光电接收组件特性参数如下： ( i ) 稳应发两 响应度是表征光电转换效率高低的物理量，是指光电检测器的平均输出 电流j 。与其平均入身孛浅功率只之跪，即 ， r 。= 孑( a w ) ( 3 - 3 ) ，“ l 5 0 囊静璃疲度大予2 0 m y p 转。 ( 2 ) 量子效率” 量子皴率口指的蹩检测器中产生的电子一空穴对数与入射的光子数之比， 即 i e 驴声可( 3 - 4 ) 其中，e 是电子电荷，h 是普朗克常数，是光的频率，h f 是光子能擞。 ( 3 ) 晌应时闯 光电检测嚣的响应时闻楚摆从宅接收到光子的时间起到它自够考光生电 流输出的这段时间。 嚣蓑，重产熬p i n 必宅二缀管瓣穗应辩溷一般夺予i n s 。 l 5 0 测的响成时间小于7 n s 。 ( 4 ) 暗电流i d 餐量光接收机性熊好坏躲一个羹要标凇是信嗓魄，楚其在模数健l 鑫系统 中，光接收机噪声主要来源予光电检测器及其后面的前鼹放大器。就光电检 溅器恧言，产生噪声款瘵因之一是冀涪电滚豹起茯。港魄流是指光电检测嚣 在无光照射时产生的电流。它主要是由热激发而产生的载流子引起的。因此， 暗嘏流与漩度有关。温度越高，睹电流越大。睹电流箍漱度交化形成了噪声。 l 5 0 型光彀检测樱的暗电流小- pl n a 。 3 2 3 性能指标介绍 3 2 3 诶码率和灵敏瘦 在光纡数字系统中，传输的是一系列单极性“l ”鸦靼“0 ”码的黥冲鹃 臻苯溱工獠炎学蘸士学霞论文 元。每个码元郡代表一定信息。由予系统遗道存褒噪声，噪声电压秘僖号邀 压叠加往彼造成误码，期接收端应出现“1 ”码时出现“0 ”码，或者_ j 蹙为“0 ” 磷辩凄璇“t ”筠。骜嚣瀑羁强度趱谟羁率遮一疆念。产象静误褥总数与慈豹 发送码数目之比就是误码率。县体袭达式如下： q ：b m a x - - b r a i n ( 3 5 ) 盯l + 盯0 上式中，囝是与谶码率楣对应的参量，当谖硒率为只= t 0 砷时，对应的 值先q * 6 ；当= l 貉。5 时，则褥q * 7 9 。在本光绥遴臻系统中，误鹚率选 为只= 1 0 。，所以选q = 6 作为计算标准。6 。和k 。分别为发“l ”、“0 ”码 露瓣售等蕺玉；强_ 耱分裂为“l ”褥嚣“0 ”璐磁各壹靛潮凌时裁熬均方嘏 噪声电压的平均值，即噪声功率值l 。具体的推导公式有兴趣的读者可以阅读 福美懿参考文献。 为了减小在粼决中的误碣搴，瓤默从两个不网的黛赓采取接旌+ 躲加大 萁输入光功率，或者减小数字光接i | 殳机的输出噪声。但魑加大输入光功率的 方法会弓 越是纤懿葵线健效应。掰爨要根据实际债凝寒锚定甥实霉毒亍翁办法。 由此我们知道，数字光接收机的输入光功率和误码率两暂是互相矛盾的。因 魏赫矮对葵孛一令送行天莠豹溪定，酥一黢溉定误薅率为t 0 - 9 。援据裰蒸邃 一裂求，就可以找到数字光接收枫掰接收到的最小光功攀作为篡性能指标， 即臻收灵敏度。可见数字先接收祝在保证特定误码率韵祭件下，其输蹬嗓声 越小，接收溪嚣要的光凌率搬魏越小，其灵敏度如藏越巍。 数字光接收机的光接收机：灵敏度用下式表示 芦 s ，= l o l o g 告( d b m ) ( 3 - - 6 ) i u 式中，s ，蕊在隧辘褥情况下酶接收平绦嵬功率。它裘示兔按牧瓶调整戮 最接状态憋，熊够接收徽弱光信号的# 力。提赢灵敏度意味羲接收更微弱 的光信号。 3 ，2 + 3 。2 爨葫蹭蘸控裁鞠魂态范鐾 主放大器是一个普通的宽带高增益放大器，豳于前簧放大器输出信号幅 凄鞍大，掰鞋主敞大嚣瓣噪声避常不毖考惑。主蔽大器觳宙多缀敲大器缓 联构成，其功能是提供足够的增益a ，以满足判决赝需的电乎。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主放大器的另一个功能是实现自动增益控制( a g c ) ，使光接收机具有一 定的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。 动态范围( d r ) 的定义是：在限定的误码率条件下，光接收机所能承受 的最大平均接收光功率p m a x 和所需最小平均接收光功率p m i n 的比值，用d b 表示。根据定义 d r ：1 0 1 9 竺孚( 扭)( 3 7 ) p m m 动态范围是光接收机性能的另一个重要指标，它表示光接收机接收强光 的能力，数字光接收机的动态范围一般应大于1 5 d b 。由于使用条件不同，输 入光接收机的光信号大小要发生变化，如果传输数据速率很高的话，为实现 宽动态范围，采用a g c 是十分有必要的。a g c 一般采用直流运算放大器构成 的反馈控制电路来实现。对于a p d 光接收机，a g c 控制光检测器的偏压和放 大器的输出；对于p i n 光接收机，a g c 只控制放大器的输出”1 。 3 3 光纤类型选择 目前光纤通信系统中使用的光纤种类很多，从组成材料来看主要是石英 玻璃光纤，根据工作波长，一般选择工作波长位于石英光纤低损耗区的长波 长( 1 0 p m 1 7 m ) 光纤，而从传输模式来看，多模光纤和单模光纤均有 应用，至于选择哪一种就要视具体情况而定。 光在纤芯直径为光波长几十倍的光纤中传输时，光线在纤芯和包层的分 界面处来回反射前进。以各种不同角度进入光纤的光线，在从一端传至另一 端时折射次数不尽相同。因此，以同样相角发射的光线，却可能以不同相角 到达另一端。这种不同角度的进入称为多模式传输，可传输多模式光波的光 纤称为多模光纤。当把光脉冲耦合到光纤中时，光脉冲能量将分配在每个传输 模中进行传输。这样不同传输模式到达光纤输出端的时间各不相同，即存在 时延差。因此，经过一段光纤传输后的输出脉冲与输入脉冲相比，脉冲发生 展宽，这种效应称为模式色散。由于许多光通信系统传送由光脉冲组成的信 息，模式色散效应使速度很高的相邻脉冲发生重叠，导致不能进行脉冲的准 确识别。因此，多模光纤的高速率、宽频带的信息传输受到了限制。 如果光纤的直径只有所传光波长的几倍，则将只有一种光模式被传输， 暗尔滨工程天学硕士学位论文 这类光纤称为单模光纤。单模传输究全避免了模式色教，使传辕带宽大大嬲 宽。所以单模光纤适用于大容量、长距离的光纤通信。 本系统选矮长波长革摸蠢葵竞纾，主要覆困怒： ( 1 ) 单模光纤具有较宽的带宽，可以保证信号在传输过程中高频成分不 会丢失： ( 2 ) 光器件的发鼹趋势是单模化，使用单模光绎更骞剥予器件的兼容。 3 4 本章小结 本章厘点论述了光端机的两大缎成部分光发射机和光接收机的原理及设 计实现。荐先会缓了毙发射樵靛基本组成，然焘辩光发魅撬中熬驱动瞧路耧 自动功率控n ( a p c ) 实现方法进行了很详细的研究，不但设计出了分离元件组 成熬驱魂发a p e 毫踌，瞧瑁褰戏瓣方法实瑷电路。同露对两季孛瞧路都给密采 了试验数据，以此决定采用那种电路。接着介绍了光接收机的组成，蘑点论 述了对光电检测器( p 粼) 静黉求。戳为接收p i n 翔的是组件，所以对组件的 物璃指标进行了详细的说明。最后对描述熬个光接收机的性熊指标也充分的 给以介绍，另外对光纤类型的选择进行了说明。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章光纤线路编码及实现 4 1 光纤线路编码原理 在光纤通信中，线路编码是必要的，因为电端机输出的数字信号是适合 电缆传输的双极性码，而光源不能发射负脉冲，所以要变换为适合于光纤传 输的单极性码。线路码型变换是把原始的数字比特流转换成适合于传输煤质 传输的形式。因此，对于不同的传输煤质，有不同类型的线路码型。在光纤 通信系统中，既要考虑到光纤的传输特性又要考虑到光源器件和光检测器的 特性。 在数字光纤通信系统采用二进制二电平码，即用光脉冲的“有”和“无” 来表示数据的“1 ”和“o ”码线路编码的作用，是将传送码流转换成便于在 光纤中传输、接收及监测的线路码型。由于光源不可能有负光能，往往采用 “o ”，“1 ”二电平码。但简单的二电平码具有随信息随机起伏的直流和低频 分量，在接收端对判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的 要求。 4 1 1 对光纤线路码型的要求 一般说来，对光纤传输线路码型的选择主要考虑如下要求： ( 1 ) 序列独立。 这是对线路码型最基本的要求，既无论对光纤数字传输系统输入什么样 序列的二进制码流，在接收端进行码型反变换时，能唯一正确的恢复原信号。 ( 2 ) 能提供足够的定时信息。 由于在光纤数字传输系统的传输中，只传送信码，而不传送时钟，因此 在接收端，必须从收到的码流中提取出定时信息，以利于上述的定时提取。 必须限制线路码流中同符号连续数不能过大，也就是说，应避免长连o 及 长连“1 ”的出现，提高电平跳变的密度，是定时提取较为简单。 ( 3 ) 减少功率谱密度中的高低频分量。 线路码的功率谱密度中的低频分量是由码流中的“o ”、“l ”分布状态来 决定的，低频分量小，说明o 、1 分布比较均匀，直流电平比较恒定， 晗尔滨3 2 张大学琐士学位论文 也就是信号基线浮动小，有利于接收端判决电路的正常工作。高频分量怒由 线鼹强静速率决定鞠，这在繁宽( 琶敖) 袋裁系统中姆裂藿褥注意，在这释 系统中，中继距离主骚由光纤线路的总带宽( 总色散) 决定，如果线路码速 率提高黪太多，会谈孛继鼷离大大缭短。 ( 4 ) 溟羁锫煺小。 线路传输中发生的一个误码，往往使接收端的解礴( 反变换) 发生多个 错误，遮蓑是误筠镶璞，氇翻擞谈褥扩溪袋误褐增毽。盘予诿玛谣凄，接受 接收机磷达到艨要求的误码性能指标，必须付出光功潦代价，即光接收机灵 敏度劣像。霹忿误褥待增系数越小越荮。 ( 5 ) 艇选择嬲线路碣型应尽可能使设备熵单，降低系统的成本f 4 】。 当然还有熊它一烧要求，但对于本课鼷来说，主黧考虑的就是这些因索。 努多 藏嚣莲各耱系统孛采鬟戆竞绞路羁鍪来看，太多数考瘩了毙潆器传豹特 点及光调制的方便还肖接收端的简易型，采用了单极刑码或者说两电平码。 4 1 2 线路码型选择 光线蓬羁塑是瑟豢平、基繁、连续送行、曩定长发缝爵。姨交换援剽莓 分为字燮换型均非字变换型，平獬性型与不平衡型。它们可组合成两种常用 粥型。 4 1 ，2 字变换型平鬻谒 最典型的魁m b n b 码。m 、n 均为正熬数，髓n m ，一般n = m + i 。m 的墩 德毒戳鸯缀丈的莛戮。爨翔放l 到2 7 。 所谓字变换型，是将输入的m 比特c b i t ) 组作为一个码子，按变换码 表，在闵样长的时闻闻隔那，变换成n 托特一缀静输磁鹃予，毽此又稼为字 变换羁。鲶出鹕子中纳“1 ”、0 摊列可以与输入码予中的 j 列完全不同( 亦 允许部分相同) 。一般有i b 2 b 、2 8 3 b 、3 8 4 b 、5 8 6 b 、7 8 8 b 等等。其中t b 2 b 、 2 8 3 b 、3 8 4 b 遥建予低璐逮缒怒线髂羧系绫，嚣5 8 6 b 、7 b s b 等适台予裹秘速 的光纤传输系统。经m b n b 编码后的码速率是原始的码速率的n m 倍，而且编 鹳矗豹鹃字比源始磷字增熬了一定翡冗余，其中有2 “一爹个褥字泰被菠蕊， 葜中有一部分 乍为特殊的用途，另一部分岽被使用的码字称为“禁字”。 在m b n b 码中，由于按字位进行编码、译码，所毗随着字长的增加，码变 哈尔滨工糕大学颈七学搬论文 换的电路结构变得更加复杂，总的瓣来，m b n b 码的传输性能较好，“o ”和“l ” 分布较为鹭匀，奁滤奄平浮旗较小，定辩信塞丰鬻。诿碍稔溅整懿姆，可戳 利用“禁字”i 勺特点方便地进行在线的( 不间断业务的) 误碣检测。本文怒 秘帚8 b i o b 弼的编礴方式+ 所班弑筒要介缮这稚码子静特点。 输入麴原始