音频传输光纤通信系统的设计.doc

光纤通信系统课程设计报告题 目： 音频传输光纤通信系统的设计 系 别： 信息科学与技术系 专业班级： 光信0802 学生姓名： 胡亚京 指导教师： 周向阳 （课程设计时间：2012年1月4日2012年1月10日）华中科技大学武昌分校前言伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，光通信向大容量、长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。由于光波具有极高的频率 (大约3亿兆赫兹)，也就是说是具有极高的宽带，从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标所在。目前，全球数据业务量几乎半年就翻一翻，电信网、因特网和电视有线网(三网)合一的步伐正在加快，面对广大用户对通信网络容量提出的迫切要求，世界上许多国家的新建语音通信系统均采用光纤作为传输媒介，并且光纤语音通信亦正从低速系统向高速系统发展。随着光纤通信技术的发展，一个以微电子技术，激光技术，计算机技术和现代通信技术为基础的超高速宽带信息网将使远程教育、远程医疗、电子商务、智能居住小区越来越普及。光纤通信以其诸多优点将成为现代通信的主流，未来信息社会的一项基础技术和主要手段。光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前，光纤通信技术已有了长足的发展，新技术也不断涌现，进而大幅度提高了通信能力，并不断扩大了光纤通信的应用范围。1.波分复用技术CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）系统，即稀疏波分复用系统，或称粗波分复用技术，作为一种经济实用的短距离WDM传输系统，在城域网应用中越来越受到大家的认可并已经实用化。CWDM可应用于大都市和城域接入网，同时还可以应用于中小城市的城域核心网，在我国的实际应用中应该非常有前途。2.光纤接入技术光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的应用，统称FTTx。目 录1.课程设计的目的32.课程设计题目描述和要求33.课程设计报告内容33.1方案基本原理33.1.1半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路.23.1.2光导纤维的结构及传光原理.33.1.3 CWDM光纤通信系统的基本传输原理.43.2 系统的整体框图53.3 调试和验证63.3.1 调试63.3.2 验证64总结7参考文献8附录1：电路原理图9附录2：PCB图10 8音频传输光纤通信系统的设计1.课程设计的目的通过对光纤通信系统电路的安装调试，学习掌握以下知识：（1） 设计的整体流程及调试方法。（2） 熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法。（3） 掌握光功率计的设计思想。（4） 了解音频信号光纤传输系统的结构及选配各主要部件的原则。（5） 学习分析音频信号集成运放电路的基本方法。（6） 训练音频信号光纤传输系统的调试技术。（7） Protel绘制电路原理图及PCB印刷电路板图。（8） 各种常见元器件的选择及使用。（9） 了解CWDM视频传输的主要原理及操作方法。（10） 了解视频传输光纤传输系统的调试技术。2.课程设计题目描述和要求题目描述：音频信号光纤传输要求：能够正确安装和焊接。熟悉光收发模块的工作原理及调测方法。安装调测完成后将原理电路的工作过程、测试数据及遇到的问题与处理情况、体会等写出课设报告。拿到元器件后，用万用表对电子元器件进行参数测量、检察。安装之前画好布局、布线图，老师审查通过后才能焊接，焊接时，要焊点饱满、光洁，无虚焊、漏焊、错焊。题目描述：CWDM视频传输系统的设计要求：能够基本掌握CWDM系统的使用方法和调试能力，了解基本的CWDM系统传输原理及工作方法、安装调试测试完成之后将工作过程、测试数据及遇到的问题与处理情况、体会等写出课设报告。3.课程设计报告内容3.1 方案基本原理要保证接收信号与发送信号一样(不失真)，要求各种传输变换（光/电和电/光）都必须是线性变换。对于语音信号，频谱在3003400Hz范围.整个系统的幅频特性主要决定于发送器和接收器。LEDWR功 放图3-1 系统整体框图3.1.1半导体发光二极管结构、工作原理、特性及驱动、调制电路光纤通讯系统中，对光源器件在发光波长、电光效率、工作寿命、光谱宽度和调制性能等许多方面均有特殊要求。所以不是随便哪种光源器件都能胜任光纤通讯任务，目前在以上各个方面都能较好满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD），本实验采用LED作光源器件。图3-2 半导体发光二极管及工作原理光纤传输系统中常用的半导体发光二极管是一个如图所示的N-P-P三层结构的半导体器件，中间层通常是由GaAs（砷化镓）p型半导体材料组成，称有源层，其带隙宽度较窄，两侧分别由GaAlAs的N型和P型半导体材料组成，与有源层相比，它们都具有较宽的带隙。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异结。在图（1）中，有源层与左侧的N层之间形成的是p-N异质结，而与右侧P层之间形成的是p-P异质结，故这种结构又称N-p-P双异质结构。当给这种结构加上正向偏压时，就能使N层向有源层注入导电电子，这些导电电子一旦进入有源层后，因受到右边p-P异质结的阻挡作用不能再进入右侧的P层，它们只能被限制在有源层与空穴复合，导电电子在有源层与空穴复合的过程中，其中有不少电子要释放出能量满足以下关系的光子：h = E-E = E其中h上普朗克常数，是光波的频率，E是有源层内导电电子的能量，E是导电电子与空穴复合处于价健束缚状态时的能量。两者的差值 E与DH结构中各层材料及其组份的选取等多种因素有关，制做LED时只要这些选取和组份的控制适当，就可便得LED发光中心波长与传输光纤低损耗波长一致。图3-3 HFRB-1424型LED的正向伏安特性CwCRRRCCRWLEDRBG1RmA光纤IC1本实验采用HFBR-1424型半导体发光二极管的正向特性如图23-3所示与普通的二极管相比，在正向电压大于1V以后，才开始导通，在正常使用情况下，正向压降为1.5V左右。半导体发光二极管输出的光功率与其驱动电流的关系称LED的电光特性。为了使传输系统的发送端能够产生一个无非线性失真、而峰-峰值又最大的光信号，使用LED时应先给它一个适当的偏置电流，其值等于这一特性曲线线性部分中点电流值，而调制电流的峰-峰值应尽可能大地处于这电光特性的线性范围内。图3-4 LED的驱动和调制电路音频信号光纤传输系统发送端LED的驱动和调制电路如图3-4所示，以BG1为主构成的电路是LED的驱动电路，调节这一电路中的W2可使LED的偏置电流在0-50mA的范围内变化。被传音频信号由IC1为主构成的音频放大电路放大后经电容器C4耦合到基极，对LED原工作电流进行调制，从而使LED发送出光强随音频信号变化的光信号，并经光导纤维把这一信号传至接收端根据理想运放电路开环电压增益大（可近似为无限大）、同相和反相输入阻抗大（也可近似为无限大）和虚地等三个基本性质，可以推导出图6所示音频广大闭环增益为：G(j) = v/v = 1+Z/Z其中Z、Z分别为放大器反馈阻抗和反相输入端的接地阻抗，只要C选得足够小，C选得足够大，则在要求带宽的中频范围内，C 阻抗很大，它所在支路可视为开路，而C的阻抗很小，它可视为短路。在此情况下，放大电路的闭环增益G（j）=1+ R/R。C 的大小决定了高频端的截止频率f,而C的值决定着低频端的截止频率f。故该电路中的R、 R、R和C、C是决定音频放大电路增益和带宽的几个重要参数。3.1.2 光导纤维的结构及传光原理光纤按其模式性质通常可以分成两大类单模光纤多模光纤。无论单模或多模光纤，其结构均由纤芯和包层两部分组成。纤芯的折射率较包层折射率大，对于单模光纤，纤芯直径只有510m，在一定的条件下，只允许一种电磁场形态的光波在纤芯内传播，多模光纤的纤芯直径为50m或62.5m，允许多种电磁场形态的光波传播；以上两种光纤的包层直径均为125m。按其折射率沿光纤截面的径向分布状况又分成阶跃型和渐变型两种光纤，对于阶跃型光纤，在纤芯和包层中折射率均为常数，但纤芯一包层界面处减到某一值后，在包层的范围内折射率保持这一值不变，根据光射线在非均匀介质中的传播理论分析可知：经光源耦合到渐变型光纤中的某些光射线，在纤芯内是沿周期性地弯向光纤轴线的曲线传播。本设计采用阶跃型多模光纤作为信道，现应用几何光学理论进一步说明这种光纤的传光原理。阶跃型多模光纤结构如图所示，它由纤芯和包层两部分组成，芯子的半径为a，折射率为，包层的外径为b，折射率为,且。图3-5 阶型多模光纤的结构示意图当一光束投射到光纤端面时，进入光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面包含光纤轴线的称为子午射线，这类射线在光纤内部了行径，是一条与光纤轴线相交、呈“Z”字型前进的平面折线；若藉合到光纤内部的光射线在光纤入射端面处的入射面不包含光纤轴线，称为偏射线，偏射线在光纤内部不与光纤轴线相交；其行径是一条空间折线。3.1.3 CWDM光纤通信系统的基本传输原理波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。CWDM和DWDM的区别主要有二点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。 实现光波分复用和传输的设备种类很多，各个功能模块都有多种实现方法，具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。总体上看，在DWDM系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。3.2系统整体框图SPDRI/V变换RE信号源光纤图3-6示给出了一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图，它主要包括由LED及其调制、驱动电路组成的光信号发送器、传输光纤和由光电转换、IV变换及功放电路组成的光信号接收器的三个部分。图3-6 音频信号光纤传输系统原理图音频信号经过前置放大电路：本实验采用中心波长0.85m附近的GaAs半导体发光二极管（LED）作光源、峰值响应波长为0.80.9m的硅光二极管（SPD）作光电检测元件。由于光导纤维对光信号具有很宽的频带，故在音频范围内，整个系统的频带宽度主要决定于发送端调制放大电路和接收端功放电路的幅频特性。图3-7 系统的整体框图3.3 调试和验证3.3.1 调试（1）、确定电路方案，进行理论上的分析和计算。（2）、估算参考点信号值。（3）、确定电路焊接没有错焊、漏焊、虚焊。3.3.2 验证（1）、用万用表测得模块的电源、地连接正确，各部分连接点正确（2）、用示波器或者万用表测量歌连接点电压值正确，用示波器测量光发送端和光接收端型号。（3）、将光发送端、光接收端分开测试。（4）、电路测试完全正确。4总结从1月4日到1月9日，我们进行了为期二周的课程设计终于结束了，这次的课程设计给我们很大的收获，从对模拟电路的理论分析，和基本音频电路的调制与设计。在设计的初期由于我们的失误，没有充分的认识到光模块的使用方法和注意事项。导致我们在设计初期的考虑过于简单，然后在调试的时候无法出现任何的现象。在这里我想感谢我们的辅导老师，在他不断的解释和点拨下我们才渐渐的了解到光模块在整个电路设计中的地位和作用. 调试是整个电路中最复杂的，从一开始的电路放大到最后的信号发送都大大小小的出现过一些问题。由于一开始使用的电压过低，导致放大的电压上限值只有3V的峰峰值。同时我们在设计之时没有加入太高电压导致使用信号发生源测试之时信号输入时产生了负电压。在抬高电压的设计之时我们出现了一些小的失误，我们起初的想法是用加法器做一个电压的加法，但是经过加法器之后不但产生了相应的压降和相应的杂波干扰。究其原因是通过PN节之后产生了压降，同时我们发现两个电压相加在直接叠加上和用加法器叠加相差不大。但是为了整个系统的稳定性考虑我们采用三极管相加。 其实将音频型号直接通过放大与通过带通滤波器上的信号差别不大，