光纤通信毕业设计.doc

学 位 论 文基于光纤通信实验平台的计算机数据传输实现作 者 姓 名： 学 科 专 业： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 38诚信申明本人申明：本人所提交的毕业设计（论文）基于光纤通信实验平台的计算机数据传输实现的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计（论文）中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并为我在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。特此申明。本人签名： 年 月 日基于光纤通信实验平台的计算机数据传输实现摘要随着计算机技术和光纤通信技术各自的进步，以及社会对于将计算机结成网络以实现资源共享的要求日益增长，计算机技术与光纤通信技术也已紧密地结合起来，成为了社会的强大物质技术基础。现代社会，计算机光纤通信已经越来越多地应用到了社区及办公局域网中。光纤通信系统最重要的部分是光发射机、信道和光接受机三个模块。串口通信的关键是电路和通信协议。在实验室条件下，虽然串口的通信速度不高，但是用作实验研究计算机之间的光纤通信的工具已经足够。因此，本设计选定串口作为通信口，设计了光线通信系统的部分重要电路，并着重编写了一个用来调试和监控串口工作状态的串口调试工具。最后在实际的实验电路中验证了系统的合理性。关键词：光纤通信技术，计算机通信技术，接口技术，RS-232The realization of computer data exchange based on optical fiber communication experimental platformABSTRACTWith the development of Computer Technology and Optical-fiber Communication Technology and the great need of computer net working and sharing resources, these two techs have dynamically combined together and become the vital material fundamental of the society. In modern times, computer-optical-fiber communication is widely applied into the local area network of communities and offices.The most important modules of an Optical-fiber Communication System are optical transmitter, tunnel and optical receiver. And the key to Serial Port Communication is the circuits and protocols. Though the speed of serial port is not fast, its still enough for experimental research. So this design chose serial port as the communication port, and we designed the key circuits of those three modules, and then focused on programming software which would debug and monitor the serial port in VB language. At last verified the system in real circuits.Key words: Optical-fiber communication tech, computer communication tech, Interface technology, RS-232目 录1. 引言11.1 课题背景11.2 光纤通信技术11.2.1 光纤通信概念11.2.2 光纤通信发展简史21.3 光纤通信的优点31.4 光纤通信技术的发展前景42.串口通信及RS2-32简介72.1 串口通信的概念72.2 通信协议72.2.1 物理接口标准82.2.2 软件协议92.3 RS-232简介93.系统设计93.1 整体设计93.2 光发射机93.2.1 光源93.2.2 调制电路和控制电路93.2.3 线路编码电路93.3 光接收机93.3.1 光检测器93.3.2放大器93.3.3 均衡和再生93.4 串口调试工具94.硬件电路设计94.1 接口转换电路94.2 光调制和驱动电路94.3 前置放大电路94.4 均衡电路95.软件设计95.1 程序流程图95.1.1 发送程序流程图95.1.2 接收程序流程图95.2 发送程序设计95.2.1 手动发送字符/数据程序95.2.2 自动发送字符/数据程序95.2.3 发送文件95.3 接收程序95.4 数据存储96. 结论97. 参考文献98. 致谢91. 引言1.1 课题背景光纤通信技术光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。在现代社会，光纤通信越来越多地与另一种通信方式计算机通信联系在了一起，二者一同成为办公自动化，局域网办公，网络资源共享，社区网络通信甚至是建设信息高速公路的核心技术。这两种技术也成了当下的热门研究课题。计算机可以通过串行接口进行通信，虽然这样的通信方式传输距离短，速度慢。但是，串口通信简单易行，容易在实验平台上与通信系统进行通信，对于研究计算机通过光纤进行的通信有非常好的指导意义。因此，本文考虑通过设计一个能够收发字符串和文本文件的串口调试工具，使用现有的实验设备，通过串口连接来实现进行计算机的数据交换。1.2 光纤通信技术1.2.1 光纤通信概念所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式（IM-DD）。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件(LED)，则LED 就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。1.2.2 光纤通信发展简史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，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。在六十年代中期以前，人们虽然历经苦心研究过光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因它们或者衰耗过大或者造价昂贵而无法实用化。也就是说历经几百年人们始终没有找到传输光波的理想传送媒体。一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE 杂志上发表了一篇十分著名的文章用于光频的光纤表面波导，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结 （即阶跃光纤）。更重要的是科学地语言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km 以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在1000dB/km 以上。对于制造衰耗在20dB/km 以下的光纤，被认为是可望不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆预言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。1970年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相沉积法（MCVD 法）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约20dB/km，而且几个小时之后便损坏了。但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的，也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体，是光通信研究的重大实质性突破。自1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。从光纤的衰耗看：从70年的20 dB/km降至90年的0.14dB/km，这个数值已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。从光器件看：1970年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也从简单的硅PIN 光二极管发展到量子效率达90的-族雪崩光二极管APD。从光纤通信系统看：正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的迅猛发展。1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45 Mb/s，中继距离为10 km。1980 年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。1990 年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565 Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准。1993年，SDH 产品开始商用化（622Mb/s 以下）。1995年，2.5Gb/s 的SDH 产品进入商用化阶段。1996年，10Gb/s 的SDH 产品进入商用化阶段。1997年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH 产品试验取得重大突破。此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。总之，从1970年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。1.3 光纤通信的优点光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有无以伦比的优越性。1. 通信容量大从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24 万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。2. 中继距离长由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km 以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。据报导，用一根光纤同时传输24 万个话路、100 公里无中继的试验已经取得成功。此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120 万个话路、6000 公里无中继的水平。因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。3. 保密性能好光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。4. 适应能力强适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）等。5. 体积小、重量轻、便于施工维护光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。6. 原材料来源丰富，潜在价格低廉制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。1.4 光纤通信技术的发展前景光纤通信从1970年真正起步，迄今为止虽然仅有近三十年的时间，但光纤通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通信系统的水平都取得了极其惊人的进展，它已经成为现代通信最主要的传输手段。光纤的衰耗从刚开始的20dB/km,而现在已经低达0.14dB/km，它已经十分接近石英光纤的理论衰耗极限0.1dB /km,光纤的带宽也从刚开始的10MHZkm 发展到现在1000GHZkm 以上。光源器件从刚开始的结构十分简单、发光功率只有几十微瓦、寿命仅几小时的GaAs 激光器发展到现在的发光功率在1毫瓦以上、寿命达几十万小时的分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。光纤通信系统的水平也在不断地提高，从一九七六年的45Mb/S发展到现在的10Gb/S。一九八五年多模光纤通信商用化，一九九0年单模光纤通信又迅速商用化，而现在技术更加先进的SDH 光纤通信已经席卷世界各地。但是，光纤通信的潜力是巨大的，我们目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的12左右。因此光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高层次的方向发展。1. 波分复用技术（WDM）所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波如1、2、3、4，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输，而在接收端用分波器把几种光波分离开，分别输入到各个分系统的光接收机。可以看出波分复用的关键技术是光波的合波器与分波器。近几年已经出现几种形式的合波器与分波器，如半透镜与滤光片、自聚焦棒与滤光片以及平面光栅与偏振光栅等。2. 相干光通信迄今为止我们所应用的光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，它只相当于原始的无线通信所使用的调制与解调技术。在此方式下，光源器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限而难以再提高，适应不了超大容量、超长距离通信的要求。所谓相干光通信，就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法如FSK、ASK 和PSK 对之进行调制。在收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混频器上进行混频与差频，然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。相干光通信技术一则可以增大光纤的传输容量，二则可以大大提高光接收机的灵敏度（可提高1020dB）。相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。由发送端的光源和接收端的本振光源所发出的光，必须谱线十分狭窄（接近单频）、频率十分稳定、相位也非常恒定，否则无法进行混频与差频。此外，本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配，这就要求光纤应该是偏振保持光纤。3. 超长波长光纤通信石英光纤的衰耗目前已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。经研究发现，氟化物光纤在波长3.4 微米处的衰耗理论极限，可低达103 dB/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论极限可低达102105dB/km，若真的实现光纤衰耗小于103 dB/km，中继距离可达三万多公里，那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。人们把波长大于2 微米的通信称为超长波长光纤通信。4. 光集成技术它和电子技术中的集成电路相类似，是把许多微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上，构成具有复杂性能的光器件；还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂功能的光电部件如光发送机与光接收机等。采用光集成技术，不仅使设备的体积、重量大大减少，而且提高了稳定性与可靠性。5. 光孤子通信我们知道，通信容量越大，要求光脉冲越窄，如2.5Gb/s 系统的光脉冲宽度约为400ps。窄光脉冲经光纤传输后因光纤的色散作用而出现脉冲展宽现象而引起码间干扰，因此脉冲展宽一直是制约大容量、长距离传输的关键因素。经研究发现，当注入光强密度足够大时会引起光脉冲变窄的奇特现象，其光脉冲宽度可低达几个ps，即所谓光孤子脉冲。因此用孤子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。2.串口通信及RS2-32简介2.1 串口通信的概念所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串并）和“发送移位寄存器”（并串）。在数据输入过程中，数据一位一位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。（并行读取，即D7D0同时被读至累加器中）。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时钟”确定。在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据一位一位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。能够完成上述“串并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器” （UART：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），典型的芯片有：Intel8250/8251。2.2 通信协议所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于ISOS OSI七层参考模型中的数据链路层。目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。其中，面向字节计数的同步协议主要用于DEC公司的网络体系结构中。2.2.1 物理接口标准1. 串行通信接口的基本任务（1）实现数据格式化：因为来自CPU的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。（2）进行串并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。（3）控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进行选择和控制的能力。（4）进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。（5）进行TTL与EIA电平转换：CPU 和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。（6）提供EIA-RS-232C 接口标准所要求的信号线：远距离通信采用MODEM 时，需要9根信号线；近距离零MODEM 方式，只需要3 根信号线。这些信号线由接口电路提供，以便与MODEM 或终端进行联络与控制。2. 有关串行通信的物理标准为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：传输率，电特性，信号名称和接口标准。1、传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率系列为110、300、600、1200、4800、9600 和19200。大多数CRT 终端都能够按110 到9600范围中的任何一种波特率工作。打印机由于机械速度比较慢而使传输波特率受到限制，所以，一般的串行打印机工作在110 波特率，点针式打印机由于其内部有较大的行缓冲区，所以可以按高达2400波特的速度接收打印信息。大多数接口的接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且，可以通过编程来指定。2、RS-232-C标准：RS-232-C 标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS-232C 采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，RS-232-C 将-5V-15V 规定为“1”，+5V+15V规定为“0”。图2.1所示是TTL 标准和RS-232-C标准之间的电平转换。图2.1 电平转换2.2.2 软件协议1. OSI协议和TCP/IP协议（1）OSI 协议OSI七层参考模型不是通讯标准，它只给出一个不会由于技术发展而必须修改的稳定模型，使有关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互配合。一般的通讯协议只符合OSI七层模型的某几层，如EIA-RS-232-C：实现了物理层；IBM 的SDLC（同步数据链路控制规程）：数据链路层；ANSI 的ADCCP（先进数据通讯规程）：数据链路层；IBM 的BSC（二进制同步通讯协议）：数据链路层；应用层的电子邮件协议SMTP只负责寄信、POP3 只负责收信。（2）TCP/IP协议实现了五层协议。（1）物理层：对应OSI 的物理层。（2）网络接口层：类似于OSI的数据链路层。（3）Internet 层：OSI 模型在Internet 网使用前提出，未考虑网间连接。（4）传输层：对应OSI 的传输层。（5）应用层：对应OSI 的表示层和应用层。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层（硬件）图2.2 OSI七层网络模型2. 串行通信协议串行通信协议分同步协议和异步协议。（1）异步通信协议的实例起止式异步协议特点与格式：起止式异步协议的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。其格式如图3 所示。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值0），字符本身有57 位数据位组成，接着字符后面是一位校验位（也可以没有校验位），最后是一位，或意味半，或二位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。（2）面向字符的同步协议特点与格式：这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议(BSC）。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10 个字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的协议。2.3 RS-232简介 RS232是串行通信接口标准，最早是美国EIA(电子工业联合会）与BELL等公司一起开发并于1969 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。RS232串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。但都是在RS-232C标准的基础上经过改进而形成的。所以，以RS-232C为主来讨论。RS-232C 标准（协议）的全称是EIA-RS-232C 标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（recommended standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232 的最新一次修改（1969）。在这之前，有RS232B、RS232A。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。常用的物理标准还有EIARS-232-C、EIARS-422-A、EIARS-423A、EIARS-485。这里只介绍EIARS-232-C（简称232，RS232）。例如，目前在IBM PC 机上的COM1、COM2 接口，就是RS-232C接口。1.电气特性EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V以上规定说明了RS-323C 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平告语+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V 时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V 之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在(315)V 之间。EIA-RS-232C与TTL转换：EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL 器件连接，必须在EIA-RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA 电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA 电平到TTL电平的转换。MAX232 芯片可完成TTLEIA 双向电平转换。2、RS-232C的接口信号RS-232C 标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是：（1）联络控制信号线：数据装置准备好（Data set ready-DSR)有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。请求发送(Request to send-RTS)用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON 状态），向MODEM 请求发送。它用来控制MODEM 是否要进入发送状态。允许发送（Clear to send-CTS）用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS 的响应信号。当MODEM 已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TXD 发送数据。这对 RTS/CTS 请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS 联络信号，使其变高。接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE 准备接收数据。当本地的MODEM 收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD 信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字数据后，沿接收数据线RXD送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier detection-DCD）线。振铃指示(Ringing-RI)当MODEM 收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。（2）数据发送与接收线：发送数据(Transmitted data-TXD)通过TXD终端将串行数据发送到MODEM，(DTEDCE)。接收数据(Received data-RXD)通过RXD线终端接收从MODEM发来的串行数据，(DCEDTE)。（3）地线有两根线SG、PG信号地和保护地信号线，无方向。上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只有当DSR 和DTR 都处于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE 之间进行传送操作。若DTE要发送数据，则预先将DTR线置成有效(ON)状态，等CTS线上收到有效(ON)状态的回答后，才能在TXD 线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE 已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送。2个数据信号：发送TXD；接收RXD。1个信号地线：SG。6个控制信号：DSR�：振铃信号Ringing当DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效，通知DTE已被呼叫。3.串口通信的基本接线方法目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需附加调制解调器（MODEM）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。（1） DB9和DB25的常用信号脚说明表2.1 DB9和DB25的常用信号说明9针串口（DB9）25针串口（DB25）针号功能说明缩写针号功能说明缩写1数据载波检测DCD8数据载波检测DCD2接收数据RXD3接收数据RXD3发送数据TXD2发送数据TXD4数据终端准备DTR20数据终端准备DTR5信号地GND7信号地GND6数据设备准备好DSR6数据设备准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清除发送CTS5清除发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL（2） RS232C串口通信接线方法（三线制）首先，串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连 同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连对9针串口和25针串口，均是2与3直接相连； 两个不同串口（不论是同一台计算机的两个串口或分别是不同计算机的串口）表2.2 计算机标准串行口接线方式9针9针25针25针9针25针233222322333557757上面表格是对微机标准串行口而言的，还有许多非标准设备，如接收GPS数据或电子罗盘数据，只要记住一个原则：接收数据针脚（或线）与发送数据针脚（或线）相连，彼些交叉，信号地对应相接。3.系统设计3.1 整体设计本系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号是数字信号（计算机串口数据）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。系统框图如图3.1所示。光纤光纤PC机电发射端机输入接口光发端机光收端机PC机电接收端机输出接口图3.1 光纤通信系统模型光发端机将电信号直接调制至光载波上去，采用强度调制（IM）；光接收机完成光信号的解调，采用直接检测（DD），属于非相干解调。光载波由半导体光源产生，由半导体光检测器将光信号转换成电信号从而达到传输信号的目的。系统传输部分的原理框图如图3.2 所示。图3.2 传输原理框图3.2 光发射机数字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带信号转换为光信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。数字光发射机的方框图如图3.3所示，主要有光源和电路两部分。光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着光发射机的性能。输入接口线路编码调制电路光源控制电路电信号输入光信号输出图3.3 数字光发射机方框图3.2.1 光源对光源的要求如下：（1） 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波长应在0.85um，1.31um，1.55um附近。光谱单色性要好。（2） 电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。（3） 允许的调制速率要高或相应速度要快。（4） 温度特性好，可靠性高，寿命长目前，不同类型的半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）可以满足不同应用场合的要求。本设计选用的是半导体激光器作为光源。3.2.2 调制电路和控制电路直接光强调制的数字光发射机主要电路有调制电路、控制电路和线路编码电路。因为本设计选用的是LD作为光源，所以还需要偏置电路。对调制电路和控制电路的要求如下：（1） 输出光脉冲的通断比（全“1”码平均光功率和全“0”码平均光功率的比值，或消光比的倒数）应大于10，以保证足够的光接收信噪比。（2） 输出光脉冲的宽度应远大于开通延迟（电光延迟）时间，光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形。（3） 对激光器应施加足够的偏置电流，以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛震荡，保证发射机正常工作。（4）应采用自动功率控制（APC）和自动温度控制（ATC），以保证输出光功率有足够稳定性3.2.3 线路编码电路线路编码之所以必要，是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。数字光纤通信系统常用的线路码型有：扰码、mBnB码和插入码。本设计采用的是mBnB码型。其编码规则如下表所示：表3.1 3B4B码编码规则3B0000010100111001011101114B100110001011101001010100011101103B4B编码电路的主要作用是将送来的串行数据流以3bit为一组，转换成4bit为组的码流，并以串行形式送出。图3.4示出了编码电路原理框图。送来的串行数据首先要进行串并转换，并通过锁存器来改变信号的波形，使各路信号在时间上与宽度上统一起来，以免在将来的信号逻辑处理时产生漏码与错码，然后将锁存后得到的3bit一组的码字送给编码电路。在上面的编码规则下，3B4B编码电路变得非常简单，只要用两个反相器即可实现。时钟（f）串行数据三分频电路触发器4/3f时钟发生器串并转换1锁存器1串并转换串行送出信号图3.4 3B4B码编码框图为了将原信号进行同步分组，需将信号时钟3分频来控制锁存器和并串转换电路，使锁存器每3个周期更新一次。同时用分频后的信号触发不可重触发器产生与分组信号相对应的负的窄脉冲，以控制频率为4/3 f(f为原串行数据的频率)的振荡器，该窄脉冲必须相当窄，而使振荡器停振的时间相当于其振荡周期的1/8以下。这样在3分频信号的控制下，并串转换过程就与原信号同步，即4B并行码每存入一次，在新时钟信号的触发下，串行脉冲在转换器中就移动4次，依次不断循环，形成并串转换，得到的串行信号即为编码后的码流。图3.5所示为相应的译码原理框图。串行编码信号并串转换f时钟发生器锁存器4/3f时钟发生器同步分组信号提取触发器串并转换1译码后信号图3.5 3B4B码译码框图 码流经延时并异或后得到的是一系列窄脉冲，触发不可重触发器，将每组中除第一个脉冲以外的其它脉冲全部盖掉，为此需要适当调节触发器的电阻及电容参数，从而获得同步分组信号。这些信号也是一系列窄脉冲，它们经再触发后获得同频率的更窄脉冲，用这些脉冲一方面控制两个频率(f和43f)的振荡器，以获取同步时钟信号作为串并及并串转换电路的时钟 另一方面，由于在译码时同样要设置锁存电路来改善信号的波形，以保证译码的正确，用同步信号控制锁存器就可得到时间及宽度上统一的4 bit码字。把每组码字中的第一比特舍去，第四比特取反就能得到同步的3比特码字，再经过并串转换后就恢复出原来的信号。3.3 光接收机直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图3.6，主要包括光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制（AGC）光检测器判决器时钟提取光检测器偏压控制AGC电路前置放大器主放大器图3.6 数字光接收机框图3.3.1 光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：（1） 波长响应要和光纤低损耗窗口（0.85um、1.31um和1.55um）兼容；（2） 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；（3） 噪声要尽可能低，能接受极微弱的光信号；（4） 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩二极管（APD）。3.3.2放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前置放大器的噪声取决于放大器的类型，具体电路