模拟信号数字光纤传输系统的设计

太原科技大学 毕 业 设 计（论 文） 题目： 模拟信号数字光纤传输系统的设计 姓 名 张 耀 生 学 号 200522080225 学院（系） 华科学院信息系 专 业 通信工程 班 级 052202H 指导教师 王 华 夏 2009年 6 月 13 日 太原科技大学 毕业设计 （论文） 太原科技大学毕业设计（论文）任务书 学院（直属系）：华科学院信息系 时间： 2009年 4月 6日 学 生 姓 名 张耀生 指 导 教 师 王华夏 设计（论文）题目 模拟信号数字光纤传输系统的设计 主要研 究内容 查阅资料，完成文献综述，撰写开题报告； 掌握 A/D、 D/A转换器以及 CPLD的 功能和作用 ，学习 MAXPLUS 软件的具体应用 ,应用 VHDL语言 ； 设计基于 CPLD的 数字光纤传输系统的收发模块，并进行软件仿真。 研究方法 在 采样速率为 1Msps 下 设计基于 CPLD 的 数字光纤传输系统的发送和接收部分 ； 采用 MAXPLUS 软件对所设计电路的程序 进行仿 真 。 主要技术指标 (或研究目标 ) 熟悉数字光纤传输系统的各 个 组成部分，掌握 A/D、 D/A转换器以 及 CPLD 的 功能和作用 。 教研室 意见 教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日 说明：一式两份， 一份装订入学生毕业设计（论文）内 ，一份交学院（直属系）。太原科技大学 毕业设计 （论文） I 目 录 摘要 . III Abstract . IV 第 1章 绪论 . - 1 - 1.1 本课题基本概念 . - 1 - 1.2 本课题研究的目的和意义 . - 1 - 1.3 本课题国内外研究现状 . - 2 - 1.4 课题研究的主要任务、要求及总体结构 . - 3 - 1.4.1 课题研究的主要任务 . - 3 - 1.4.2 课题研究的要求 . - 3 - 1.4.3 课题研究的总体结构 . - 3 - 第 2章 系统设计理论基础 . - 5 - 2.1 光纤线路编码 . - 5 - 2.1.1 光纤数字通信系统对线路编码的要求 . - 5 - 2.1.2 8Bl0B 线路码型 . - 5 - 2.2 多路复用技术 . - 6 - 2.3 PECL接口电路 . - 7 - 2.3.1 PECL 电路的特点 . - 7 - 2.3.2 PECL 级传输线路设计 . - 7 - 2.4 光发射机与光接射机 . - 8 - 2.4.1 光发射机 . - 8 - 2.4.2 光接射机 . - 9 - 2.5 同步技术 . - 11 - 2.5.1 位同步 . - 12 - 2.5.2 帧同步 . - 12 - 第 3章 系统模块的连接 . - 14 - 3.1 A/D 转换模块与 D/A 转换 模块 . - 14 - 3.1.1 AD574A 特点 . - 14 - 太原科技大学 毕业设计 （论文） II 3.1.2 AD574A 管脚 . - 14 - 3.1.3 A/D 转 换模块电路 . - 15 - 3.2 D/A 转换模块 . - 15 - 3.2.1 D/A 转换器原理及接法 . - 15 - 3.2.2 D/A 转换模块电路 . - 16 - 3.3 CPLD 模块 . - 16 - 3.3.1 CPLD 的概述 . - 16 - 3.3.2 MAX7000S 功能特性及其内部结构 . - 17 - 3.3.3 CPLD 芯 片的连接电路 . - 18 - 3.4 编 /译码模块 . - 19 - 3.4.1编码模块 . - 19 - 3.4.2 译码模块 . - 19 - 3.5 光 /电、电 /光转换模块 . - 20 - 3.5.1 光收发模块结构及功能 . - 21 - 3.5.2 光收发模块连接电路 . - 21 - 第 4章 系统的软件设计 . - 22 - 4.1 EDA 技术概述 . - 22 - 4.2 开发软件介绍 . - 22 - 4.2.1 MAX+PLUS II 简史 . - 22 - 4.2.2 MAX+PLUS II 具 有的特点 . - 22 - 4.3 MAX+PLUSII 设计流程 . - 23 - 4.4 软件设计思想 . - 23 - 4.5 程序部分 . - 25 - 4.6 仿真结果 . - 27 - 第 5章 结论 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 致谢 . - 30 - 太原科技大学 毕业设计 （论文） III 模拟信号数字光纤传输系统的设计 摘要 光纤通信技术是一种广泛应用的信号传输技术。所以对于该技术的研究也在不断发展。本文是在借鉴前人研究的成果上，设计出了一套关于模拟信号的数字传输系统。 系统主要采用了 CPLD(大规模可编程逻辑器件 )和专用的编解码芯片运用时分复用技术实现多路数据传输，依靠同 步标志实现系统的同步功能。集成芯片的应用使设计简单而功能强大。本文对光收发模块、编译码原理及实现和CPLD的开发都进行了详细的论述。另外，在完成本系统的软件编程过程，了解了 VHDL语言的基本应用。 在以往此类系统的设计中，很多电路多用硬件实现，这样提高了成本。而本文在数据传输部分则是采用软件来实现的 ,经济且容易控制。 最后通过对系统的调试证明了系统的有效性和可行性，从而达到了设计要求并期望能最终运用到实际中 。 关键词 ： 光纤传输，时分复用 太原科技大学 毕业设计 （论文） IV The Design of Fiber System for analog signal Abstract The fiber optic communications technology is a kind of widespread application signaling technology. Therefore, this research of technology is also gradually developing. This article which profits from the predecessors achievement designed a set of the simulated signal digital system. The system mainly uses CPLD (Complex Program Mable Logic Device), special-application encoder and decoder to realize TDM of multiplex digital signals transmission and relies on the symbol of synchronization to realize the synchronization of the system. The article made detailed discussion for transmitter, receiver, theory of encoder/decoderand the exploitation of CPLD. In addition, it has designed isolated circuit interfacing the exterior data, which could improve the system in security. In the course of this kind of systematic designs, a lot of electric circuit is realized by multipurpose hardware and enhance the cost. However, this article is completed with the software in the part of data transmission. Finally, it has proved validity and the feasibility to debugging of system, and has achieved the design requirements and expected to apply to reality. Key words ： Optical transmission， TDM 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 本课题基本概念 通信就是各种信息的转移或传递。通常的做法是首先将要传递的信息设法加载 (或调制 )到某种载 体上，然后再将此调制的载体传送到目的地后，将信息从载体中解调出来。在通信系统中，发送信息端叫信源，接收端叫信宿，信源的信号经过调制后通过电缆和电磁波发送到信宿端，在信宿端将接收信号解调以实现信号的恢复，从而完成信号的传输 1。 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 2。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- 1.8um，频率为 167-375THz3。 1.2 本课题研究的目的和意义 随着通信技术的发展，所需要传输的信息量大量增多，需要传输的信号种类也在增加，信号的传输要求增多，传输距离也在变长， 在高压脉冲大电流放电的环境下要无失真的传输数据，首先，要对整个系统进行抗干扰研究，保证信号在没有受干扰的情况下进入传输过程。其次，在传输过程中，选取的介质要抗强电磁干扰，而光纤在抗电磁干扰方面显然要优于金属传输介质。 诸多军事科研项目实验和产品应用是在高压脉冲大电流脉冲情况下， 环境较恶劣，传统电缆等信号传输途径难以在此类环境中正常工作。电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。 光纤通信用的近红外光 (波长约 1 m)的频率 (约 300 THz)比微波 光纤通信与传统的电缆相比具有一系列明显的优点： 1.允许的 频带很宽 ，传输容量很大。 2.损耗很小 ,中继距离很长且误码率很小。 3.重量轻 、 体积小 。 4.良好的抗电磁干扰性能 。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 2 - 5.光纤 之间的串扰小，信号传输质量高 4。 1.3 本课题国内外研究现状 光纤通信是近 30年迅猛发展起来 的高新技术，从一开始就显示出无与伦比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注并得到迅速的发展。自 70年代以来，光纤通信技术不仅在电信等民用领域得到了广泛的应用，且因其独特的频带极宽和通信容量大、衰减小等优点，使得光纤通信技术至今已发展为举世瞩目的独立的新兴产业，给通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大的变革 5。 1. 波分复用技术 波分复用技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率或波长不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复 用器 (合波器 )将不同规定波长的信号光载波合并起来送入 1 根光纤进行传输。在接收端，再用 1 个波分复用器 (分波器 )将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式 。 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进入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 FTTX6。 迄今已经在 30 多个城市建立了试验网 和试商用网，包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型，也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式，发展势头良好。很 多城市制订了 FTTH的技术标准和建设标准，有的城市还制订了相应的优惠政策，这些都为 FTTH 在我国的发展创造了良好的条件 7。 3. 超大容量、超长距离传输技术 对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，而全光网络也是人们不懈追求的梦想。波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量，在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景 8。近年来波分复用系统发展迅猛，同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用技术 9。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 3 - 4. 光孤子通信 光孤子是一种特殊的超短光脉冲，由于它在光纤的反常色散区，群速度色散和非线性效应相互平衡，因而经过光纤长距离传输后，波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信，在零误码情况下信息传递可达万里之遥 10。 5. 全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结 点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题 11。 1.4 课题研究的主要任务、要求及总体结构 1.4.1 课题研究的主要任务 本课题研究的主要任务是设计模拟信号数字光纤传输系统。实现一路模拟信号的数字传输。采用时分复用方式对模 /数转换后的多路数字信号进行传输，同时必须考虑接收部分的同步问题， 接收端对接收到的信号解时分复用。 要求本设计给出一定的解决办法。 该设计在对前人研究的基础上做了一定的改进：经过A/D 和 D/A 转换器的信号采用了现场可编程逻辑阵列 CPLD 来实现多路信号的时分复用和解时分复用，降低了对硬件的要求。同时通过 CPLD 控制信号的输出取得发射接收的同步。论文采用 8B10B 码型变换在编、译码器中变换成适宜在光纤中传输的信号。在论文完成最后，应用 VHDL 语言完成论文程序的编写，同时得出仿真结果 。 1.4.2 课题研究的要求 本课题的要求是 1.通信设备的信道带宽要宽。 2.符合发射接收的同步要求。3.系统的采样速率为 1Msps。 1.4.3 课题研究的总体结构 根据课题所提出的具体要求，可画出整个系统的结构框图如图 1.1。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 4 - 图 1.1 系统的结构框图 A/D转换器 电 /光转换 编码 器 CPLD 模拟信号 电信号 光信号 光 /电转换 电信号 解码器 CPLD D/A转换器 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 5 - 第 2 章 系统设计理论基础 2.1 光纤线路编码 2.1.1 光纤数字通信系统对线路编码的要求 在光纤数字通信系统中，一般不直接传输由 PCM 电端机传送过来的接口码，而要经一定的码型变换，使之成为适合光纤数字通信传输要求的线路码 12。 对光纤数字通信系统采用的线路码有以下几点主要要求： 1. 能限制信号带宽，减小功率谱中的高、低频分量； 2. 能给接收端提供足够的定时信息； 3. 能对光端机和光中继器进行不中 断业务的误码检测； 4. 能提供传输一定数量的辅助信号和区间通信信道。 2.1.2 8Bl0B 线路码型 将输入的原始码流进行分组，每组有 8个二进制码，记为 8B码，称为一个码字，经过这样的分组，共有 28=256个码字，变换为 10个二进制码，记为 10B码，共有 210=1024个码字。为简化对它们的处理，开发了一种 8B/l0B编码的简写符号 : 1. D分组，用于数据字节编码； 2. K分组，用于特殊控制符号编码。 下图描述了数据字节 (8B)到代码字 (10B)的映射。发送和接收时第 0位在先第 9位最后。 8位的 数据字节用 ABCDEFGH表示 (从最低位到最高位 )。编码器将这 8位数据码变换为 10位码，用 abcdeifghj表示。代码字分为两个子分组，一组包括 6个代码位 (abcdei)，另一组包括 4个代 码位 (fghj)。一个给定的代码用简写形式Dx.y(数据编码 )或 Kx.y(特殊编码 )表示，其中 x是 EDCBA的十进制值 (E是最高有效位 )， y是 HGF的十进制值 (H是最高有效位 ) 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 6 - 图 2.1 8B10B码变换图 2.2 多路复用技术 为了提高传输媒质的利用率，降低成本，提高有效性，提出了复用问题。所谓多路复用，是指在数据 传输系统中，允许两个或两个以上的数据资源共享一个公共传输媒质，就像每个数据源都有它自己的信道一样。所以，多路复用是一种将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号的方法。在数字光纤通信系统中采用时分多路复用技术。 时分多路复用 (TDM)把许多输入信号结合起来，并一起传送出去。 TDM是在时间上进行分割 (频率上重合 )，各路信号占用不同的时间段，形成一帧数据进行传输，以实现多路传输。 TDM保持了信号物理上的独立性，而从逻辑上把它们结合在一起。因此， TDM技术多用于数字信号。在 TDM技术中，发送 端除发送有用信号同时还要发送一标志码 (称为帧同步码 )以表示数据传输的开始。把标志码与数据码轮流发送一次构成的码流称为帧。在接收端就可以根据接收到的帧同步信号判断帧的始末，从而使收、发两端信号一一对应。这在时分多路复用中称为帧同步 (帧定位 )。否则，在接收端不能确定发送端的首尾，因而收、发两端用户在时间上不能一一对应地实现正常通信。当然，要实现帧同步首先要应使收、发两端的时钟频率一致，即时钟同步 (位同步 )。因为只要这样，才能把数据码流一个一个正确地接收下来。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 7 - 图 2.2 时分复用示意图 2.3 PECL 接口电 路 2.3.1 PECL 电路的特点 差分电压就是用两个物理量的差异来表示一个数值的电压信号。其中有两个电压量 (V+和 V-)，当 V+大于 V-时，表示正极性电压；当 V+小于 V-时，表示负极性电压。在高速的传输系统中一般级间的传输一般采用 ECL(射极祸合逻辑 )来实现数据信号的传递， ECL电路专门为高速低噪声数字系统的应用要求设计的，采用 ECL电路具有以下独特的优点 ： 1.速度快 2.逻辑功能强 3.负载能力强 4.噪声低5.便于数据传输 当然， ECL电路也存在其弱点，最大的弱点就是其静态的直流功耗大，从某种意义上来说， ECL电路是以牺牲功耗来 换取速度的。 2.3.2 PECL 级传输线路设计 PECL耦合分为直流藕合和交流藕合，然而交流藕合功耗太大且电路设计复杂，我们的系统中采用 PECL直流藕合，采用了并行端接技术以便电路正常工作。戴维南并行端接技术实现传输线阻抗的匹配，这样接收端就能获取到比较好的信号质量，同时该端接电路也为 PECL电平能够正常地切换提供了合适的偏置电压。需要说明的是， PECL电路也能工作在单端连接的方式，这时源端和负载端的同相信号直接相连，接收端反向输入连接必要的下拉电阻为电路的正常工作提供参考电平，源端 同样必须采用戴维南并行端接电路提供相应的偏压。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 8 - 2.4 光发射机与光接射机 2.4.1 光发射机 在数字光纤通信系统 13中，光发射机的方框图如图 2.3所示，主要由光发射机和电路两部分组成，而电路部分又分为调制电路、控制电路和线路编码电路。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，电路部分的设计应以光源为依据。调制电路使输出光信号准确反映输入电信号，线路编码电路使输出的光信号适合于光信道传输，同时控制电路能够保证光源可靠稳定地工作。 图 2.3 数字光发射机方框图 光发射机是数字光纤通信系统中的三大组成部分（光发送机、光纤光缆和光接收机）之一。其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。 在数字光纤通信系统中，光源发出的光可以看作是光源载波，通过调制，使其载荷信息，一般采用直接强度调制的方式。光发射机原理方框图见图 2.4，主要有整形码或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源组成。图中的其他部分电路是结合光源器件的应用特性而采取的相应的补偿措施。 光源 在光纤通信系统中，作为产生 光信号的光源一般为半导体二极管。目前，通信系统中常用的半导体发 光器件是半导体激光器 (LD)和发光二极管(LED)。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 9 - 光源驱动 光源驱动电路是光发送机的主要干电路，它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式调制半导体激光器或发光二极管发射出光脉冲信号。 驱动器的作用是对光源提供驱动电流，它的性能应与半导体激光器或发光二极管的特性相匹配。 半导体三极管的输出特性在放大区表现为恒流源，因此可以将 LD或 LED接在三极管的集电极电路中，用三极管的集电极电流驱动电源，使之发光。 辅助电路 在实用 光发送机中，为保证有稳定可靠的输出功率，以及使用、维护方便，往往要求有各种辅助控制电路。如自动功率控制（ APC）、自动温度控制（ ATC）、限流保护电路、寿面告警、 无光告警电路等。 2.4.2 光接射机 数字光接收机在数字光纤通信系统中的作用是将经光纤光缆传输后衰减变形的微弱光脉冲信号通过光 /电转换成为电脉冲信号，并给予足够的放大、均衡与定时再生还原成为标准的数字脉冲信号。 光纤数字通信系统接收机的组成方框图如图 2.4所示。 图 2.4 光接收机组成方框图 当从光纤中输出的微弱的光信号入射在光电检测器的光敏面 上时，光电检测器将 其转变为电信号。前置放大器放大从光电检测器送来的微弱电信号，它是光接收的关键部分，要求它有足够小的噪声、适当的带宽和一定的信号增益。主放大器的作用是进一步放大信号，并且有一定的增益调整作用。均衡器将通过传输和放大后失真的信号进行补偿，使之输出适合于判决要求的脉冲形状 (一般为升余弦脉冲 )。为了使光接收机的输出保持恒定，采用了自动增益控制电路 (AGC )，它由峰值检波、直流放大和控制电路组成。为了判决再生，还要从主放大器的输出提取时钟信号。从判决电路输出的数字信号送至接口，再进行码型反变换，恢太原科技大学 毕业设计 （论文） - 10 - 复成原来的码型。 1. 光检测器 光电检测 器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号，它是影响光接收机性能的重要器件。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管 (APD)。 2. 前置放大器 前置放大器是一个输入为高阻而输出为低阻的放大器，并且有电流 /电压变换。前置放大器是光接收的关键部分之一，它直接影响接收机的灵敏度，因此它必须满足信号传输要求的足够带宽、高增益、低噪声性能。 3. 主放大器及自动增益控制 经过前置放大器放大的电信号送给主放大器进行进一步放大，主放大器实质上 是一个普通宽带放大器，它是在满足一定带宽情况下，提高信号的幅度而不须考虑噪声，在开环情况下，一般要求主放大器的增益达 60dB。 在实际运用中，光接收机所接收的光功率常常受到一些因素的影响而发生变化，如线路的长度不同，线路衰减的变化，发送光功率的波动，使得接收功率发生变化，为了保证主放大器输出的恒定，就必须具有自动增益控制功能，自动增益控制电路应该能保证放大器不要随之而失真，且放大器的带宽不会改变，一般要求自动增益控制范围为 3050dB，甚至更大。 4. 均衡和滤波 经过主放大器放大后的电信号送给均衡滤波电 路，均衡电路的主要作用是对经过光纤线路传输，己发生畸变的和有严重码间干扰的信号进行均衡，使其变为码间干扰尽可能小的信号，以利于定时判决，由此可见，均衡起的作用是对某些频率成分进行补偿，对某些频率成分进行抑制或者滤除，同时，也对部分噪声进行滤除，最终使判决达到最佳，灵敏度损伤最小。 均衡电路的输出希望是理想的升余弦波或高斯波。但在实际电路的实现中是无法作到的，一般采用近似的方法即可取得较好的结果。 5. 时钟提取与判决 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，一升余弦频谱太原科技大学 毕业设计 （论文） - 11 - 脉冲，恢复为“ 0”或“ 1”的数字信号。 6. 接收机灵敏度 接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能力。在数字接收机中，允许脉冲判决有一定的误差范围。如果接收机将“ 1”码误判为“ 0”码，或者将“ 0”码误判为“ 1”码，这就叫 1 个错误比特。如果在 100个比特中判错了一个比特，则称误比特率为 1/100即 10-2。一般要求系统的误比特率小于 10-9，即 10亿个脉冲中只容许发生一个误码。 影响接收机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。光接收机灵敏度是系统性能的综合反映，除了上述接收机本身的特性以外，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机的消光比和光纤的色散来决定。光接收机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中继距离。速率越高，接收机灵敏度越差，中继距离就越短。 7. 接收机的动态范围 光接收机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，光接收机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机，使用在不同的系统中，光源的强弱不同，光纤的传输距离也不同。这样，传给光接收机的光功率就不可能一样。 为了使光接收机正常工作，接收信号不能太弱，否则会造成过大的误码。但接收信号也不能太强，否则会使接收机放大器过载，而造成失真。因此光接收机正常工作时，接收光信号的强度应该有一个范围。把光接收机在保证一定的误比特率条件下，所能接收的最大光功率与最小光功率之差，称作光接收机的动态范围。一般希望光接收机 的动态范围越大越好，实际中一般为 16-20dB。 2.5 同步技术 数字通信的特点之一是通过时间分割来实现多路复用，即时分多路复用。在通信过程中，信号的处理和传输都是在规定的时隙内进行的。为了使整个通信系统有序、准确、可靠地工作，收、发双方必须有一个统一的时间标准，这个时间标准就是靠定时系统 去完成收、发双方时间的一致性，即同步。同步系统性能的太原科技大学 毕业设计 （论文） - 12 - 好坏将直接影响到通信质量的好坏，甚至会影响到通信能否正常进行。同步系统就像数字通信设备和系统的神经中枢一样，是保证通信系统正常工作的前提。在这里，我们主要介绍位同步和帧同步。 2.5.1 位同步 位同步又称为码元同步，或比特同步。不管是基带传输，还是频带传输，都需要位同步。因为在数字通信系统中，消息是由一连串码元序列传递的，这些码元通常都具有相同的持续时间。由于传输信道的不理想，以一定速率传输到接收端的数字信号，必然是混有噪声和干扰的失了真的波形。为了从该 波形中恢复出原始的基带数字信号，就要对它进行取样判决。因此，要在接收端产生一个“码元定时脉冲序列”，这个码元定时序列的重复频率和相位 (位置 )要与接收码元一致，这样才能保证： 1.接收端的定时脉冲重复频率和发送端的码元速率相同。 2.取样判决时刻对准最佳取样判决位置。这个码元定时脉冲序列称为“码元同步脉冲”或“位同步脉冲”。通常，我们把位同步脉冲与接收码元的重复频率和相位的一致称为位同步或码元同步，而把同步脉冲的取得称为位同步提取。 2.5.2 帧同步 帧同步也称为群同步。对于数字信号传输来说，数字信号是按照一定 的数据格式传送的，一定数目的信息码元组成一“字”，若干“字”组成一“句”，若干“句”构成一帧，从而形成帧的数字信号序列。接收端要正确地恢复消息，就必须识别句或帧的起始时刻。在数字时分多路通信系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送，形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，必须识别出每帧的起始时刻，从而找出各路时隙的位置，即接收端必须产生与字、句和帧起止时间相一致的定时信号，称获得这些定时序列为帧 (或群 )同步。 帧同步的任务就是在位同步的基础上识别出数字信息群 (字、句、帧 )的起始时刻，使接收设备的帧 定时与接收到的信号中的帧定时处于同步状态。换句话说，帧同步就是确定每帧的起始时刻，确定了这个时刻，就可以根据预定的帧结构来确定帧的长度和其中字、句的位置了。 插入特殊码组实现帧同步的方法有两种，即集中式插入法和间隔式插入法。 集中式插入法又称为连贯式插入法。这种方法就是将帧同步码以集中的形式插入在一帧的开始，此方法的关键是要找出作为帧同步码组的特殊码组。这个特太原科技大学 毕业设计 （论文） - 13 - 殊码组一方面在信息码元序列中不易出现以便于识别，另一方面识别器也要尽量简单。 图 2.5 间隔式插入群同步方式 间隔式插入法又称为分散式插入法。它是 将帧同步码以分散的形式插入信息码流中。这种方式比较多地应用在多路数字电路系统中。间隔式插入法如图 2.5所示，帧同步码均匀分散地插入在一帧之内。帧同步码可以是 1,0交替码型。在接收端检测出帧同步信息后，再得出分路定时脉冲。间隔式插入法的的缺点是当失步时，同步恢复时间较长，因为如果发生了帧失步，则需要逐个码位进行比较检验，直到重新收到帧同步的位置，才能恢复帧同步。此类方法的另一个缺点是设备较复杂，因为不象集中式插入法那样，帧同步信号集中插入在一起，而是要将帧同步码在每一个子帧里插入一位码，这样帧同步码编码后还需 要加以存储。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 14 - 第 3 章 系统模块的连接 3.1 A/D 转换模块与 D/A 转换模块 3.1.1 AD574A 特点 AD574A由一片模 拟电路和一片数字电路组成的混合式集成芯片，是一个完整的逐位比较式 12位模 /数转换器，具有可与 8位、 12位或 16位单片微机直接接口的三态输出缓冲器。 3.1.2 AD574A 管脚 1. AD574A有两组控制管脚：一般控制管脚（ CE、 CS、 R/C)和内部寄存器控制管脚（ 12/8和 A0）。 CE、 CS、 R/C：主要控制启动转换和读允许。当CE=1,CS=0,R/C=0时，启动转换 ；当 CE=1,CS=0,R/C=1时， 读允许 14。 2. 内部寄存器控制管脚 12/8和 A0：主要控制数据输出形式和转换时间的长短。若 12/8=1，当一般控制管脚发出读数据命令时 12根输出数据线上的数据均有效；若 12/8=0，对于一个 8位的接口，则 根据 A0的状态来确 定是高 8为有效还是低 4位有效。这时数据线低 4位要硬连接到数据线高 4位上。在这种情 况下，若 A0=0读出高 8位数据；若 A0=1，高 8位数据线禁止，读出低 4位数据。在转换周期开始前， 若 A0处于低电 平，完成完整的 12位转换需要 25us；若 A0处于 高电平，仅 完成 8位转换，大约需要 16us。为了 与 8位总线接口，需占据两个存储器地 址（用 A0来选择 ）当 A0为低时，执行的写操作 是启动一次完整的 12位转换 周期；而当 A0为高时，执行的写操作是启动一次 8位的短转换周期这样的读数精度低而速度快。 3. STS为 状态线，当转换开始时，它变高；在转换过程中，一直维持为高；转换周期结束时，它将变为低。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 15 - 3.1.3 A/D 转换模块电路 图 3.1 A/D 转换模块 连接电路 3.2 D/A 转换模块 3.2.1 D/A 转换器原理 及接法 D/A 转换器的作用是完成信号由数字量到模拟量的转换。 数字量是由二进制代码按数位组合起来的。为了实现数字量到模拟量得转换，必须将每位代码按其权值的大小转换成相应的模拟量，然后将各路模拟量相加，其总和就是数字量对应的模拟量，这就是 D/A 转换器的基本原理。为与发送端相对应，本系统接收端 必须采用 12bitD/A 转 换器。 D/A 转换芯片采用 ADI 公司 AD5445，其转换速率为 20Msps， AD5445 管脚的功能如表 3.1。 表 3.1 AD5445 各管脚功能 管脚号 管脚名 功能 1 IOUT1 数模转换电流输出 2 IOUT2 模拟地输入端， 3 GND 接地 4-15 DB0-DB11 数字信号输入端 16 CS 芯片使能控制端输入，低电平有效 17 R/W 读 /写控制；低电平时，写入数字信号 18 VDD 2.5V 5.5V正电压供电 19 VREF 参考电压输入端，范围为 -10 +10V 0 RFB 反馈电阻引脚 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 16 - 3.2.2 D/A 转换模块电路 根据前面分析， D/A 转换模块电路及其与 CPLD 的连接设计 如图 3.2。AD5445采用 +5V供电；数字信号输入端 DB0 DB11同 CPLD 的 12 位数据输出端相连，电容 C6、 C7起稳压作用（ C9C10、 C11C12、 C13C14同理）；运 放 Am741采用 12V 电压供电；芯片 ADR01 的作用是将 +12V 电压（ VDD） 转换成 +10V 电压，输入到 VREF。 图 3.2 D/A 转换 模块连接电路 3.3 CPLD 模 块 3.3.1 CPLD 的概述 CPLD 是现场可编程逻辑阵列的简称，是可编程逻辑器件的一种。它是在PAL, GAL 等小规模逻辑器件的基础上发展起来的。同以往 PAL, GAL 等相比较，它的规模比较大，可以代替几十甚至几千块通用 IC 芯片。这样的 CPLD 实际上就是一个子系统部件。这种芯片得到电子设计人员的广泛关注 和普遍欢迎。与门阵列等其它 ASIC (Application Specific IC)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产 (一般在 10000 件以下 )之中。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 Xilinx 公司和 Altera 公司的 FPGA 器件系列。本系统设计选用的就是主流厂家 Altera 公司生产的一款性价比很高的 MAX7000S15系列的 CPLD 器件。 太原科技大学 毕业设计 （论文） - 17 - 3.3.2 MAX7000S 功能特性及其内部结构 MAX7000S 系 列器件是 以 Altera 公司的第二代多阵列矩阵结构为基础的一种现场可编程逻辑阵列 (CPLD)，它采 用先进的 0.8umCMOS 技术制造 。集成了600-5000个可用门，其引脚到引脚的延时可达 5ns，应用广泛。 MAX7000S 系 列 器 件 内 部 包 括 五 个 部 分 16 ： 逻 辑 阵 列 块(LogicArrayB1ockLAB)、宏单元 (Macrocells)、拓展乘积项 (Expander Product Terms E-PT),可编程连线阵列 (Programmable Interconnect Arrays PIA)和 I/O 控制块 (I/O Control Blocks IOC)。除此之外，还有全局时钟输入和全局输出使能控制线，它们可以作为一般的输入使用。 1. 逻辑阵列块 LAB 逻辑阵列块是 MAX7000S 系列器件中最大的逻辑单元，每个逻辑阵列块由16个宏单元构成，它们与各自对 应的 I/O 控制块相 连， 4个逻辑阵列块通过可编程连线阵列 PIA 和全局总线连接在一起 .全局总线由所有的专用输入、 I/O 引脚 和宏单元反馈构成，不同逻辑阵列块之间的连接，正是利用它们来实现的，实现更复 杂的逻辑功能。每个逻辑阵列块有如下输入信号： (1)来自通用逻辑输 入的 P1A 的 36个信号； (2)用于存储器辅助功能的全局控制信号； (3)从 I/O 引脚到寄存器的直接输入通道，用以实现 MAX7000S 器件的快速建立。 2. 宏单元 MAX7000S 系列器件的具体逻辑单元称为宏单元，它们可以用来实现各种具体的逻辑功能。宏单元由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程触发器构成，逻辑阵列来实现组合逻辑函数，每个宏单元提供 5个乘积项。通过乘积项选择矩阵实现对这 5个乘积项的逻辑函数或者这 5个乘积项作为宏单元的触发器的辅助输入。 3. 拓展乘积项 大多数逻辑函数能够用一个宏单元的 5 个乘积项实现，但一些复杂的逻辑函数需要附加乘积项才能实现。为了提供所需的逻辑资源，可以利用另一个宏单元内部的逻辑资源。 MAX7000S 结构允许利用其提供的共享和并联扩展乘积项来太原科技大学 毕业设计 （论文） - 18 - 实现，而不是利用另一个宏单元。这两种扩展项作为附加的乘积项可以直接送到本逻辑阵列块的任意宏单元中。由于使用了扩展乘积项，从而在实现逻辑综合时，能用尽可能多的逻辑资源，实现比较快的工作速度。 4. 可编程 连线阵列 PIA 通过可编程连线阵列 PIA，可以把各逻辑阵列块相互连接，构成用 户所需要的逻辑功能。该全局总线是可编程的通道，它可