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机械毕业设计
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pof光纤通信实验箱的研制与开发,机械毕业设计
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POF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 1 - 1 引言 通信的发展是伴随着人类发展而发展的，它可以加速生产和流通过程，提高劳动生产率，从而大大缩小了空间距离，为社会创造更多的财富。随着科学技术的进步，人类社会已步入信息时代，信息时代人们的信息活动所需的信息容量急剧增加，迫切要求大容量的质优价廉的通信设备与之相适应。 70 年代兴起的光纤通信是一种能较全面地、理想地满足上述要求的通信系统。它最适合实现大容量、长距离的宽带业务和数字信号的传输。现在光纤通信应用范围很广，除了主干通信网之外，在 CCTV 和 CATV 系统、数据通信系统、公交监控系统、电力通信、铁路通 信、军用通信、油田矿井、仪器仪表、遥感遥测和飞机舰艇等方面都得到了极其广泛的应用，许多新的应用还在不断开拓之中。在本文中主要讨论塑料光纤，和它在光纤通信中的一些应用。 光纤传输技术是现代科学技术发展的一项最新成就，光纤通信是这项技术应用的重要领域。因此光纤通信传输系统中的许多重要的物理概念和物理量的测量方法需要深刻理解，本实验系统是就此目的而提出的。塑料光纤不同于石英光纤，它的传输损耗较大，它的应用范围也和石英光纤稍有不同，在光纤传输方面仍然是光纤传输原理，又有利于了解光纤发展的新技术，对它的了解有利于对光 纤传输系统原理的理解。目前宽带业务采用的传输介质主要是双绞线、同轴电缆、石英光纤。其中石英光纤以其损耗低、带宽高、抗电磁干扰性能强等优点，被广泛用作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质。但石英光纤的芯径小，连接中要求较高的对准度，连接技术复杂，不易布线，相关设备价格高。在 FTTH（ 光纤到户 ）中，其复杂昂贵的连接工艺增加了网络成本，因此制约了其在短距离（一般不会超过 100m）通信网的应用。为了降低短距离通信网中光纤网络终端用户的接入成本，日本、美国等发达国家已研制出新一代光传输介质：塑料光纤（ POF）。它 的优点是制造简单、价格便宜、接续快捷、抗冲击强度高、抗辐射等，故其最适宜作为短距离通信的传输介质，是短距离宽带通信网的理想选择。以后会随着不断广泛的应用，各项价格会比石英光纤低。 本实验系统采用信号直传方式，实现数字信号的数字序列的直传。本文中会对光纤传输码型，一般光纤系统运作原理作一些概括和归纳，提出合适与本系统配套的实施方案。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 2 - 2 光纤通信系统原理 光纤通信系统是以光为载波，以光纤为传输介质的通信系统，在光发送端有产生光载波的 光源，并将电信号转变为光信号，在光接收端有光电检测器将光信号转变为电信号。在这 里，主要介绍光纤通信的特点、系统的组成、光纤网络的形式，以及光纤通信发展方向 1。 2.1 光纤通信所用的波长 光波是人们熟悉的电磁波，其波长在微米级相对应的频率非常高 (约为 1014Hz 1015Hz)，因而它特别适于作宽带信号的载频。目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，波长为 0.8m1.8m可分为短波长波段和长波长 波段，前者中心波长为 0.85m，后者工作波长是 1.3m 和1.55m。这些都是作为主流石英光纤的工作波长，对于本文讨论的是塑料光纤，它的一般工作波长为 650nm，属于短波长波段。 光纤通信之所以能够飞速发展，是由于它具有以下的突出优点而决定的。 由于光波频率很高，可供利用的频带很宽，尤其适合高速宽带信息的传输，在未来的高速通信干线，以及宽带综合服务通信网络中，更能发挥作用。 由于光纤的损耗很低 (现已做到 0.2dB km 的量级 )。因而可以大大增加通信距离。这对长途干线通信，海底光缆通信十分有利，在采用 先进的相干通信技术，光放大技术和光孤子通信技术之后，通信距离可提高到几百公里甚至上干公里。 光纤抗电磁干扰能力很强，这对于电气铁道和高压电力线附近的通信极为有利，也不怕雷击和其他工业设备的电磁干扰，光纤系统也没有发生电火花的危险，因此在一些要求防爆的场合使用光纤通信是十分安全的。 光纤内传播的光能几乎不会向外辐射，因此很难被窃听，保密性强，也不存在光缆中各根光纤之间信号串扰。 在运用频带内，光纤对每一频率成分的损耗几乎是一样的，因此在中继站和接收端只须采取简单的均衡措施就可以。甚至可以不加均衡措施。 光纤是电的绝缘体，因此通信线路的输入端和输出端是电绝缘的，这就没有电位差和接地的问题，同时还有抗核辐射能力。 光纤的原材料是石英石，来源十分丰富，可以说是取之不尽。另外光缆重量轻，便于敷设和架设。塑料光纤比石英光纤更轻，架设接续更容易。 2.2 光纤通信系统的组成 光纤通信系统的组成如图 2.1 所示，这是最基本的组成原理方框图。它包括发送、传输和接收三个部分。加上适当的接口以后，就可作为一个独立的“光线路”插入现有的或新架设的通信系统中，根据所传信号的形式，可以把光纤通信系统分为数字光纤通信系统和模拟光 纤通信系统两大类。因为光纤的频带很宽，对传输数字信号十分有利，所以高速率、大容量、长距离的光纤通信系统均为数字光纤通信系统，短距离、小容量的光纤通信系统通常采用模拟光纤通信系统。 在图中，可以看出，不管是模拟光纤通信系统还是数字光纤通信系统，图中的几个部分是必ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 3 - 不可少的。当然，图中的光源驱动电路、光源、光检测器、光接收电路是按实际设计体系制定。 图 2. 1 光纤通信系统组成框图 随着光放大器的研制成功 并投入使用，光纤中继器已由光纤放大器所代替，例如， EDFA 的应用，这样既可以提高通信距离，有可以改善通信质量。 2.3 光纤 光导纤维 (fiber)简称光纤，它的优越性已广为人知，现从应用角度简要叙述光纤的工作原理及其技术参数。 2.3.1 光纤结构 光纤是工作在光频段的一种介质波导。它的形状通常呈圆柱形。其结构一般是由双层的同心圆柱体组成，中心部分称纤芯。纤芯的折射率 n1，包层折射率 n2。 纤芯的作用是传播光信号，包层的作用是将光波封闭 在光纤中传播。纤芯和包层的相对折射率： (2.3-1) 光纤的重要光学参数：数值孔径 NA 光纤的数值孔径是表示光纤捕捉光射线 能力的物理量。所谓“捕捉光射线”的含义 是这样的：由光源射出的光射线，从几何光学的角度来看，并不是所有射向光纤端面的光都能在纤芯中满足全反射条件的，只有那些能够在纤芯中满足全反射条件形成导波的光射线，才认为是能被光纤捕捉到的光射线，这些射线在光纤中满足全反射条件而在纤芯中传输。 数值孔径用 NA 表示。根据折射定律，经过推导可得出它的表示式为 NA 212121 nnn(2.3-2） 数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力就越强。 2.3.2 光纤特性 电信号 电调制器 驱动电路 光中继器 光接收 电路 解调器 电信号 121 n nn 图 2. 2 光纤结构图 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 4 - 光纤的特性有损耗特性、色散特性、温度特性和机械特性。 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离。 形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。 光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。 光纤色散是光纤通信的另一个重要特性。由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。对于模拟信号色散会造成信号的畸变。 简单地说光纤的色散就是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 这种现象表现在传一个脉冲信号时，光脉冲将随着传送距离的延长，脉冲的宽度越来越被展宽。 光纤的温度特性和机械特性是非常 重要的两个物理性能参数，它保障光缆的可靠性和使用寿命。 在设计光纤通信系统时，必须考虑光缆的高、低温循环试验，以检验光纤的损耗是否 符合指标要求。 光纤的机械特性为了保证光纤在实际应用时不断裂，而且在各种环境下使用时，具有长期的可靠性，就要具有一定的机械强度。 2.4 光器件 光纤通信系统中的光器件大体上为两类：无源光器件和有源光器件。 有源光器件包括完成电光、光电转换的光端机或放大器等，这里不作介绍了。 2.4.1 光路无源器件 光路无源器件包括光纤连接器、耦合器、光衰减器、光隔离器。下面简要说明 ，这些光器件的原理或应用。 光纤连接器，又称光纤活动连接器，俗称活动接头。它用于设备 (如光端机，光测试仪表等 )与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其他无源器件的连接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种重要无源器件。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴紧并能多次 使用。由于光纤的芯径很细，是在微米级，因此，对其加工工艺和精度都有比较高的要求。为此，光纤连接器应满足如下条件：连接损耗小、拆装方便、稳定性好、重复性好、互换性好、体型小；价廉。 光纤活动连接器的分 类：活动连接器按纤芯插针、插孔的数目不同分，有单芯活动连接器和ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 5 - 多芯活动连接器两类；按结构不同分，有 FC 型、 ST 型、 SC 型、 SMA 型、 D4型等类；按光纤插孔端面形状不同分有 PC 型、 APC 型两种；按功能分有插头、插座、转接器三类。下面我们主要介绍单芯活动连接器。 下面详细介绍本次实验系统所采用的光纤连接器特点： 本次实验中使用 SMA 型光纤连接器，是和 HFBR-1505/2005A 配套的光纤连接器。 SMA 型光纤活动连接器，有时又称为 FSMA 型连接器。它又分两种型号，一种是 905 型，另一种是 906 型，如图 2.3 所示 。 905 型的插针直径为 3.18mm。 906 型的插针直径为 2.154mm，这是第二代产品，插针的对中精度优于 905 型，外形有一凸台，凸台直径为 3.05mm。 SMA 型连接器主要用于多模光纤。 905 型是为光纤束和大芯径光纤设计的，大多用于光纤（缆）与有源器件的耦合。 906 型是为标准的多模短距离通信或传感光纤（ 50/125、 62.5/125、 100/140）而设计的。但目前已开始应用于单模光纤。 图 2.3 SMA 型光纤活动连接器几何尺寸图 2.4.2 光纤耦合器 在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 6 - 监视、控制等使用，也有时需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，在上述情况下，都需要光耦合器来完成。 2.4.3 光纤衰减器 当输入光功率超过某一范围时，为了使光接收机不产生失真，或为了满足光线路中某种测试的需要，就必须对输入光信号进行一定程度的衰减。因此，光衰减器是光纤通信线路或测试技术中不可缺少的无源光器件 2。 目前常用的光衰减器衰减光功率的方法主要采用金属蒸发膜来吸收光能进行光衰减，衰减量的大小与膜的厚 度成正比。 2.4.4 光隔离器 光隔离器是保证光信号只能正向传输的器件，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响了激光器的工作稳定性。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 7 - 3 系统方案 3.1 系统方案设计 系统设计方案的确定是整个设计过程的首要和关键问题，在研究分析了国内外大量的相关资料之后，瞄准光纤发展的新趋势，在设计时，突出以下设计思想：可扩展性，可靠、易管理和易维护性。经过对几种初步方案论证比较后，最后确定了性能可靠而且又切实可行的设计方案：就本实验系统，采 用现在研究较少的塑料光纤为传播媒质，其特点，稍后再作详细介绍。光纤活动连接器采用和本实验系统配套的 SMA 型号，混合集成的光电转换收发模块 HFBR-1505a/2505a为设计基础。 3.2 数字光纤发射机设计框图 图 3.1 数字光纤发射机设计框图 3.3 数字光纤接收机 图 3.2 数字光纤接收机设计框图 在一个光纤通信系统中，光纤发射机和接收机中的编码器和解码器是必不可少的，它们也是工程技术和维护人员工作的核心部件。 下面就光纤通信系统设计的一些基本步骤谈本系统的设计。 3.4 系统部件选择 在具体选择系统部件之前，首先应对将要设计的系统的情况和指标有所了解。例如，对传数电端机 编码器 调制器电端机 解码器 解调器ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 8 - 字信号的光纤通信系统，要了解它的比特速率、误码率以及传输距离；对传输模拟信号的光纤通信系统，则应了解其信号带宽、信噪比和传输距离。下面讨论如何选择部件。 工作波长的选择：本实验系统是针对短距离光纤系统 的应用，使用的是长波长的塑料光纤，波长为 650nm，光纤使用深圳才展公司出品的塑料光纤。如果是长距离通信系统，应原则上选择长波长的光纤，如 1.31 m 和 1.55 m 的石英光纤。如对传输距离短、码速不高的光纤通信系统还可选用短波长波段。 光源选择：激光器的输出光功率高，谱线窄，应用单模光纤传输时色散小。故适于长距离高码率的光纤通信系统中采用。但是激光器与发光二极管相比，它的寿命相对较低，价格高，稳定性差，调制电路复杂。 发光二 极管与半导体激光器相比，寿命长、价格低、受温度影响小，工作稳定、调制电路简单，但发光功率低、谱线宽。因此，发光二极管适于工作在距离短，码速低的光纤通信系统中。本系统中采用的是 Agilent 公司生产的 HFBR 系列产品，内含有 LED。应用于短距离，低码速的光纤通信系统中。 光电检测器的选择： PIN 管的偏压电路简单、价格较低。但是，使用 PIN 时光接收机的灵敏度较使用 APD 的低， APD 管由于偏压高，故偏压电路较 PIN 管的偏压电路复杂、价格亦高。但是使用 APD 的光接收机灵敏度因有雪崩倍增作用比使用 PIN 的接收机要高。 在要求不太严格的情况下，通常考虑使用 PIN 管。本系统使用的是 Agilent 公司生产的 HFBR 系列产品，内含有 PIN管。 光导纤维的选择：在远距离光纤通信系统中，通常选择单模光纤，但是因为其纤芯太细，安装接续难，在短距离通信系统中通常考虑纤芯较粗的光纤。本系统采用纤芯较粗的塑料光纤，纤径达到 0.25mm 2mm，接续简单。 本实验系统采用模块化制作方法，这样更能体现可扩展性、易管理和易用性等特点。比如发射机部分，有时钟产生电路、 M 序列发生器和 CMI 编码电路，它的可扩展性体现在 CMI 编码部分的输入可以是 M 序列发 生器出来的数据，也可以是外来的数字信号，比如 HDB3（需加接口电路）等信号。易管理性和易用性是因为它的模块化，一处出错，只需查明某个模块即可。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 9 - 4 塑料光纤 塑料光纤 (POF)是一种低成本、重量轻、便于安装使用、柔软的数据传输介质，它特别适合于短距离、中小容量、使用连接器多的系统 (如接入网 )。与铜线电缆相比，塑料光纤不受电磁干扰、无电磁辐射 3。聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)基 POF 的成本大致与双绞线相同，但在 100 200 m 内带宽可达 1 GHz 以上，而双绞线不仅带宽小，而且传 输距离只有 4.5m 同轴电缆带宽增至数百 数千 MHz 时，传输距离也在 l00m 内，且成本较高。与多模石英光纤相比，塑料光纤较柔软、容易安装和维护，特别重要的是 POF 芯径通常为 0.5 mm 或更大，而多模石英光纤芯径为 62. 5um或 50um.芯径大 10 倍左右的 POF 连接对准容易，对于纤芯直径为 980 u m 的阶跃型 POF 和纤芯直径为 500 u m 的渐变型 POF，连接中即使有 30 um 的偏移并不严重影响耦合损耗 (约增加损耗0.03dB)，可以使用廉价的注塑连接器，从而显著降低系统的总成本。 但是 研究机构缺少市场意 识，与企业间的合作关系不太紧密，导致有些技术即使取得实质性进展却不能实用化。同时企业获得市场与技术方面的相关信息也较困难。 POF 开发者自身将目标定得过高，将主要的精力投入到高端产业中，而这些产业需要更高的进入门槛和更先进的技术 ，使得本应成为 POF 主流的市场仍在大量使用铜缆。 因此本来应该很便宜的价格设备，也因为未普及而显得有些昂贵。 POF 应该以 从 低端产业 作起 ，逐步占领这些市场后，再向高端产业 发展 。 4.1 塑料光纤的应用范围 网络成本的降低、性能的提高（速度更快）、数字电子的引入、电磁干扰的减少以及相关标准的制定与完善正推动着电信、消费电子、汽车以及工控市场的迅猛发展，而这四个市场的进步又促使塑料光纤技术逐渐成为光通信产业的主流。同时， POF 技术还在低损耗、高性能、氟化聚合物梯度折射率塑料光纤和新型光源方面具有诱人的魅力。 在现有的有线传输介质中，长距离、大容量 (单通道 10 40Gbit/s 再利用波分复用几十至几百个信道，信息传输速率达 T bit / s 以上 )系统，无疑属于石英单模光纤式的应用领域。而短距离、中小容量系统，现在主要是铜线电缆的应用领域，但随着塑料光纤的发展，它和相关元器件成本的下降，加上用 户对带宽需求的增长，早晚会被 POF 所替代。 塑料光纤是局域网 (如汽车、飞机、办公室、住宅、工业控制等网络 )以及大的电信系统与计算机之间互连等首选的传输介质。它能提供增加带宽而对现有局域网基础结构不必进行昂贵的拆修 4。 4.1.1 POF 对家庭和公寓网络方面的应用 对于家庭和公寓，过去的布线分别使用电话线、无屏蔽对绞线缆和同轴电缆等，而下一步为了给用户提供方便、降低布线的总成本，家庭和公寓的布线将是一根布线。目前家庭和公寓用一根布线传输所有的业务需要几十至几百 MHz 的带宽，而今后随着业务需求的增长 (如需要对话式ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 10 - 在线购物、在线医疗咨询、在线教育、高清晰度彩色电视等 )，需要千兆比特速率以上的信息通过家庭网络。单个住宅可能 100 m 缆线就可覆盖，而一些公寓，特别是高层公寓房间中要装光缆就需要达 200 m 的距离。从布线施工成本考虑，有人估计，日本现在用玻璃光纤的布线施工总成本中，布线和连接器的安装费用占 60-70%，光缆占 10%，其它元器件占 20 30%。由于家庭布线有许多连接点，所以降低布线施工费用需要采用廉价且便于连接的连接器，这恰好是大芯径 POF能实现的途径。 4.1.2 POF 在汽车网络的应用 汽车 多媒体网络的带宽需求主要是以声频和视频为基础的，如移动电话、传真、 CD 播放机、语音控制设备等，由于一辆车内有限的乘客和他们有限的信息处理能力，所需带宽有一个上限，估计近期和中期，需要约 5 20MHz 的系统带宽。如果将来在车内引入驾驶员辅助控制系统 (例如建立视频处理系统，帮助驾驶员控制和导航等 )，则要提供 100Mbit/s 800Mbit/s 的数据速率。成功案例：今天己有利用 4Mbit/s 光学 D2B(Domestic Digital Bus)的高端汽车在生产。它是Daimlerchrysler 1998 年在 Mercedes 车内引入的第一个信息网络。车内数字音响都可利用这些 POF系统。布局是一个单环状结构，数据速率可达 5.6Mbit/s，采用耦合功率为 -13dBm 的 660nm 发光二极管和损耗为 200dB/km、 1mm 芯径 PMMA SI-POF （ NA=0.5）。 4.1.3 POF 在飞机中的应用 波音公司等正在积极开展 POF 在飞机中的应用，因为一方面可以通过由 POF 组成的通信网络，从接入的共同网络和国际互联网中，为旅客提供个人所需的电影、视频游戏、购物等服务；同时由于塑料光纤重量轻，可以大大降低飞机的载重量。 4.1.4 POF 在互连中的应用 互连需要塑料光纤的地方可能包括系统内和局内的互连。第一个塑料光纤在大电信平台的应用是最近在 Lucent Technologies Wave Star DACS。它是在通常的 1 mm PMMA POF 上分布155Mbit/s 的定时控制信号。 4.2 塑料光纤的技术性能 4.2.1 塑料光纤的物理结构 构成光纤的芯与包层都采用塑料材料。与大芯径 50/125m和 62.5/125m的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达 200 1000m，其接续时可使用不带光纤定位套 筒的便直注塑塑料连接器，即便是光纤接续中芯对准产生 30m偏差都不会影响耦合损耗。塑料光纤结构 使得 其施工快捷，接续成本低等优点。另外，芯径 100m或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。 4.2.2 塑料光纤的类型 迄今为止的 POF，按折射分布分为二类结构 :一类是阶跃型 (SI)，另一类是渐变型 (GI)。最常用的纤芯材料是 PMMA。 4.2.3 塑料光纤两个重要的性能指标 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 11 - 损耗 塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗， PMMA 芯塑料光纤在 650nm 波长的理论损耗极限是 l00dB/km 左右，来自 C-H 键拉伸振动的本征吸收。实际做成的这类光纤传输损耗在 120-300dB/km (650nm波长 ).其中 GI-POF比 SI-POF的损耗一般要略高一些，因为无论采用掺杂剂还是采用其它单体与 MMA 共聚所形成的 GI-POF，很难达到与纯 PMMA 同样低的损耗。 PMMA 的低损耗传输窗口，除 650nm 附近外，还有 580nm 和 520nm 附近二个窗口（详见图 4.1）。 图 4.1 典型的 PMMA 芯 POF 损耗谱 如果用氟原子 替换 碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料， 构成全氟化聚合物 GI-POF， 不仅本征衰减 减小 ，而且色散也降低了 。在 650nm 处总的损耗为 47dB Km，其中散射损耗、吸收损耗、结构损耗分别为 41、 2、 4 dB Km， 850nm 处总的损耗为 41dB Km。 1300nm 处以达到总损耗为 16dB Km。 带宽 阶跃型塑料光纤 大数值孔径（ NA）阶跃型塑料光纤的 NA 在 0.5 左右，带宽可以达到 40MHz 100m。其在工业控制和汽车中的应用已经成熟，但由于带宽较小，不适于在航空和室内的通信网络中应用。小 NA 阶跃型塑料光纤的 NA 值约为 0.25 0.3。为了保证良好的连接性能， NA 值不能再小。较小的 NA 使得光纤中只传输较低阶的模式，从而减小了模式色散，使带宽提高到 210MHz Km。 PMMA 渐变型塑料光纤因材料色散较大，在 650nm 波长的带宽仅为 3GHz 100m。而全氟化渐变型塑料光纤在 650nm 波长的带宽大约是 PMMA 渐变型塑料光纤的 3 倍。材料在近红外区的色散较小，全氟化渐变型塑料光纤在 1300nm 波长的带宽可以达到 100GHz 100m，比石英多模光纤的带宽更高。 4.3 用于塑料光纤通信系统的光源和光检测器 塑料光纤通信网络的工作带宽取决于塑料光纤、光源和光检测器的带宽 。目前，用于高速塑料光纤通信网络的光源和光检测器正在积极的开发中。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 12 - 4.3.1 光源 光源应该满足塑料光纤对光源的波长、谱宽、光线发散角和输出功率的要求。塑料光纤的直径较大（ 0.5 1mm），并且数值孔径较大（ 0.25 0.5），由于通常高速半导体光源的发光面在 50 m 左右，因而与塑料光纤的耦合无需精确对准。 半导体激光器（ LD）的谱宽窄、光线发散角小，可以获得较高的带宽性能，但对温度较为敏感，价格较为昂贵。半导体发光二极管（ LED）的谱宽和光线发散角比 LD 大，带宽性能不如 LD，但可靠性和温度稳定性比 LD 高 ，且价格便宜，在短距离网络中应用颇具吸引力。 在 650nm 波长， PMMA 塑料光纤的损耗最小， AlGaInP LED 的最大输出功率已达 3.5mW，发散角 70；谐振腔 LED（ RCLED）的最大输出功率已达 4.2mW，谱宽 3nm，速率可达 250Mbps； 4.3.2 光检测器 高速塑料光纤网络需要高速、大光敏面和量子效率高的光检测器。雪崩光电二极管（ APD）的灵敏度高，但因偏置电压高、价格贵和稳定性的问题而不宜用于短距离通信网络。因此，在短距离通信网络中使用 PIN 光电二极管（ PIN-PD）是一种比较好的选择。 4.4 塑料光纤的 展望 由于塑料光纤既具有石英光纤的带宽大、抗电磁干扰和易成缆的特点，又具有成本低和易于铺设的优点，将成为短距离通信网络的主要传输媒质。 塑料光纤的应用领域越来越广，国外在塑料光纤的应用开发上已取得了较大的成果，且不断在加大新的应用研究投入，我国亦应就塑料光纤的研究和发展予以密切注视。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 13 - 5 系统码型选择 5.1 在数字光纤通信中传输码型的要求 在数字通信中，必须考虑选择什么样的传输码型。在数字光纤通信系统中，因为使用的信号源是光源， 传输媒介物是光导纤维，数字光纤通信系统一般都不直接传输由电端机传送过来的数字脉冲信号，而需进行码型变换，产生适于进行数字光纤通信的线路码。线路码具有平衡码流中“ 0”、“ 1”概率的能力，可以减小码流中长连“ 0”和长连“ 1”串，从而使时钟含量丰富、定时钟动减小以及能进行运行误码监测。所以，线路码对数字光纤通信的信号传输具有很重要的作用，是数字光纤通信系统中必不可少的重要组成部分 5。 但在光纤通信系统中选择线路码型时，不仅要考虑光纤的传输特性，还要考虑光电器件 (光源及光检测器 )的特性。由于光只有“亮”和“暗” 两种状态，所以，一般都采用具有直流成分的两电平码作线路码，而不采用正负极性的三电平码（ HDB3）作线路码。另外，如果数字光纤通信系统采用三电平码作线路码，在同样接收效果下要比二电平码损失 3dB 的接收灵敏度。但是简单的二进制码随机数字码流中，有可能出现较长的连“ 0”或连“ 1”串，因此，码流的直流基线将随信息的连“ 0”和连“ 1”，串的随机变化而起伏漂移，从而在码流中含有较丰富的低频成分，这将严重的影响系统接收端的时钟信号提取和再生判决的效率。因此，简单的二进制码不宜用于数字光纤通信系统的线路码。 通常我们在设计 和选择线路传输码时，要求其应具备的条件是： 能防止长串“ 0”，或长串“ 1”，这有利于时钟提取。 能对端机和中继器进行不中断业务的误码检测。 脉冲序列的直流分量的变化要小，功率谱密度中的高、低频分量要小。 码速率提高少，误码扩展小。 电子线路简单、体积小和价格低。 适合数字光纤通信系统传输的码型很多，这里重点介绍本系统所采用的 CMI 码型，并阐明本系统所采用的线路码型的优点。 5.2 CMI 码 AMI(Alternate Mark Inversion)码，称为极性交替翻转码，它包括 CMI(Coded Mark Inversion)、ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 14 - 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 MCMI（ Modified Coded Mark Inversion）和 DCMI（ Differential Mark Inversion）。 CMI 码的编码表如下： 表 5.1 CMI 编码表 输入码字 CMI 码 模式 I 模式 II 0 01 01 1 00 11 从表 5.1 中可以看出，当 CMI 码编码器输入码字出现连“ l”时，如果第一个“ 1”就变换为“ 00”，则其第二个“ 1”就变换为“ 11”，呈“ 00”和“ 11”交替出现。所以， CMI 码由“ 01”、均等码和“ 00” 、“ 11”不均等码构成。 CMI 码虽然模式 I“ 0”多，模式 II“ 1”多，但交替的结果使整个码流中的“ 0”和“ l”均等。这种码的最大连“ 0”和连“ 1”数都是 3 个因而这种码的直流起伏和低频分量都很小，定时含量很丰富。这种码当编码规则破坏有误码时很容易进行运行误码监测。 比如下面这个数字序列经过 CMI 编码后的波形： 时钟信号 （ CLK） NRZ CMI 图 5.1 CMI 码 与 NRZ 码的编码转换关系图 CMI 功率曲线如图 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 15 - 图 5.2 CMI 功率谱曲线图 CMI 编码电路方框图及其编码实现： 根据 CMI 的编码要求，首先对数据进行判断，如果输入的是数据“ 0”，则输出的数据为“ 01”；如果输入时数据“ 1”时，就要对“ 1”的奇偶性进行判断，当第一个“ 1”到来时，输出为“ 00”，当第二个“ 1”到来时，输出为“ 11”，并不断的交替反转，来实现 1 的编码。经过编码的信息含有丰富的时钟信息，在接收端可以利用信号的不断反转，通过锁相环和窄带滤波器实现时钟提取的目的。经过 CMI 编码的占用的信道带宽提高一倍，相应的时钟也提高一倍，因此，我们用 2分频器将系统时钟分频，来实现系统信息速率的匹配。 NRZ 码 1 0 CLK 时钟 CMI 码 图 5.3 CMI 编码方框图 单极性码输入本单元后首先用时钟同步一下，如果输入信码“ 1”，则控制电路翻转并试结果输出。如果输入信码是“ 0”则打开一个门开关，使时钟的反相送到输出。 5.3 mBnB 码 mBnB 码是将输入的二进制码流分成 m 比特一组，（组成一个输入码字）并在同样长时间内编成 n 比特一组的码流。因此称为 mBnB 码，它是一种分组码。通常 n m，所以 mBnB 码的传输码率比标称码率要高，码率升高的数值决定于 n 与 m 的比值。数字光纤通信 中用的 mBnB 码是通过约束码字不均来满足传输要求的一类分组码。因此，这种码的码流具有“ 0”“ 1”等概率，连“ 0”和连“ l”数小，直流基线漂移小，低频分量小，功率谱带宽较窄，时钟成分丰富，定时提取方便且抖动小，运行误码监测方便且判据可靠等许多优点。上面这些优点都是通过限制 mBnB码流中累计不均来获得的。 从上面定义可以看出 CMI编码方式实际上是一种 1B2B码，实际码速率比标称码速率高一倍。在低速光纤通信中，小于 8Mbit/s 采用 CMI 是完全合适的。 34 bit/s 以上系统，由于增加线路带宽，会提高线路成本，不 见得合算，所以较少使用。单模光纤使用以后，线路带宽不成问题，因此在 34Mbit/s 以上的高速系统 ,CMI(或 MCMI)也开始使用 (特别是市内中继系统 )。 采样 翻转电路 反相 开关 合成 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 16 - 6 数字发射机的设计 在光纤通信系统中，光发射机的作用是把从电端机送来的电信号转变成光信号，送入光纤线路进行传输。 6.1 实验系统的系统时钟 系统时钟是根据系统要求的码速率而设计的，本实验系统的码速率设计成 4.096Mbit/s。系统时钟是使用一个 4.096M 的晶体振荡器作为主时钟信源，它的特点是稳定而精确。 非门使用 74LS04，在 EWB ver5.0c（ Electronics Workbench）中仿真结果，原理图如下 图 6.1 时钟产生电路的仿真电路图 仿真结果如下： ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 17 - 图 6.2 时钟仿真结果 从前面我们了解到 CMI 编码过程中码速率比标称码速率要大一倍，所以要使用一个二分频器来达到使传输码速率配合系统码速率。 二分频器时钟使用一个 D 触发器设计的。 CLK 图 6.3 二分频电路 6.2 M 序列产生器 本实验系统采用伪随机序列 发生器代替信码产生器， M 序列的特点平衡特性：随机序列中 0和 1 的个数接近相等；游程特性：把随机序列中连续出现 0 或 1 的子序列称为游程。连续的 0或 1 的个数称为游程长度。随机序列中长度为 1 的游程约占游程总数的 1 2，长度为 2 的游程约占游程总数的 1 22，长度为 3 的游程约占游程总数的 1 23 ，；相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。 本实验系统采用是 5 级线性移位寄存器网络产生，具体电路图见图 6.4 图 6.4 M 序列发生器仿真电路图 1 2 3 4ABCD4321DCBACL K3D2SD4CD1Q5Q6U ?A74 L S 74T1CL KN C L KT3T2ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 18 - 具体原理方框图如下 ： 时钟信号 输出信号 图 6.5 M 序列发生器原理图 本电路图是全零启动，但结果不是全零。原因是由于每个 D 触发器的反相端都用 4 与门连接，使在一个时钟码元后，启动端为 1，就不会是全零启动了。本序列结果是一个长度为 32 的伪随即序列。 产生的随即序列为 ： 00000 10101 11011 00011 11100 11010 01 从上面可以得到下列结论： 1、 线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列。 2、 当初始状态是 0 状态时，线性移位寄存器的输出全 0 序列。 3、 级数相同的线性移位寄存器的输出序列和反馈逻辑有关。 4、 同一个线性移位寄存器的输出序列还和起始状态有关。 5、 对于级数为 r 的线性移位寄存器，当周期 p 2r 1 时，改变移位寄存器初始状态只改变序列的初相。这样的序列称为最大长度序列或 m 序列。 该电路的仿真结果如图 6.6 所示： Q3 Q2 Q1 Q0 Q4 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 19 - 图 6.6 M 序列仿真波形图 6.3 CMI 编码器设计 在第五节已经介绍了 CMI 编码的基本原理及其方框图，具体电路原理图在图 6.8 所示，功能是：将电端机（ M 序列发生器）送来的 NRZ 码，转变成合适于光纤的传输码型。设计思路：采用并串变换电路，把并行码变成串行码。即把“ 1”分别交替变成“ 00”和“ 11”、“ 0”变成“ 01”。 在时钟上升边沿， JK 触发器的逻辑是在全为高时，触发，全低时，输出保持。在这里， JK触发器的 JK 端接在一块，为高时，交替出现“ 0”和“ 1”；为低时，为零。如图 6.7 所示： 图 6.7 JK 触发器逻辑关系图 说明在为低时，该片输出为低， T9 处 为“ 0”，在信码为“ 1”时，相当于一个翻转电路。 如果输入信码为“ 0”，则使时钟的反相送出。 图 6.8 CMI 编码电路原理图 CMI 码的仿真结果如下： 时钟 CLK 1 2 3 4ABCD4321DCBACL K3D2SD4CD1Q5Q6U ? A74 L S 74CL K1J3K2CD15SD4Q5Q6U ? A74 L S 11 2123U ? A74 L S 08456U ? B74 L S 08123U ? A74 L S 32CL K11D12SD10CD13Q9Q8U ? B74 L S 74V C CV C CV C CV C CCL KCL K N C L KT6N C L KT7T8T9T 10CM ID A T A D A T AntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 20 - M 序列 CMI 码 图 6.9 CMI 编码原理仿真波形图 从上面可以看出， M 序列的输出码型转化为 CMI 序列的过程。 下面图 6.10 是本实验系统的 M 序列转化为 CMI 码型时的仿真图，从中可以看出 M 序列和CMI 码型的特点：比如 M 序列的周期性，连“ 1”不超过 5 个，连“ 0”不超过 4 个； CMI 码的特 点是，“ 1”用“ 00”和“ 11”交替替代。“ 0”用“ 01”替代。连“ 0”和连“ 1”串都不超过 3 个，显然能够克服连“ 0”和连“ 1”的问题 6。 图 6.10 M 序列的 CMI 编码结果 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 21 - 7 光纤传输部分设计介绍 光纤传输部分是光纤通信系统的核心部分，它的性能直接决定着系统的性能。 数字光纤传输是一个电数字信号光信号电数字信号的过程，主要完成各种速率数据的光纤传输。数字信号通过数字接口送入，码型变换后送入光发射机，光发射机将 其转换成光信号注入光纤信道中传输。接收端的光接收机把它还原成电信号，码型反变换后通过数字接口输出。 光纤传输部分方框图如图 7.1 所示 ： 发射机 接收机 图 7.1 光传部分方框图 7.1 光纤发射模块 光纤发射器模块的工作参数 7 光纤发射模块采用的是 Agilent 公司生产的 HFBR-1505A。该芯片的特性： 使用 SMA 连接器； 650nm 工作波长； 光发模块 光收模块 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 22 - 特别应用于 1mm 的塑料光纤（ POF）中； 应用范围主要为： 工业数据链路； 工厂自动控制数据连接； 电压隔离系统； PLC；马达驱动器； 传感器、测量仪器等。 系统数据可以是 2， 4， 8， 16MBd。 HFBR-1505A 光纤发射器件内部含有一个 650nm 的 LED，使用很轻的绝缘塑料封装。 管脚功能及连接： 表 7.1 HFBR-1505A 管脚连接功能图 管脚 功能 1 4 5 6 7 8 连接管脚 4 连接管脚 1 接地 接地 阴极 阳极 该芯片的最大额定值： 表 7.2 发射模块的最大额定值 光学参数 符号 最小值 最大值 单位 工作与存储温度 TS,O -40 85 正向输入峰值电流 IF,PK 90 mA 正向输入平均电流 IF,AVG 60 mA 反转输入电压 VR 3 V 引线焊接时间 温度 TSOL 260 时间 10 s 光纤发射模块的工作特性曲线 光发送模块的正向电流与正向电压的关系及光功率与注入电流的关系如图 图 7.2 HRBR-1505 俯视图 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 23 - 7.2 光纤接收模块 光纤接收机模块的工作参数 8 HFBR-2505A接收机使用塑料封装，金属涂层。包括一个硅 PIN光电二极管和用来产生逻辑输出兼容数字集成电 路。它和 TTL电平、 CMOS逻辑电平接口都兼容。 表 7.3 接收模块管脚功能 管脚 功能 1 4 5 6 7 8 连接管脚 4 连接管脚 1 接地 接地 阴极 阳极 最大额定值： 表 7.4 接收模块的最大额定值 光学参数 符号 最小值 最大值 单位 工作与存储温度 TS,O -40 85 供应电压 Vcc -0.5 +5.5 V 平均输出电流 IO,AVG -16 +16 mA 输出耗散功率 POD 80 mW 引线焊接时间 温度 TSOL 260 时间 10 s 电气特性和光学特性： 表 7.5 接收模块的电气特性和光学特性 参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 环境 输入峰值功率逻辑高 PRH -42 dBm 1mmPOF 输入峰值功率逻辑低 PRL -20 0 dBm 1mmPOF 供应电流 ICC 27 45 mA Vo=Open 图 7.3 传输电流与正向电压的关系 图 7.4 传输电流与注入光功率的关系曲线 图 7.5 HFBR-2505 封装 图 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 24 - 输出电压高电平 VOH 4.2 4.7 V Io=-40 m 输出电压低电平 VOL 0.22 0.4 V Io=1.6mA 上升时间 Tr 12 30 nm CL=10pF 下降时间 Tf 10 30 nm CL=10pF 7.3 塑料光纤的选择 配合塑料光纤收发器使用的是 1mm的塑料光纤，在国内已有厂家生产，深圳才展 光纤 工业有限公司出品的塑料光纤，有着很好的性能。它的具体参数见表 7.6 我们选用其中为 PC-D-1，使用才展公司配套的跳线接头。 表 7.6 选用塑料光纤的参数 注：应用：传感器、导光、装饰。 *在室温下 ,光源为 650nm所测得数据。 *材料 :PE PVC CPE XPE ETM 。 7.4 光纤收发模块的连接及驱动 电路图 下边是收发器的一个典型的驱动电路。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 25 - 图 7.6 典型的传输接口电路 8 光纤接收机设计 光接收机是光纤通信系统中的一个重要组成部分。目前实用的光纤通信系统，在绝大多数情况下，所传的是数字信号 (少数情况传模拟信号，如传电视信号的系统 )。 ntsPOF 光纤通信实验箱的研制与开发 - 26 - 8.1 接收机的组成 图 8.1 接收机系统方框图 光检测器就是 HFBR-2505A，使用的是 PIN 光电检测器。 8.2 放大电路 在一般的光纤通信系统中，经光电检测器输出的光电流 是十分微弱的，为了使光接收机判决电路正常工作，必须将这种微弱的电信号通过多级放大器进行放大。 大家知道，放大器在信号放大的过程中，放大器本身的电阻将引入热噪声；放大器中的晶体管将引入噪声。不仅如此，而且，在一个多级放大器中，后一级放大器将会把前一级放大器输出的信号和噪声同样放大，亦即前一级放大器的引入噪声也被放大了。 上述两点论述合起来即：信号本来就很弱，又引入了噪声，而且还被同样放大。因此，对多级放大器的前级就有特别要求，它应是低噪声、高增益的，这样才能得到较大的信噪比。一个好的放大器能使系统的最大无中继 通
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