课程设计 (2).doc

光纤通信的课程设计班级：090114姓名：牛帅 庞瑞 马驰 马东风摘要：随着数字技术和光纤通信技术各自的进步，以及社会对于光纤集成网络以实现资源共享的要求日益增长，数据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，数字光纤通信已经越来越多地应用到了社会各个领域中。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。通过各种光电设备连接成SDH 同步数字序列的数字光纤传输系统。 关键词：光纤通信技术、数字光纤传输系统1. 引言1.1 设计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数字通信联系在了一起，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。1.2 光纤通信技术概念所谓光纤通信，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，对光波进行调制与解调，由于目前技术水平所限，目前大都采用强度调制与直接检波方式。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。1.3 数字光纤传输的优点光通信与电通信相比，具有无以伦比的优越性。1. 通信容量大一根光纤同时传输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，再加上波分复用技术，其通信容量之大就更加惊人了。2. 中继距离长石英光纤具有极低的衰耗系数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。传统的电缆、微波等根本无法与之相比的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。此外，已在进行的光孤子通信试验，全球无中继的光纤通信目的能实现。3. 保密性能好光波在光纤中传输时只在纤芯进行，基本上没有光“泄露”，因此其保密性能极好。4. 适应能力强不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强大于一定弯曲半径其性能不受影响。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，即砂子是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。2.数字光纤传输系统设计2.1 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；调制器将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2-2 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2.2 所示。图2-3 传输原理框图2.2 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。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2-4 数字光发射机方框图2.2.1 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。单色性好。（2） 电/光转换效率高，在低驱动电流下，有够大稳定的输出光功率，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，有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）可满足不同场合的要求。2.2.2 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。选用的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） 输出光脉冲的宽度远大于电光延迟，光脉冲的上升、下降、开通延迟应足够短，以便在高速率调制下，输出的光脉冲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）采用自动功率控制和自动温度控制，以保证输出光功率有足够可靠稳定性。2.2.3 线路编码电路线路编码必要性，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2-1 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2.4示出了编码电路原理框图即可实现。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2-5 3B4B码编码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2-6 3B4B码译码框图 2.3 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2-7 数字光接收机框图2.3.1 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）。2.3.2 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。主放大器一般是多级放大器，它的作用是提供足够的增益，并通过它实现自动增益控制（AGC），以使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。2.3.3 均衡和再生均衡的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变（失真）的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括判决电路和时钟提取电路，从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地堆码元进行取样判决，以得到原发送的码流。3总结介绍了光纤通信技术的概念，发展背景及数字光纤通信的优点，了解了光纤通信的基础知识并在之上研究设计了数字光纤通信传输系统，详细地研究了光纤通信系统的工作原理，和完成光纤传输的各部分组成的模块光电器件，具体分析了各个器件的工作功能和实现原理，对于以后的光网络发展充满期待，其光系统的发展潜力无穷等待着我们去挖掘， 参考文献1 刘增基等.光纤通信.西安:西安电子科技大学出版社,20012 Djafar K.Mynbaev(著),徐公权等(译).光纤通信技术.北京:机械工业出版社,20023 杨心强等.数据通信与计算机网络(第二版).北京:电子工业出版社