论文光纤线路编码设计与实现正文.doc

大连理工大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪论 1 1 光纤通信简介 1 1 1 光纤通信的发展状况 我国从 20 世纪 70 年代初开始光通信的研究 到 1976 年研制出了可用 于通信的多模光纤 1979 年 多模光纤在短波长窗口的损耗已低于 50dB km 长波长窗口的损耗已低于 1 0dB km 1987 年底 中国建成了从 武汉至荆州全长约 250km 的第一条长距离架空光缆 使用国产长途光纤通 信系统 传送 34Mblt s 的数字信号 1990 年利用国产设备建成了兰州至乌 鲁木齐的直埋式长途光缆通信干线 六五 期间 中国公用邮电通信网建 设光缆线路 331 5km 七五 期间建设光缆线路 7310 5km 八五 期间完 成 22 条光缆干线的建设任务 使国内光缆总长度达到 14 5 万公里 1994 年 以后 除极少数干线采用 622Mbit s 系统外 大多数干线直接采用 2 5Gbit s 系统 10Gbit s 系统和波分复用系统 截止到 1998 年底 中国公用邮电通 信网已完成了连接全国 31 个省 自治区 直辖市 的 八纵八横 骨干光 缆传输网建设 铺设的长途和本地中继光缆 不包括接入网 总长度为 100 万公里 到如今 光纤通信已经发展到以采用光放大器 Optical Amplifier OA 增加中继距离和采用波分复用 Wavelength Division Multiplexing WDM 增加传输容量为特征的第四代系统 单信道商用速率 采用电时分复用 ETDM 可以做到 10Gbit s 实验室速率可高达 40Gbit s 几乎到达了电子器件的极限速率 320Gbit s 32 10Gbit s 波分 复用系统已开始大批量装备网络 1 1 2 光纤通信的优点与缺点 光纤通信在短短的几十年中发展如此迅速 并使得世界 80 以上的电 大连理工大学本科生毕业论文 2 信业务在光纤通信网中传送 是与其无可比拟的优越性分不开的 它的主要 优点有 1 光纤的容量大 光纤通信是以光纤为传输媒介 光波为载波的通信系统 其载波具有很 高的频率 约 1014Hz 因此光纤具有很大的通信容量 目前商用系统单信 道速率可达 10Gbit s 相当于一对光纤上同时传送 12 万多路电话 多信道 总容量可达 1 6Tbit s 相当于 1920 多万路电话 即便如此 使用的带宽也 大概只有光纤带宽的 1 2 损耗低中继距离长 目前 实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤 此类光纤在 1 55 m 波长区的损耗可低到 0 18dB km 比已知的其他通信线路的损耗都 低得多 如果今后采用非石英光纤 并工作在超长波长 2 m 光纤的 理论损耗系数可以下降到 10 3 10 5dB km 此时光纤通信的中继距离可达数 千 甚至数万公里 3 抗电磁干扰能力强 高压电线辐射出的电磁波 开动的电气列车产生的电火花 它们都会干 扰电话线里和电缆里传送的电信号 但是光导纤维是石英玻璃丝 是一种非 导电的介质 交变电磁波在其中不会产生感生电动势 即不会产生与信号无 关的噪声 就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近 也不会受到电磁 干扰 4 保密性能好 对通信系统的重要要求之一就是保密性好 电通信方式很容易被人窃听 而光纤通信与电通信不同 由于光纤的特殊设计 光纤中传送的光波被限制 在光纤的纤芯和芯包界面附近传送 很少会跑到光纤之外 即使在弯曲半径 很小的位置 泄漏光功率也是十分微弱的 并且成缆以后光纤的外面包有金 属做的防潮层和橡胶材料的护套 这些均是不透光的 因此 泄漏到光缆外 的光几乎没有 光纤通信还有体积小 重量轻 节省有色金属等优点 大连理工大学本科生毕业论文 3 它的主要缺点有 1 抗拉强度低 光纤的理论抗拉强度要大于钢的抗拉强度 但是光纤在生产过程中表面 存在或产生微裂痕 光纤受拉时应力全都加于此 从而使光纤的实际抗拉强 度非常低 这就是裸光纤很容易折断的原因 2 光纤连接困难 要使光纤的连接损耗小 两根光纤的纤芯必须严格对准 由于光纤的纤 芯很细 只有几个微米 加之石英的熔点很高 因此连接很困难 需要有 昂贵的专门工具 8 1 1 3 光纤通信的线路编码 在数字通信中 传输码型的选择是一个必须考虑的问题 由于光纤通信 有很多优点 所以研究光纤信道的码型变换有重要的实际意义 在数字光纤 通信系统中 所传的信号是数字信号 然而 根据原国际电报 电话咨询委 员会 CCITT 的建议 在脉码调制 PCM 通信系统中 接口码速率与接 口码型如表 1 1 所示 表 1 1 中 HDB3称为三阶高密度双极性码 这种码 型的特点之一是具有双极性 亦即具有 1 1 0 三种电平 这种双极性码 由于采取了一定措施 使码流中的 1 和 1 交替出现 因而没有直流分量 同时 这种码型又可利用其正 负极性交替出现的规律进行自动误码监测等 CMI 为传号反转码 它是一种两电平不归零码 它的码型变换原则是将原 来的二进制码的 0 编为 01 将原来二进制的 1 编为 00 或 11 若前一次用 00 则后一次用 11 即 00 和 11 是交替出现的 从 而使 0 1 在码流中是平衡的 并且它不出现 10 作为禁字使用 因此 一旦码流中出现 10 就知道前面产生了误码 因而具有误码监测功 能 表表 1 1 接口码速率与接口码型接口码速率与接口码型 基群二次群三次群四次群 大连理工大学本科生毕业论文 4 接口码速率 Mb s 2 4088 44834 368139 264 接口码型HDB3HDB3HDB3CMI 然而 PCM 系统中 HDB3码有 1 0 1 三种状态 而在光纤数字通信 系统中 光源只有发光和不发光两种状态 所以在光纤系统中无法传输 HDB3码 简单的单极性非归零码 NRZ 码 却有产生长连 0 和长连 1 的情况 会影响信号的传输所以需要重新编码 线路编码又称信道编码 其 作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量 以便于在光纤中传输 接收及监测 大体可归纳为三类 扰码二进制 字变换码 插入型码 10 1 2 CMI 编码器的设计思路 1 2 1 CMI 编码的原因与原则 在光纤信道传输中 简单的单极性非归零码 NRZ 码 有产生长连 0 和长连 1 的情况 当产生长连 0 时 在其持续时间内没有触发脉冲供 给定时提取电路 当产生长连 1 时 可能由于码间干扰使传输波形变坏 这两种情况 不能保证提供足够的定时信息 都会严重影响信息的正确传输 因此在光传输之前要对 NRZ 码进行重新编码 使其信号序列中 0 和 1 的出现几率近似相等 并且限制长连的情况产生 CMI 码是 CCITT 建议的 PCM 基带传输的码型 编码原则是 NRZ 码 中的 1 码交替地变换为 00 和 11 码 NRZ 码中的 0 码变换为 01 码 CMI 码属于二电平的不归零 NRZ 的 1B2B 码型 这种码的特 点是 1 不出现连续 4 个以上的 0 码或 1 码 有频繁的波形变换 易 于定时提取 2 电路简单 易于实现 3 有一定的纠错能力 当编码规则被破坏后 即意味着误码产生 便 于中继监测 CMI 码在一个周期里不能出现 10 组合 4 有恒定的直流分量 且低频分量小 频带较宽 大连理工大学本科生毕业论文 5 5 传输速率为编码前的 2 倍 适用于低速率的光纤传输系统 我们基于 CMI 码能防止长连 0 和长连 1 的情况出现 便于提取 时钟信息 有检错能力 并且电路具有便于实现 成本低等优点 因此 我 选择用 CMI 码实现线路编码 1 2 2 CMI 编码器的基本原理和方框图 首先 需要将 NRZ 码中的 1 码和 0 码分开 再分别进行编码处 理 编码处理后再用迭加器合在一起就可以了 迭加器可以用异或门 整个 设计中需要有一个码型发生器来提供 NRZ 码 并且 NRZ 码中要有至少 3 个 长连 1 码或者 0 码 还需要一个时钟信号要求 25KHz 左右 这个时 钟信号可以用 555 定时器产生 它便于信号频率的调整 对于时钟信号产生 器和码型发生器的设计将在第 2 章中详细讲解 波形识别器 1 码转换器 倍频器 0 码转换器 异或 CMI NRZ CP 图 1 1 CMI 编码器原理方框图 根据 CMI 编码器的编码原理 编码器可共分为五部分 方框图如图 1 1 所示 1 2 3 CMI 编码器预期设计指标 编码器输入波形要求 输入为二进制 NRZ 码和半占空方波时钟 速率 为 25Kb s 编码器输出波形要求 输出为 CMI 码 速率为 2 25Kb s 幅度为 5V 左右 大连理工大学本科生毕业论文 6 1 2 4 辅助设计 为了使 CMI 编码电路能便于调试 测量 设计者认为需要另外设计适 合 CMI 编码电路的时钟信号产生器 码型发生器 光发射机电路 这几部 分的具体实现电路将在后几章做详细分析设计 整体方框图如图 1 2 所示 时钟信号产生器 码型发生器 CMI 编码器 光发射电路 光纤信道 图 1 2 整体方框图 1 2 5 电路仿真 设计电路的仿真使用 Multisim2001 仿真软件 Multisim2001 软件是 EWB 软件的最新版本 专门用于电路仿真 是迄今为止使用最方便 最直 观的仿真软件 具体仿真过程将在第 3 章中详细讲解 大连理工大学本科生毕业论文 7 第 2 章 电路设计 2 1 CMI 编码器电路的设计 2 1 1 CMI 码的编码原则 数字光纤通信与数字电缆通信一样 在其传输信道中 通常不直接传送 终端机 例如 PCM 终端机 输出的数字信号 而需要经过码型变换 使之 变换成为适合于传输信道传输的码型 称之为线路码型 在数字光纤通信中由 于光源不可能发射负的光脉冲 只能采用 0 1 二电平码 但简单的二 电平码的直流基线会随着信息流中 0 1 的不同的组合情况而随机起 伏 而直流基线的起伏对接收端判决不利 因此需要进行线路编码以适应光 纤线路传输的要求 线路编码还有另外两个作用 其一是消除随机数字码流 中的长连 0 和长连 1 码 以便于接收端时钟的提取 其二是按一定规 则进行编码后 也便于在运行中进行误码监测 以及在中继器上进行误码遥 测 在光纤信道传输中 简单的单极性非归零码 NRZ 码 有产生长连 0 和长连 1 的情况 当产生长连 0 时 在其持续时间内没有触发 脉冲供给定时提取电路 当产生长连 1 时 可能由于码间干扰使传输波 形变坏 这两种情况 不能保证提供足够的定时信息 都会严重影响信息的 正确传输 因此在光传输之前要对 NRZ 码进行重新编码 使其信号序列中 0 和 1 的出现几率近似相等 并且限制长连的情况产生 CMI 码属 于二电平的不归零 NRZ 的 1B2B 码型 这种码的特点是 1 不出现连续 4 个以上的 0 码或 1 码 易于定时提取 2 电路简单 易于实现 3 有一定的纠错能力 当编码规则被破坏后 即意味着误码产生 便 于中继监测 4 有恒定的直流分量 且低频分量小 频带较宽 大连理工大学本科生毕业论文 8 5 传输速率为编码前的 2 倍 适用于低速率的光纤传输系统 12 CMI 码是原 CCITT 建议的 PCM 基带传输的码型 它的编码原则是 NRZ 码中的 1 码交替地变换为 00 码和 11 码输出 NRZ 码中的 0 码变换为 01 码输出 变换的波形如图 2 1 所示 图 2 1 CMI 码变换波形图 2 2 2 CMI 编码器设计指标 1 编码器输入波形要求 输入为二进制 NRZ 码和半占空方波时钟 速 率为 25Kb s 2 编码器输出波形要求 输出为 CMI 码 速率为 2 25Kb s 幅度为 5V 左右 3 发射的光信号功率要求 功率达到 0 05mW 2 2 3 编码器设计过程 1 编码器整体方框图 根据 CMI 编码器的编码原理 编码器共分为五部分 整体方框图如图 2 2 所示 NRZ 码和时钟信号 CP 由后面设计的码型发生器和时钟信号产生 器提供 1 波形识别器 将输入二进制码的 1 和 0 识别出来 分别送 大连理工大学本科生毕业论文 9 入 1 码转换器和 0 码转换器 2 1 码转换器 将 1 码变换成为宽度为 T 的电平 A1 0 或电平 A2 1 当信号是连续 1 时 保证两个电平交替出现 3 0 码转换器 将 0 码变换成两个电平 A1A2 01 其中 A1和 A2的宽度各为 T 2 4 倍频器 将时钟脉冲倍频 得到码宽为 T 2 的矩形脉冲 以便为 0 码转换提供 A1A2 信号 5 异或门 将二进制 NRZ 码 1 和 0 信号变换后的代码相迭加 并输出 波形识别器 1 码转换器 倍频器 0 码转换器 异或 CMI NRZ CP 图 2 2 CMI 编码器整体方框图 2 波形识别器和 1 码转换器的设计 1 根据设计要求画出状态的转换图 根据 CMI 码的编码原则 输入和输出的关系要求编码器应有四个状态 即 S0 S1 S2 S3 若初态为 S0 输入 0 时 保持原态 S0 输出 01 若初态为 S0 输入 1 时 状态变为 S1 输出 00 若初态为 S1 输入 0 时 状态变为 S2 输出 01 若初态为 S1 输入 1 时 状态变为 S3 输出 11 若初态为 S2 输入 0 时 保持原态 S2 输出 01 若初态为 S2 输入 1 时 状态变为 S3 输出 11 若初态为 S3 输入 0 时 状态变为 S0 输出 01 若初态为 S3 输入 1 时 状态变为 S1 输出 00 大连理工大学本科生毕业论文 10 按此画出状态转换图如图 2 3 所示 其中 x z 表示输入 输出 从状态图 不难看出 S0与 S3和 S1与 S2分别是等价状态 所以状态图可以化简为图 2 4 所示 图 2 3 状态转换图 图 2 4 状态转换简图 2 状态分配 因为电路只有两个状态 用一个触发器即可 取 S0状态为 1 S1状 态为 0 此时状态编码转换表见表 2 1 所示 表表 2 1 状态编码转码转换表状态编码转码转换表 输入 X现态 Qn次态 Q n 1输出 Z 00001 01101 10111 大连理工大学本科生毕业论文 11 11000 3 选定触发器 求输出方程 状态方程和驱动方程 选用 D 触发器 其特性方程为 Qn 1 D 2 1 从状态转换表 2 1 可以看出 输出虽然是两位码 但对 1 码转换转 器 只要求在 X 1 时 输出转换成 11 或 00 并且要求 11 和 00 交替输出 这时的输出却相当于持续时间为 T 的 1 或 0 而在 X 0 时 1 码转换器输出永远是 0 所以这时的 01 可以写作 0 因此 它的输出函数卡诺图可画成如图 2 5 所示 所以得到输出方程为 2 2 nn ZxQx Qx A Qn X01 000 110 图 2 5 Z 的卡诺图 为了得到触发器的驱动方程 首先需要求出状态方程 从表 2 1 我们不 难画出触发器次态 Qn 1的卡诺图 如图 2 6 所示 Qn X 01 001 110 图 2 6 Qn 1的卡诺图 所以 2 3 1nn QxQ 将上式状态方程与 D 触发发器的特性方程对比 即可求出驱动方程为 大连理工大学本科生毕业论文 12 2 4 n DxQ 4 画出电路图 从输出方程 驱动方程不难画出 1 状态转换器的电路图 但考虑到 0 码转换器的需要输入 X 的反相信号 所以多加一级 D 触发器 以便从 端取得 0 码转换器的开门信号 电路图如图 2 7 所示 Q 图 2 7 识别器和 1 码转换器电路图 3 倍频器的设计 倍频器由一个反相器 两个积分型单稳态触发器与一个半加器组成 5 单稳态触发器只有一种稳定状态 当外加触发脉冲时 电路就从稳态翻 转到暂稳态 经过一定时间后 它又自动返回稳态 积分型单态触发器如图 2 8 所示 其工作原理是 在 A 端无触发信号时 非门 1 输出为 1 与非 门 2 输出为 1 经反相器非门 3 输出为 0 这是触发器的稳定状态 此 时 B C 两点均为高电位 当正触发脉冲由 A 端输入时 由 0 1 非门 1 的输出立即变为 0 与非门 2 的输出从 1 变为 0 进入触发器的暂 稳态 在暂态时 B 点变为低电位 所以电容 C1电压通过 R1放电 使 C 点 电位按指数规律下降 当下降到与非门 2 的阈值电压时 与非门 2 输出由 大连理工大学本科生毕业论文 13 0 变为 1 恢复到稳态时的高电平 由此可见 在触发脉冲的作用下 与非门 2 输出一个负窄脉冲 经非门 3 反相输出一个正窄脉冲 这种触发器 是脉冲前沿进行触发的 输出脉冲宽度与 R1C1时间常数有关 显然这种触 发器的输入脉冲宽度要大于单稳态触发器输出的脉冲宽度才行 否则触发脉 冲后沿将使门 2 由 0 变 1 单稳态电路提前恢复到稳定状态 图 2 8 积分型单稳态电路 用两个积分型单稳态电路 其输入分别为两个相位相反 频率均为 25KHz 的信号 并将两个输出迭加 调节 R1 R2使其迭加后的频率达到 2 25KHz 即可 倍频器的电路如图 2 9 所示 为了在后面的调试过程中有 调节的余地 我选择 R1 R2用 100K 的电位器 C1 C2选择 0 01 F 电容 根据 计算 RC 1 f 图 2 9 倍频器电路 大连理工大学本科生毕业论文 14 4 0 码转换器和迭加电路的设计 根据 CMI 码编码原理 输入为 0 时 输出 01 所以只要有一个 波形识别器和一个触发器即可解决 0 码转换器如图 2 10 所示 其工 T 作原理是 当 X 0 时 输出为 01 当 X 1 时 输出保持原状态不变 即输出总是 1 最后将 1 码转换器与 0 码转换器的输出迭加起来 便可得到 CMI 码输出 图 2 10 0 码转换器电路 5 整体电路 根据上述设计结果综合前面三个部分的电路便可以组成总的 CMI 编码 器电路 CMI 码编码电路见图 2 11 其工作原理是 首先将电路置 0 当输 入 NRZ 0 时 1 码转换器的输出总是 0 编码器输出由 0 码转换器控 制 当输入 NRZ 1 时 0 码转换器保持原状态 1 不变 编码器输出由 1 码转换器控制 然后将 1 码转换器的输出和 0 码转换器的输出 迭加在一起得到 CMI 码 电路图中的元器件都选择用 74LS 系列的 其中 U6A U6B R1 C5 U3D U3E 是整形 延迟电路 C1 C2是滤波电容用 来去掉波形边缘的毛刺 它们选择几百皮法的电容 就可以克服电路中的竞 争冒险现象 到这里就完成了 CMI 编码器电路的设计 2 3 时钟信号产生器的设计 本设计需要用到时钟信号 我选择用 555 定时器来完成 555 定时器是 一种多用途的数字与模拟混合集成电路 利用它能极方便地构成施密特触发 大连理工大学本科生毕业论文 15 器 单稳态触发器和多谐振荡器 由于使用灵活 方便 所以 555 定时器在 波形的产生与变换 测量与控制 家用电器 电子玩具等许多领域中都得到 了应用 它的应用还可以组成定时 延时和脉冲调制等各种电路 图 2 11 CMI 编码器电路图 正因为如此 自从 Signetics 公司于 1972 年推出这种产品以后 国际上 各主要的电子器件公司也都相继地生产了各自的 555 定时器产品 尽管产品 型号繁多 但所有双极型产品型号最后的 3 位数码都是 555 所有 CMOS 产品型号最后的 4 位数码都是 7555 而且它们的功能和外部引脚的排列完 全相同 后来为了提高集成度 随后又生产了双定时器产品 556 双极型 和 7556 CMOS 型 555 定时器的引脚图如图 2 12 所示 图 2 13 为 TTL 集成定时器 NE555 的电路结构图 从图中可知 它有 8 个引出端 1 接地端 8 正电源端 4 复位端 6 高触发端 2 低触 大连理工大学本科生毕业论文 16 发端 7 放电端 3 输出端 5 电压控制端 NE555 是双列直插式组件 图 2 12 555 定时器引脚图 它由电压比较器 电阻分压器 基本 RS 触发器 放电管和输出缓冲级几个 基本单元组成 A1和 A2是两个电压比较器 由图可知 A1的同相输入端接 参考电压 2Vcc 3 A2的反相输入端接参考电压 Vcc 3 在高触发端和低触发 端输入电压的作用下 A1和 A2的输出为高或低电平 它们作为基本 RS 触 发器的输入信号 基本 RS 触发器的输出 Q 经过一级与非门控制放电三极管 再经过一级反相驱动门作为输出信号 555 组件接上适当的 R C 定时元件 就可构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器电路 4 图 2 13 定时器 NE555 的电路结构图 2 3 1 555 定时器接成施密特触发器 大连理工大学本科生毕业论文 17 用 555 定时器可以很方便地接成施密特触发器 只要将 555 的高电平触 发端和低电平触发端连接起来 作为触发信号的输入端 就可构成施密特触 发器 如图 2 14 所示 由于 TH 是 555 中电压比较器的输入 输入信IR 号的大小直接决定了电压比较器和整个电路的输出状态 当 TH 连接在IR 一起时 整个电路的状态由输入电压的大小决定 并在输入电压作用下 电 路 图 2 14 555 定时器构成的施密特触发器电路 状态能快速变换 且有两个稳定状态 现以输入电压 u1为如图 2 15 所示的 三角波为例 来说明图 2 14 电路的工作过程 在 u1上升期间 当 u1 Vcc 3 时 电路输出 u0为高电平 当 Vcc 3 u1 2Vcc 3 时 输出 u0不变 仍为高电 平 当 u1增大到略大于 2Vcc 3 时 电路输出 u0变为低电平 当 u1由高于 2Vcc 3 值下降达到 TH 端 6 管脚 的触发电平时 电路输出不变 直到 u1 下降到略小于 Vcc 3 时 输出 u0跃变为高电平 根据上述过程可得出 u1是 三角波时 输出电压变为上升沿和下降沿都很陡峭的矩形波 如图 2 15 所 示 此图进一步说明 u1上升时电路改变状态的输入电压 UT 和 u1下降时 电路改变状态的输入电压 UT 不同 大连理工大学本科生毕业论文 18 图 2 15 u1的输入波形和 u0的输出波形 2 3 2 555 构成的多谐振荡器 555 外接定时电阻 R1 R2和电容 C 构成的多谐振荡器 电路如图 2 16 所示 将高电平触发端 TH 和低电平触发端 TR 相连 且放电回路中还串接 了一个定时电阻 R2 图 2 16 多谐振荡器电路 电路工作过程分析 当接通电源 Vcc时 如电容 C 上的初始电压为 0 u0处于高电平 放电管 T 截止 电源通过 R1 R2向 C 充电 经过 t1时 间后 uc达到高触发电平为 2Vcc 3 u0由 1 变为 0 这时放电管 T 导通 电 容 C 通过电阻 R2放电 到时 uc下降到低触发电平为 Vcc 3 u0又翻回 2 tt 到 1 状态 随即 T 又截止 电容 C 又开始充电 如此周而复始 重复上述 的过程 就可以在输出端 3 管脚 得到矩形波电压 如图 2 17 所示 大连理工大学本科生毕业论文 19 图 2 17 振荡器的输入 输出波形 现在我们来计算此电路的振荡周期 为了简单起见 设组件内运放 A1 A2的输入电阻为无穷大 并近似地认为放电管 T 截止时 DIS 端对地 的等效电阻为无穷大 而放电管 T 导通时 管压降为零 现以为起始 2 tt 点 可得充电时间 T1为 2 5 11212 ln20 693 TRR CRR C 若以 t3为起始点 可得电容 C 的放电时间为 2 6 222 ln20 693TR CR C 由此可得方波的周期为 频率为 12 TTT 2 7 1212 1 1 44 2 fTTRR C 振荡频率主要取决于时间常数 R 和 C 改变 R 和 C 参数可改变振荡频 率 幅度则由电源电压 Vcc来决定 但是 输出的矩形波是不对称的 如果 则占空比接近于 1 此时 uc近似地为锯齿波 12 RR 本设计中需要产生 25KHz 左右的方波 根据公式 2 7 可计算出一组 R1 R2和电容 C 的值 我选择 Vcc 5V R1 130K R2 4 3K C 200PF 输出的方波基本能满足设计要求 频率为 25KHz 左右 幅度为 5V 左右 为码型发生器和 CMI 编码器提供时钟信息 其输出波形可以用数字示波器 观察 频率也可以用数字示波器测量 2 4 码型发生器的设计 大连理工大学本科生毕业论文 20 2 4 1 m 序列 m 序列是目前广泛应用的一种伪随机序列 通常产生伪随机序列的电路 为一反馈移存器 它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两大类 由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反 馈移存器序列 通常简称为 m 序列 所谓伪随机序列 是指具有随机特性 的确定序列 又称伪噪声 PN 码 m 序列是最长线性反馈移位寄存器序 列的简称 是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的一种序列 m 序列是 一种很实用的正交码 由于各码组间相关性很弱 因而具有很强的抗干扰能 力 m 序列的特性使其在保密通信 码分多址通信 计算误码率及延时测距 等方面有着广泛的应用 而且 m 序列的理论比较成熟 实现比较简单 所 以在实际中有广泛的应用 1 2 4 2 方案比较 方案一 用单片机生成一个固定的循环序列 该方案可以人为设定所需 的序列输出 但是实现起来相对复杂 而且本设计所需要的码型发生器在产 生一定的输出码后不需要改变输出码的序列 因此不予采用 方案二 由于我们需要生成有长连 1 或者长连 0 至少 3 个 的 序列输出 所以我考虑可以直接搭建一个有特定输出码型的电路 这是一种 构成序列信号产生器常见的方法 采用带反馈逻辑电路的移位寄存器 这种 方法的造价低廉 所以我选择方案二 2 4 3 码型发生器设计过程 1 画状态转换表 根据设计对码型的要求我决定使码型发生器产生 1110010 码 它的 周 期 T 7 所以 2n 1 7 n 3 特征多项式为 可用 3 位的移 32 1xx 位寄存器和反馈逻辑电路构成所需要的序列信号发生器 得到线性反馈移位 大连理工大学本科生毕业论文 21 寄存器如图 2 18 所示 从 Q0端输出的就是所要的序列信号 图 2 18 线形反馈移位寄存器 根据图 2 18 可以写出对应的状态转换表如表 2 2 所示 2 求出输出方程 再根据表 2 2 所示的关系 可以画出输出 D0与 Q0Q1Q2的卡诺图如图 2 19 所示 表表 2 2 状态转换表状态转换表 CPQ2Q1Q0D0 00100 11010 21101 31110 40111 50011 61001 Q1Q2 Q0 00011110 01011 11100 图 2 19 D0的卡诺图 大连理工大学本科生毕业论文 22 所以 输出方程为 2 8 00120101 DQ Q QQ QQ Q A AAA 化简得 2 9 010012 DQQQQQ 3 确定电路图 根据公式 2 9 就可以确定码型发生器的电路图 如图 2 20 其中或门 和或非门的作用是当初始状态都是 0 时 输出为 1 码型发生器可以启动 图 2 20 码型发生器电路图 2 5 信号的发射 前面我们已经完成了时钟信号产生器 码型发生器 CMI 编码器电路 的设计 在光纤通信系统中 信号的发射是重要的组成部分 在这一节中主 要来完成信号的发射电路 这样我们就可以用光功率计来测量光信号的功率 2 5 1 光发射机 大连理工大学本科生毕业论文 23 光纤通信系统传输的是光信号 在光纤信道中光信号需要载体才能正常 传输 光发射机作为光纤通信系统的光源 便成为重要的器件之一 它的作 用是产生作为光载波的光信号 作为信号传输的载体携带信号在光纤传输线 中传送 由于光纤通信系统的传输媒介是光纤 因此作为光源的发光器件 应满足以下要求 1 体积小 与光纤之间有较高的耦合效率 2 发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口 即 0 85 m 1 31 m 和 1 55 m 波段 3 可以进行光强度调制 4 可靠性高 要求它工作寿命长 工作稳定性好 具有较高的功率稳 定性 波长稳定性和光谱稳定性 5 发射的光功率足够高 以便可以传输较远的距离 有一定的可靠性 6 温度稳定性好 即温度变化时 输出光功率以及波长变化应在允许 的范围内 能够满足以上要求的光源一般为半导体二极管 目前全光纤激光器作为 一种新型的激光器也有望在光纤通信系统中发挥其作用 最常用的半导体发 光器件是发光二极管 LED 和激光二极管 LD 前者可用于短距离 低容 量或模拟系统 其成本低 可靠性高 后者适用于长距离 高速率的系统 在选用时应根据需要综合考虑来决定 因此它们都有自己的优缺点和特性 下面就两者的性能作系统的比较 如表 2 3 所示 表表 2 3 激光二极管与发光二极管激光二极管与发光二极管 激光二极管发光二极管 输出光功率较大 几 mW 到几十 m 输出光功率较小 一般仅 1m 到 2mW 带宽大 调制速率高 几百 MHz 到几十 GHz 带宽小 调制速率低 几十到 200MHz 大连理工大学本科生毕业论文 24 光束方向性强 发散度小方向性差 发散度大 与光纤的耦合效率高 可高达 80 以上与光纤的耦合效率低 仅百分之几 光谱较窄制造工艺难度小 成本低 制造工艺难度大 成本高可在较宽的温度范围内正常工作 在要求光功率较稳定时 需要 APC 和 ATC在大电流下易饱和 输出特性曲线的线性度较好在大电流下易饱和 有模式噪声无模式噪声 可靠性一般可靠性较好 工作寿命短工作寿命长 根据 LED 和 LD 的性能 在选择光源时要做到技术上合理 经济上合 适以便于应用 因为本设计传输距离近 对发射机性能要求低 所以我选择 用发光二极管 而且发光二极管的制造工艺难度小 成本低 更使其适合在 本设计中应用 2 5 2 LED 的数字驱动电路 在小型模拟或低速 短距离数字光纤通信系统中 都可以采用 LED 作 为系统光源 不论哪种通信系统 用 LED 作光源时 均采用直接强度调制 方式即通过改变 LED 的注入电流调制输出光功率 LED 的数字调制原理是 利用信号电流为单向二进制数字信号 用单向脉冲电流的 有 无 1 码和 0 码 控制发光管的发光与否 调制系统通过控制流经发光管 电流的办法达到调制输出光功率的目的 LED 的数字驱动电路主要应用于二进制数字信号 驱动电路应能提供 几十至几百毫安的 开 关 电流 码速不高时 可以不加偏置 但在高 码速时 需加小量的正向偏置电流 有利于保持二极管电容上的电荷 几种 典型的 LED 数字驱动电路如图 2 21 所示 其中 图 a 为晶体管共射驱动电路 晶体管用作饱和开关 提供电 流增益 其两端的电压降较小 饱和压降 Vcc 0 3V 图 b 中的达林顿 大连理工大学本科生毕业论文 25 结构因高电流增益 降低了输出阻抗 这一电路可得到 2 5ns 的光上升时间 可传输 100Mb s 的数字信号 但由于发射极输出的负载不是纯电阻 所以 可能使电路发生振荡 RlCl并联串接于发射极电路 组成发射极跟随电路 提供电压阶跃 以补偿驱动电流开始时 对发光管电容充电所造成的光驱动 电流的下降 从而使驱动器可工作在高码速情况下 图 c 为发射极耦合 开关式驱动电路 可传输 300Mb s 以上的数字信号 晶体管 Tl和 T2是发 射极耦 a 简单的共射极饱和开关电路 b 低阻抗射极跟随式驱动电路 c 发射极耦合开关式驱动电路 d 高速 LED 驱动电路 图 2 21 几种典型的 LED 数字驱动电路 合式开关 T3为恒流源 发光管的驱动电流由恒流源决定 这种电路类似 线性差分放大器 实际作开关用 由于它超越了线性范围工作 输入端过激 励时 仍没有达到饱和 所以开关速率更高 图 d 为高速 LED 驱动电路 当 LED 为面发光管时 可传输 2Gb s 以上的数字信号 该电路的脉冲前后 大连理工大学本科生毕业论文 26 沿为 0 35ns 预偏置为 15mA 电流峰值为 100mA 在本设计中由 5V 直流电源提供能量 CMI 编码器输出码的电压在 5V 左右 所以对驱动电路要求不大 为了使设计方便简单 我选择使用 74LS140 作为驱动电路来提高电信号的功率 光发射电路使用 HFBR 1414T 型发光二极管 14 2 5 3 光功率计 光功率计是测量光纤上传送信号强度的设备 用于测量绝对光功率或通 过一段光纤的光功率相对损耗 在光纤系统中 测量光功率是最基本的 光 功率计的原理非常像电子学中的万用表 只不过万用表测量的是电量 而光 功率计测量的是光 在光纤测量中 光功率计是重负荷常用表 通过测量发 射端机或光网络的绝对功率 光功率计就能够评价光端设备的性能 用光功 率计与稳定光源组合使用 组成光损失测试器 则能够测量连接损耗 检验 连续性 并帮助评估光纤链路传输质量 针对用户的具体应用 要选择适合 的光功率计 应该关注以下各点 1 选择最优的探头类型和接口类型 2 评价校准精度和制造校准程序 与光纤接头要求范围相匹配 3 确定这些型号与功率计测量范围和显示分辨率相一致 CMI 码电信号通过驱动电路后 获得了足够的传输功率 然后经发光 二极管发射到光纤信道中 本设计只提供了光信号在尾纤中输出的情况 用 OA 101 光功率计测量其传输功率为 0 053mW 基本达到了预期设计目标 2 6 本章小结 本章是整个毕业设计的主体 完成了全部的硬件电路设计 主要分成四 个部分有时钟信号产生器 码型发生器 CMI 编码器和信号驱动与发射电 路 设计本着用料经济便宜的考虑基本都使用常见的元器件 大连理工大学本科生毕业论文 27 第 3 章 软件仿真 电路的仿真在电路的设计过程中有重要意义 通过仿真可以检查电路是 否正确 在仿真过程中便于更改元器件参数 可以为设计者提供很多有价值 的参考值 仿真时没有外部环境等因素的影响 便于检查设计的理论是否正 确 所以 在这一章中主要是对硬件电路的仿真 检查设计是否正确 3 1 仿真软件的介绍 设计电路的仿真使用的是 Multisim2001 仿真软件 Multisim2001 软件 是 EWB 软件的最新版本 专门用于电路仿真 是迄今为止使用最方便 最 直观的仿真软件 在保留了 EWB 形象直观等优点的基础上 大大增强了软 件的仿真测试和分析功能 大大扩充了元件库中的元件的数目 特别是增加 了大量与实际元件对应的元件模型 使得仿真设计的结果更精确 更可靠 更具有实用性 Multisim2001 软件具有以下的功能 1 具有丰富的元件库 Multisim2001 主元件库提供了一个庞大的元件模型数据库 并且用户通 过新增的元件编辑器可以建立自己的元件库 2 类型齐全的仿真 在 Multisim2001 电路窗口中 既可以分别对数字或模拟电路进行仿真 也可以将数字元件和模拟元件连接在一起进行仿真分析 还可以对射频电路 进行仿真 3 高度集成的操作界面 Multisim2001 将电路原理图的创建 电路的测试分析和结果的图表显示 等 全部集成到同一个电路窗口中 整个操作界面就像一个实验工作台 有 存放仿真元件的元件箱 有存放测试仪器仪表的仪器库 有进行仿真分析的 各种操作命令 大连理工大学本科生毕业论文 28 4 强大的分析功能 Multisim2001 提供了十几种电路的分析功能 有直流工作点分析 交流 分析 瞬态分析 傅里叶分析等 可帮助设计者分析电路的性能 大大缩短 分析时间 5 强大的虚拟仪器仪表功能 Multisim2001 提供了双踪示波器 逻辑分析仪 波特图示仪 数字万用 表等十多种虚拟仪器 仪表 操作界面如同在实验室中亲手操作仪器一样 可非常方便地用于分析研究和教学 逻辑分析仪 网络分析仪更是一般实验 室不可多得的高档仪器 6 具有 VHDL Verilog 的设计和仿真功能 Multisim2001 包含了 VHDL Verilog 的设计和仿真 使得大规模可编 程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路 数字电路的设计和仿真融为一体 突 破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的缺陷 7 提供多种输入输出接口 Multisim2001 可以输入由 Spice 等其他电路仿真软件所创建的 Spice 网 表文件并自动形成相应的电路原理图 可以把 Multisim2001 环境下创建的 电路原理图文件输出给 Protel 等常见的 PCB 软件进行印刷电路板设计 也 可以将仿真结果输送到 MathCAD 和 Excel 等应用程序中 Multisim2001 仿真软件功能强大 通过电路仿真可以验证系统电路的正 误 并且在仿真过程中便于改变元器件的参数 使焊接后才发现的错误减少 电路各个部分的输出波形可以很清楚的展现出来 13 3 2 时钟信号产生器波形仿真 首先在 Multisim2001 仿真软件中画出第 2 章中设计的时钟信号产生器 电路 按要求设置好各个元器件的参数 R1 4 3K R2 130K C 220pF 然后用示波器观察电路的输出波形 输出波形如图 3 1 所示 时钟信号的要 求是频率为 25KHz 左右的方波 幅度为 5V 大连理工大学本科生毕业论文 29 图 3 1 时钟信号产生器输出波形 从示波器上我们可以看到输出的时钟信号波形的幅度约为 5V 频率为 25KHz 左右 Soale 表示每个大格 20 s VA2 VA1就是幅度 满足设计的 要求 在实际电路中若需要改变输出波形的幅度或者频率可以通过改变 R1 R2和电容 C 的值就可以 3 3 码型发生器波形仿真 根据第 2 章中的设计电路 在 Multisim2001 仿真软件中画出电路接上 示波器观察仿真波形 仿真后得到如图 3 2 所示的输出波形 观察时可以使 用两个示波器 一个接码型发生器的输出另一个接时钟信号产生器的输出 这样可以比较两个波形的相位 码型发生器波形要求 输出是 1110010 循环码 幅度为 5V 左右 大连理工大学本科生毕业论文 30 图 3 2 码型发生器输出波形 在图 3 2 中 上面的是码型发生器输出波形 下面的是时钟信号 从图 中我们看到对应得很好 码型发生器输出的波形是 1110010 码 幅度约 为 5V 3 4 倍频电路波形仿真 倍频电路是最难调试的部分 它需要将时钟信号的频率加倍来适应最后 码型的需要 从 NRZ 码到 CMI 码频率正好加了一倍 它的电路图如图 3 3 所示 需要同时调解 R1 R2 C1 C2才能达到倍频的作用 我选择用 100K 的电位器来调解 要求输出波形的频率 50KHz 左右 大连理工大学本科生毕业论文 31 图 3 3 倍频电路 最后 将 R1与 R2调解到 10K 左右 C1 C2 10nF 时 得到了预期设 计的倍频波形 输出波形如图 3 4 所示 根据公式 计算 RC 1 f Hz 3 1 25 10fRC 所以 RC 1 25 103 4 10 5 当 R 10 103 C 10 10 9F 时 RC 10 10 5 理论与仿真的数量级都 是 10 5 所以仿真结果与理论基本相符 从输出的波形看 每个周期占 2 个大格 每个大格是 10 s 所以 T 20 s 1 T 1 20 s 50KHz 满足设计要求 f 大连理工大学本科生毕业论文 32 图 3 4 倍频电路输出波形 3 5 1 码转换电路波形仿真 从时钟信号产生器来的 NRZ 码经过识别后 分成两路分别进入 1 码 转换电路和 0 码转换电路 1 码转换电路当有 1 码来时 交替地输 出 00 11 当有 0 码来时其不工作都输出 0 输出波形如图 3 5 所示 为了便于波形比较用示波器分别观察 1 码输出波形与 NRZ 码和 1 码输出波形与 2 倍时钟信号波形的情况 从图中看到在对应的时间上 2 倍时钟信号 14 个周期里 NRZ 码循环一次 1 码转换电路的输出波形满 足预期设计要求 大连理工大学本科生毕业论文 33 图 3 5 1 码转换电路输出波形 3 6 整体电路的波形仿真 前面几节已经得到了各个部分电路的仿真波形 都基本满足了设计要求 现在只需要将各个部分的电路连接在一起 便可得到理论上理想的输出 大连理工大学本科生毕业论文 34 CMI 码 为了便于观察比较一定要使用双踪示波器 示波器的两个输入分 别为 NRZ 码和 CMI 码 其波形如图 3 6 所示 波形要求 输入 1110010 循环的 NRZ 码 输出为 CMI 码 幅度为 5V 左右 图 3 6 输出的 CMI 码波形 上面的波形是 CMI 码 下面的波形是输入的 NRZ 码 从图中看到 NRZ 码是 1110010 循环 CMI 码将 1 码转换成 00 和 11 交替 输出 将 0 码转换成 01 输出 而且对应得很好 CMI 码的幅度就是 VA2等于 5V 满足设计要求 大连理工大学本科生毕业论文 35 3 7 本章小结 本章中使用了 Multisim2001 仿真软件对各部分硬件电路进行仿真处理 观察各部分电路的输出波形 从输出的情况看基本符合设计要求 完成了预 期设计目标 这部分的仿真为电路的焊接调试提供了有用的元件参数参考值 大连理工大学本科生毕业论文 36 第 4 章 系统调试与分析 4 1 测量仪器 一个系统的性能需要各项相关指标来体现 因此我们有必要通过各种手 段来获得系统的工作参数 测量使用的仪器如表 4 1 所示 表表 4 1 测量仪器仪表测量仪器仪表 名称型号备注 示波器RIGOLDS5102C数字双踪示波器 光功率计OA 101 直流稳压电源HH1713双路直流稳压电源 万用表UNI TUT56数字万用表 4 2 调试过程 调试过程中主要解决的问题是相位问题 整形和延时器件的加入就是为 了解决这一问题的 焊接后的电路板见附录 A 所示 1 分块调试 电路焊接好后首先根据电路图检查是否有漏焊的地方 再用手拉一拉检 查是否有漏焊的地方 确定无误后再根据电路图将电路板分成几大部分 然 后一部分一部分的调试 问题一 倍频器没有输出信号 解决方法 调节倍频电路中的两个 100K 的电位器 使输出信号的占 空比为 1 2 两个电位器需要分别调节 将数字示波器接在与非门的前面就 可以了 若一直没有信号输出则需要改变电位器后面的电容 可从小到大慢 慢改换 最终得到较满意的输出波形 问题二 输出的 CMI 码有毛刺 影响观察效果 解决方法 分别调节 1 码转换器和 0 码转换器输出位置的电容 大连理工大学本科生毕业论文 37 也可以从小到大慢慢改换 太小就不起滤波作用了 太大又会使输出波形变 坏 最终得到较满意的波形 2 整体调试 把分块电路都调节好后 就进行整体调试 先观察 CMI 码的输出波形 然后用功率计测量传输功率 问题三 CMI 码与 NRZ 码的相位不一致 差了半个周期 解决方法 调节 NRZ 码输入时经过的电位器 R1及电容 C5 便可以解 决问题 消除竞争冒险的方法有多种 这里采用的是接入滤波电