毕业设计44光纤通信系统编码器的设计与开发

摘要
随着现代科学技术的进步，光纤通信系统的应用已经日益普及。

光发射机由电端机、编码器和调制器等组成，它的功能是把电端机输出的数字基带电信号经编码器进行码型变换，再经过电/光（E/O）转换后注入光纤线路。

光纤编码器是光纤发射机的重要组成部分，由于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，而需要进行码型变换产生适合于数字光纤通信的线路码，所以需要设计一种光纤编码器来实现码型变换。

本题目设计一种基于650nm波长发射机电路，很好的实现中短距离的对点通信。

设计一种可以产生适合于光纤线路传输码型（CMI码）的光纤编码器。

本文说明了编码器电路的原理及编码规则，介绍了光纤通信线路传输码型的要求。

关键词：光纤通信，光端机，编码器，CMI码
Abstract
Along with the develops of technology, applications of optical fiber communication system are increasingly day by day. The optical transmitter is composed of electrical terminal, encoder and modulators，it’s function is take the base band electrical signal which cross the encoder to other forms, then after electrical / optical conversion input to optical fiber line. Optical encoder is the important part of optical transmitter, because of the digital optical fiber communication system doesn’t direct transmit the digital pulse code, need to transform the code to another form to fit the optical fiber line, so need to design a type of optical fiber encoder to make the code transform come true.
This subject is to design a type of optical fiber transmitter based on 650nm wavelength, it can well come true the point to point communication at middle and shout distance. Design a type of encoder which can make a code (CMI code) fit the optical fiber line. This article introduced the elements of encoder circuit; encode rule, and the request of optical fiber communication line code type.
Key words：Optical fiber communication, Optical terminal, Encoder, CMI code
目录
第一章前言 (1)
1.1光纤通信的历史、发展与展望 (1)
1.2光端机的作用和目前光端机的状况 (2)
1.3编码与解码目前状况 (3)
1.4光纤编码器研究的意义 (3)
第二章光纤通信系统 (5)
2.1光纤通信的优点 (5)
2.2光纤通信系统的组成 (6)
2.2.1光发射机 (6)
2.2.2光纤线路 (7)
2.2.4光器件 (9)
2.3光纤通信的分类 (10)
2.3.1数字光纤通信系统 (10)
2.3.2模拟光纤通信系统 (11)
第三章光端机整体设计方案 (12)
3.1发射机框图 (12)
3.2接收机框图 (12)
3.3光纤传输部分介绍 (13)
3.4650NM发光元器件的选择 (15)
3.4.1光源 (15)
3.4.2光检测器 (16)
3.5驱动电路原理 (17)
3.6本设计中光发射机的性能指标 (17)
3.6.1系统部件选择 (17)
3.6.2光发射机的性能指标 (18)
第四章数字发射机的设计 (19)
4.1系统码型选择 (19)
4.1.1码型要求 (19)
4.1.2CMI码 (20)
4.1.3 M B N B码 (21)
4.2发射机电路的设计 (22)
4.2.1系统时钟 (22)
4.2.2M序列发生器 (23)
4.2.3CMI编码器设计 (24)
第五章数字接收机的设计简介 (26)
5.1接收机原理 (26)
5.2接收机的组成 (26)
第六章系统概述 (28)
6.1本设计的系统框图 (28)
6.2系统仿真 (29)
6.3PCB电路板 (31)
第七章结论与收获 (32)
参考文献 (33)
致谢.......................................... 错误！未定义书签。

第一章前言
1.1 光纤通信的历史、发展与展望
光导纤维是现代通信网络传输信息的最佳媒质，光纤通信技术是信息社会的支柱，在短短的三十几年中，获得了迅速的发展，越来越引起人们的极大兴趣，受到人们的普遍关注，光纤传输几乎己成为所有宽带通信系统的最佳技术选择。

光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力（传输速率和中继距离）不断提高，应用范围不断扩大。

早在1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）指出利用光导纤维进行信息传输的可能性和技术途径，从而奠定了光纤通信的基础。

1970年，光纤研制取得了重大突破，美国康宁公司生产出了20 dB/km的石英光纤，同时作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。

由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。

在1966~1976年这个时期，实现了短波长（0.85 μm）低速率（45 Mb/s或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10 km。

直到1976年，美国在亚特兰大（Atlanta）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场实验，系统采用GalAs激光器作为光源，多摸光纤做传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10km。

这次现场实验，标志着光纤通信从基础发展到了商业应用的阶段。

到了80年代初；单模光纤在波长 1.55 μm的损耗己降到0.2 dB/krn，接近了石英光纤的理论损耗极限。

1976~1986年这段时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长（0.85 μm）发展到长波长（1.31 μm和1.55 μm），实现了工作波长为1.31 μm、传输速率为140~565Mb/s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为100~50 km。

1986~1996年，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。

在这个时期，实现了1.55 μm色散移位单模光纤通信系统。

采用外调制技术，传输速率可达2.5~10 Gb/s，无中继传输距离可达150~100 km。

实验室可以达到更高水平。

目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超大容量的波分复用
（Wavelength Division Multiplexing，WDM）光纤通信系统和超长距离的光孤子（Soliton）通信系统。

随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视（CATV），从单一类型信息的传输到多种业务的传输。

目前光纤已成为信息宽带的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家基础设施的支柱。

在传统电通信网络130多年的发展过程中，我们已经完成了电信号产生和传输、信号控制、组网和自支持四个功能等级，实现了电子计算机网络和电子通信网络。

仅有30多年历史的光通信的发展也将经历同样的过程。

目前我们已经完全掌握了光信号控制这个技术环节，下一个目标是组建全光网络。

光通信技术的发展速度将超越电技术。

期望再通过10年的时间实现光组网。

在未来的10年里，WDM光网络将成为通信产业发展的技术和通信的热点。

尽管实现光网络自支持技术，如光开关、光逻辑和光计算，还不算成熟，进入自支持阶段还需要一段时间，但实现光网络的自支持和自主导终将是未来光网络发展的方向。

展望未来10年，WDM技术将仍然处于主导地位，WDM、OTDM和OCDMA 等技术的结合将构成未来光网络的基本框架。

由于光通信第4和第5个窗口的开发，WDM光网络的信道数目将进一步增加，将有能力在整个窗口中提供1000个波长。

光交换机和光路由器将成为组建核心WDM光网络的首选设备，其交换容量将突破Tbit/s的量级。

WDM光网络承载的业务将会多元化，并提供更多的宽带业务，如视频点播。

用户接入网也将进入光纤化时代，多种接入方式并存仍然是未来10年接入解决方案的特征。

但是各种接入技术中光纤技术的含量将不断提升。

光网络的覆盖范围将从核心网扩展到城域网和接入网。

当全光网络悄悄地进入楼区、街道、住宅，成功地完成进行了向本地、向用户的延伸时代，未来家庭也就近入了一个多元媒体的畅想时代。

1.2 光端机的作用和目前光端机的状况
光端机主要由光发送机、光接收机和辅助电路三大部分组成。

光发送机由
输入接口，光线路码型和光发送机等组成。

光接收机由光接收、定时再生、光线路码型反变换和输出接口等组成。

还必须有电源转换，将通信机房中的直流电源转换为光端机所需电源。

在光纤通信系统中，光发射机是光端机和光中继器的重要组成部分，它的最基本功能是将要传输的电信号调制在光波上，并将其注入到光纤线路中。

光接收机的主要功能是将接收的光信号变换为原电信号，并且用自动增益控制电路（AGC）保证稳定的输出，光接收的主要部件是光检测器，它的主要任务是进行光电转换。

从光发送端输出再经过光缆线路传输，被衰减的光信号到达接收端已经是很微弱的了，为了有效地进行光电转换，系统要求光检测器要响应度高、噪声低，响应速度快，工作稳定可靠。

目前的数据光端机已经有一段发展历程了，不再是简单的一路或四路的，也不再是单纯的某一接口了，而已经达到上百路（如120路、240路等），各种不同接口（RS-232、RS-485、USB等）相当成熟的地步了。

1.3 编码与解码目前状况
自五十年代以来，人类不断改进固体电子装置，使设备价格和体积飞速地降低，因为数字通信的发展速度越来越快，要求越来越高。

从五十年代起就提出了编码技术，而在六十年代又获得了稳定的发展和大量应用。

目前，编码理论已经十分成熟且仍在不断发展之中，本节介绍编码概念和一些常用编码方法。

信源符号之间存在分布不均匀和相关性，使得信源存在冗余度，信源编码的主要任务就是减少冗余，提高编码效率。

具体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性，寻找一定的方法把信源输出符号序列变换为最短的码字序列。

信源编码的基本途径有两个：一是使序列中的各个符号尽可能地互相独立，即解除相关性；二是使编码中各个符号出现的概率尽可能地相等，即概率均匀化。

研究编码的目的是为了寻求适合实际情况的码及实际的编码和译码技术，其中心问题是码的性质与构造、编码电路和译码电路。

1.4 光纤编码器研究的意义
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。

在数字光纤通信系统
中，因为使用的信号源是光源，发射机一般都不直接传输由电端机传送过来的数字脉冲信号，而需要进行码型变换，产生一种适合进行数字光纤通信的线路码。

本题目设计一种基于650nm波长发射机电路，很好的实现中短距离的对点通信。

选择一种适合于光纤线路传输的码型，并设计编码电路。

本设计采用模块化制作方法，这样更能体现可扩展性、易管理性和易用性等特点。

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选择M序列发生器出来的数据，也可连接其它数字信号。

第二章光纤通信系统
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，在光接收端用光电检测器将光信号转变为电信号。

A端B端
图2.1 基本光纤通信系统框图
如图2.1所示为一个双向的基本光纤通信系统框图，为了保证长距离传输，中间有光中继机，将经光纤长距离传送后受到较大衰减和色散畸变的的光脉冲信号转成电信号，进行放大、整形、再生，再变成一定强度的光信号继续传输。

它适合于模拟光纤通信系统中，而且也适用于数字光纤通信系统和数据通信系统。

在模拟光纤通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM）和线路码型编码等，而电信号反处理也是发端的逆过程。

对于数字光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。

2.1 光纤通信的优点
（1）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。

（2）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。

这对长途干线通信和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千公里。

（3）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，也不怕雷击和其它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。

（4）光纤内传播的光能几乎不会向外辐射，因此很难被窃听，也不存在光缆中各根光纤之间信号串扰。

（5）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。

（6）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。

（7）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，便于铺设和架设。

2.2 光纤通信系统的组成
基本光纤传输系统由三个部分组成：光发射机，光纤线路和光接收机。

2.2.1 光发射机
光发射机由输入电路和光发送电路组成。

输入电路由输入接口电路和光线路码型变换电路组成。

光发送电路的主要作用是将经过线路编码的电信号对光源进行调制，即完成电/光转换，并从光源的尾纤送出光信号注入光纤线路。

光发射机的功能是把输入的电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤电路。

光发射机由光源、驱动器和解调器构成，光源是发射机的核心。

光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长，目前广泛使用的光源有半导体发光二极管（LED）和半导体
激光二极管（LD ），以及谱线宽度很小的动态单元纵模分布反馈（DFB ）激光器。

2.2.2 光纤线路
光纤线路的功能是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。

光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。

光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。

实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。

光纤线路的特性主要由光缆内光纤的传输特性来决定。

对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性要尽可能地小，而且有足够的机械特性和环境特性。

光纤简介： （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n 1，包层折射率n 2。

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公式如下：
1
2
1n n n -=
∆ （2-1）
光纤结构示意图如下：
图2.2 光纤结构示意图
光纤的重要光学参数：数值孔径NA 。

NA ＝∆≈-212
1
21n n n （2-2）
光纤的数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量。

（2）光纤特性
光纤的特性有损耗特性、色散特性、温度特性和机械特性。

光线损耗：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。

这种现象表现在传输一个脉冲信号时，光脉冲将随着传送距离的延长，脉冲的宽度被越展越宽。

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。

光纤的机械特性：为了保证光纤在实际应用时不会断裂，并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。

2.2.3 光接收机
光接收机的功能是把从光纤线路输出的，产生畸变和衰减的微弱的光信号转换成电信号，并经过放大和处理后恢复成发射前的电信号。

光接收机由光检测器，放大器和相关器组成，光检测器是光接收机的核心。

对光检测器的要求是响应度高、噪声低和响应速度快。

目前广泛使用的光检测器有两种类型：在半导体PN结中加入本征层的PIN光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管（APD）。

2.2.4 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，这里就不作介绍了。

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。

（1）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它无源器件的连接。

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。

连接器有单纤（芯）连接器和多纤（芯）连接器，其特性主要取决于结构设计、加工精度和所用材料。

单纤连接器结构有许多种类型，其中精密套管结构设计合理、效果良好，适宜大规模生产，因而得到很广泛的应用。

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。

本次实验中使用SMA型光纤连接器，是和HFBR-1505A/2505A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。

SMA型连接器主要用于多模光纤。

（2）光耦合器
耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。

这种器件对光纤线路的影响主要是附加插入损耗，还有一定的反射和串扰噪声耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器称为波分复用器/解复用器。

（3）隔离器
就是一种非互易器件，其主要作用是只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其它方向特别是反方向传输。

隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏。

插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好，目前插入损耗的典型值约为1 dB，隔离度的典型值的大致范围为40~50 dB。

2.3 光纤通信的分类
光纤通信分为数字光纤通信系统、模拟光纤通信系统。

2.3.1 数字光纤通信系统
数字光纤系统比模拟系统有更多的优点，也更能适应社会对通信能力和通信质量愈来愈高的要求。

数字通信系统要求用参数取值离散的信号（如脉冲的有和没有，电平的高低）代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；而模拟通信系统则用参数去取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中的信号和信息之间的线性关系。

这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。

20世纪70年代光纤通信的应用和80年代的计算机的普及，为数字通信的发展创造了极其有利的条件。

目前虽有数字通信几乎完全代替模拟通信的趋势，但是模拟通信仍然有着重要的应用。

如图2.3为数字光纤通信系统框图：
图2.3 数字光纤通信系统框图
（1）数字通信系统的优点
①抗干扰能力强，传输质量好。

②可以再生中继，传输距离远。

③适应各种业务的传输。

④容易实现高强度的保密传输。

⑤数字通信系统采取大量的数字电路，容易集成，从而实现小型化，
微型化，增强设备的强度。

（2）数字通信系统的缺点
占用的频带较宽，系统的频带利用率不高。

例如，一路模拟电话只占用4KHz，而一路数字电话要占用20~64KHz的带宽。

数字系统的许多优点是以牺牲频带为代价得到的，然而光纤的频带和带宽，完全能够克服数字通信的缺点。

因而对于电话的传输，数字光纤通信传输是最佳的选择。

2.3.2 模拟光纤通信系统
模拟光纤通信系统这里指单路电视传输系统和多路光纤CATV传输系统。

在80年代先开发并推广应用的光纤彩色闭路电视系统和广播电视用光纤传输系统，属于早期的模拟光纤传输系统，到90年代初仍然还在使用。

进入90年代，随着光纤技术的深入发展，16路、32路、48路、64路、128路的光纤CATV系统相继研制成功，并已获得广泛推广应用。

为什么模拟制多路光纤CATV系统有其生命力，关键是有了线性度较好、调制带宽很宽的半导体激光器，其次是高频线性补偿电路的研制成功，进一步提高了光源驱动电路的线性。

目前在国内外有线电视传输系统中用得甚多。

如图2.4为模拟光纤通信系统框图
图2.4 模拟光纤通信系统框图
第三章 光端机整体设计方案
3.1 发射机框图
数字光纤发射机框图如下：
图3.1 数字光纤发射机设计框图
数字光纤发射机由电端机，编码器和调制器等组成。

电信号从电端机输出经编码器编码，产生适合光纤线路传输的码型，再经过调制器调制经过电光转换，使用LED 发光二极管发射出去。

3.2 接收机框图
数字光纤接收机框图如下：
图3.2 数字光纤接收机设计框图
光信号经过光纤线路传输到接收模块，经光电转换后解调输出码型再经过解码器还原成为原始的电信号，输入到电端机。

3.3 光纤传输部分介绍
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所示：
图3.3 光纤传输部分方框图
光纤发射模块和接收模块介绍：
光纤发射器模块的工作参数：
光纤发射模块采用的是Agilent公司生产的HFBR-1505A。

•该芯片使用SMA连接器，工作波长为650nm，特别应用于1mm的塑料光纤（POF）中；
•主要应用于：
（1）工业数据链路；（4）工厂自动控制数据连接；（2）电压隔离系统；（5）PLC、马达驱动器；
（3）传感器、测量仪器等。

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。

发射光的功率适合塑料光纤（POF）和HCS。

发射机使用一般的电流驱动时，速率达10MBd。