毕业设计（论文）光纤通信系统编码器的设计与开发.doc

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1、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

2、码型的要求。关键词：光纤通信，光端机，编码器，CMI码AbstractAlong 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， its function is take the base band electrical signal which cro

3、ss 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 doesnt direct transmit the digital pulse code, need to transform the code to

4、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 dista

5、nce. 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

6、第一章 前 言11.1 光纤通信的历史、发展与展望11.2 光端机的作用和目前光端机的状况21.3 编码与解码目前状况31.4 光纤编码器研究的意义3第二章 光纤通信系统52.1 光纤通信的优点52.2 光纤通信系统的组成62.2.1 光发射机62.2.2 光纤线路72.2.4 光器件92.3 光纤通信的分类102.3.1 数字光纤通信系统102.3.2 模拟光纤通信系统11第三章 光端机整体设计方案123.1 发射机框图123.2 接收机框图123.3 光纤传输部分介绍133.4 650nm发光元器件的选择153.4.1 光源153.4.2 光检测器163.5 驱动电路原理173.6 本设计

7、中光发射机的性能指标173.6.1 系统部件选择173.6.2 光发射机的性能指标18第四章 数字发射机的设计194.1 系统码型选择194.1.1 码型要求194.1.2 CMI码204.1.3 mBnB码214.2 发射机电路的设计224.2.1 系统时钟224.2.2 M序列发生器234.2.3 CMI编码器设计24第五章 数字接收机的设计简介265.1 接收机原理265.2 接收机的组成26第六章 系统概述286.1 本设计的系统框图286.2 系统仿真296.3 PCB电路板31第七章 结论与收获32参 考 文 献33致 谢34第一章 前 言1.1 光纤通信的历史、发展与展望光导纤维

8、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1

9、970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。在19661976年这个时期，实现了短波长（0.85 m）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 m的损耗己降到 0.2 dB/krn，接近了石英光纤的理论损耗极限。19761986年这段时期，光纤从多模发展到单模，工作

10、波长从短波长（0.85 m）发展到长波长（1.31 m和1.55 m），实现了工作波长为1.31 m、传输速率为140565Mb/s 的单模光纤通信系统，无中继传输距离为10050 km。19861996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 m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2.510 Gb/s，无中继传输距离可达150100 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

11、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

12、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

13、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。

14、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-

15、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

16、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

17、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。传输介质 传输介质电终端光终端光终端电终端中继器 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

18、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

19、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

20、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

21、。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

22、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公式如下： （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 （2-2）光纤的数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力

23、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

24、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

25、，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

26、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

27、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

28、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4050 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

29、（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：信号源光发模块差分驱动数字接口信号选择开关图2.3 数字光纤通信系统框图（1） 数字通信系统的优点 抗干扰能力强，传输质量好。 可以再生中继，传输距离远。 适应各

30、种业务的传输。 容易实现高强度的保密传输。 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2064KHz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

31、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信号源模拟信号选择开关模拟接口模拟驱动光发模块图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： 调制器编码器电端机 图3.1 数字光纤发射机设计框图数字光

32、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：解调器解码器电端机 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

33、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：光发模块光收模块发射机 接收机 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

34、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。如图3.4 所示为HFBR-1505A的仰视图：图3.4 HRBR-1505A仰视图下表为管脚连接图： 表3.1 HFBR-1505A管脚连接功能表管脚功能1连接管脚44连接管脚15接地6接地7阴极8阳极该芯片的最大额定值：表3.2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-4085正向输入峰值电流IF，PK90mA正向输入平均电流IF，AVG60mA反转输入电压VR3V引线焊接时间温度TSOL260时间10s光纤接收模块使用Agilent公司生产的HFB

35、R-2505A，它使用塑料封装，金属涂层。包括一个硅PIN光电二极管和数字化IC（集成电路）来产生一个逻辑兼容输出，这个集成电路能够校正在传输一段时间后的脉宽失真。这能保证在很低的脉宽失真下，从DC到10MBd以任意码速率传输。接收机的输出兼容了TTL和CMOS逻辑电平接口。接收机包装在一个深灰色的传导塑料中。HFBR-2505A和SMA接口兼容。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下图：注入光纤功率正向电压驱动电流驱动电流图3.6 驱动电流与典型注入光功率的关系曲线图3.5 驱动电流与典型正向电压的关系曲线3.4 650nm发光元器件的选择塑料光纤通信网络的工作带宽

36、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。3.4.1 光源光纤通信对光源的要求：（1 ） 光源发光波长应在光纤的低损耗窗口内，而且要求色散小。（2） 光源的输出功率必须足够大，电/光转换效率要高，即要求在足够低的驱动电流下，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。（3） 光源的谱线宽度要窄。（4） 调制特性好，调制效率高，调制速率能适应系统的要求。（5） 温度特性要好。器件应能在常温下以连续波方式工作，要求温度稳定性好，可靠性高，寿命长。（6） 要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。光源应该满足光纤对光源的波长、谱宽、光线发

37、散角和输出功率的要求。塑料光纤的直径较大（0.51mm），并且数值孔径较大（0.250.5），由于通常高速半导体光源的发光面在50m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LED的结构简单，可靠性和温度稳定性比LD高，且价格便宜，在短距离网络中通信中得到广泛应用。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4.2m

38、W，谱宽3nm，速率可达250Mbps；经过研究决定使用Agilent公司生产的HFBR-1505A作为光发射部分。3.4.2 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。 3.5 驱动电路原理下图是发射模块HFBR-1505A的一个典型的驱动电路。图3.8 典型的发射模块驱动电路如图3.8所示，其驱动电路部分采用+5V电源，使用两个电容滤波，（实际应用中）本设计选择47电阻，使用DS75451芯

39、片来完成TTL输入对于HFBR-1505A的8引脚输入信号的间接控制。HFBR-1505A把电信号变换为光信号，再通过SMA接头就可以将光传入塑料光纤进行传输。3.6 本设计中光发射机的性能指标3.6.1 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：（1） 工作波长的选择：本实验系统是针对短距离光纤通信系统的应用，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

40、是长距离通信系统，原则上应选择长波长的光纤，如1.31um和1.55um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。（2） 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

41、系统中。（3） 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。（4） 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0.25mm2mm，接续简单。3.6.2 光发

42、射机的性能指标本设计是光纤通信实验系统的一部分，光纤编码器是光端机中发射机的重要组成部分。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，更有利于实验中使用。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等。因为采用模块化设计，所以一处出错只需查明某个模块即可。第四章 数字发射机的设计4.1 系统码型选择4.1.1 码型要求在数字通信中，必须考虑选择什么样的传输码型。数字光纤通信系统普遍采用二进制二电平码，即“有光脉冲”表示“1”码， “无光脉冲”表示“0”码。但是

43、简单的二电平码会带来如下问题： （1） 在码流中，出现“1”码和“0”码的个数是随机变化的，因而直流分量也会发生随机波动（基线漂移），给光接收机的判决带来困难。 （2） 在随机码流中，容易出现长串连“1”码或长串连“0”码，这样可能造成位同步信息丢失，给定时提取造成困难或产生较大的定时误差。（3） 不能实现在线（不中断业务）的误码检测，不利于长途通信系统的维护。数字光纤通信系统对线路码型的主要要求是保证传输的透明性，具体要求有： （1） 能限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。这样就可以减小基线漂移、提高输出功率的稳定性和减小码间干扰，有利于提高光接收机的灵敏度。 （2） 能给光接收机提供足

44、够的定时信息。因而应尽可能减少连“1”码和连“0”码的数目，使“1”码和“0”码的分布均匀，保证定时信息丰富。 （3） 能提供一定的冗余码，用于平衡码流、误码监测和公务通信。但对高速光纤通信系统，应适当减少冗余码，以免占用过大的带宽。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。线路码应具有平衡码流中“0”、“1”概率的能力，可以减少码流中的连“0”和连“1”串，从而使时钟含量丰富，能进行误码监测。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。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