[优秀毕业设计精品] 基于USB接口的光纤图像通信系统总体方案设计.doc

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1、 本科生毕业论文基于USB接口的光纤图像通信系统总体方案设计系 （部）：电子与通信工程系 专 业： 通信工程 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教授 2009 年 6 月 毕业设计(论文) 摘 要本文主要研究的是图像由计算机发出，经过USB接口、数字图像处理模块、光纤传输系统、计算机收发软件又传回到计算机中的整个过程中的模块设计。本文中详细进行了数字图像处理模块、USB接口的方案设计已及计算机收发软件的方案设计。在USB接口设计中分别进行了软件与硬件的设计，USB软件方面我们要求接口能够成功完成编译码，在本文中我们采用的是CMI编译码，在硬件方面设计了接口电路，以及接口芯片与驱动的选择。在计算

2、机收发软件方面我们用VB或者C+编一个接口控制程序以及收发界面，在光纤传输模块研究光纤收发系统。USB接口、计算机收发系统具体设计由项目的其他成员完成，我负责总体方案设计与光纤传输系统的设计。通过其他成员设计所的结果显示图像能够无失真的传输，证时了此方案的可行。关键词：光纤通信实验，USB接口，图像传输ABSTRACTThis paper is issued by a computer image through USB interface, digital image processing module, optical transmission systems, computer soft

3、ware to send and receive images in order to achieve the transfer. In this paper, a detailed digital image processing module, USB interface of the program design and program computer software designed to send and receive. USB interface in the design of a separate software and hardware design, USB int

4、erface software, we ask the codec can be successfully completed, we have adopted in this paper is the CMI codec in hardware design of the interface circuit, and the interface chip and driver choice. Transceiver in the computer software we use VB or C + + for an interface control program, as well as

5、send and receive interface, Research on optical transmission in fiber-optic transceiver module system. USB interface, the computer system specifically designed to send and receive from other members of the project completed, I am responsible for overall program design and the design of optical trans

6、mission systems. Through the design of the other members of the results showed that images can be transmitted without distortion, evidence of this program when feasible.Keywords: Optical fiber communication experiment, USB interface, and image transmission 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1USB简介11.2 光纤通信介绍

7、21.3 项目的研究及意义31.4本设计的主要内容3第2章总体方案设计42.1 光纤图像传输系统图42.2计算机图像收发软件设计方案52.2.1需求分析52.2.2设计所要达到效果62.3 USB接口设计方案62.3.1需求分析62.3.2 设计所要达到的效果82.3.3 USB编码与译码方式9第3章光纤通信系统设计113.1光纤通信基本原理113.2光纤发送系统113.2.1光源LD123.2.2光发送端机驱动及控制原理133.3光纤接收系统143.4光纤系统性能指标介绍163.5光纤线路编码及实现183.5.1 光纤线路编码原理183.6 编译码器原理及实现193.6.1 编码器原理193

8、.6.2 解码器原理193.6.3 CMI编译码20结论22参考文献23致 谢24III毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 USB简介 USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是”通用串行总线”。 通用串行总线USB是用于将适用USB的外围设备连接到主机的外部总线结构。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的新型接口技术。早在1995年，就已经有PC机带有USB接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些PC机的USB接口都闲置未用。1998年后，随着在Windows 98中内置对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB接口才逐步走进了实用阶段。U

9、SB接口的优点是支持热插拔，在开机情况下，可以安全的连接或断开设备，达到真正的即插即用。计算机硬件很少有机会从头开始。任何新东西都要和它前面的东西保持兼容，这对计算机本身和它们要连接的外社是必须满足的。目前个人计算机的外接规格十分混乱，每个周边外设都是单独与计算机连接，无疑从成本和配置的问题上看都是不利的，而这正是USB要解决的一个问题。要有效地解决上述存在的问题，保证新旧设备的兼容性这就需要实现USB与常规的串口之间的转换。目前，在接口的转换方案上从USB到串口的转换技术趋向成熟，所以本文要讨论的是如何在保证其可行性上实现USB与串口之间的相互转换从而保证图像能够通过光纤线以及USB接口能够

10、实现无失真传输。USB的基本构架可以分为3个部分：USB主机控制器/根集线器，USB集线器以及USB设备1。USB是通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接、实现数据传输。USB同时又是一种通信协议，支持主机和USB的外围设备之间的数据传输。目前较多设备支持的是USBl. 0，最新的USB2. 0在2000年4月已正式发布。目前 USB3. 0还未正式普及。USB2. 0有全速和低速两种方式，低速方式的速率为1. 5Mpbs，全速模式为12Mpbs。在USB2. 0中增加了一种高速方式，数据传输率达480 Mpbs，可以满足更加高速的外设需要。USB一个接口适合多种设备，自动识别、配置，不需要

11、用户设定，并为其它设备空出了硬件资源。USB接口易于连接、从总线上得到电源，而不需要自己提供电源、低成本、低功耗。对于使用带有通用串行总线(USB)结PC的用户，不需要打开机盖手工配置系统I/0及为不同的外设接口而发愁，只需极其简单地安装与配置即可使用外设。USB提供即插即用(Plug&Play)和热插拔功能，可以在不断电的情况下直接将外设连接到USB上，且马上就可以被系统识别使用。所有USB外设接口“One Size Fits All”可以简单方便地连入计算机中。USB系统采用级联星型拓扑结构，每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的插座上，而其本身又提供一个插座供下一个外设连接用。通

12、过这种类似菊花链的连接，一个USB控制器可以连接多达127个外设，每个外设间距离(线缆长度)可达5米。USB系统采用级联星拓扑即类似菊花链连接。该拓扑由三个基本部分组成：主机(Host)、集线器(Hub )和功能设备。USB的物理拓扑结构如图上图所示，在USB2. 0中，高速方式下Hub使全速和低速方式的信令环境独立出来。通过使用集线器(Hub)扩展可外接多达127个外设。USB的电源有4根线。两根传送的是5V的电源，另外的两根是数据线。功率不大的外围设备可以直接通过USB供电，而不必外接电源。USB总线最大可以提供5V，500mA电流，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。1.2 光纤通信介绍随着

13、科学技术的不断发展，计算机的更新速度不断提高，人们的思想文化素质也不断提高，对图像的要求也越来越高。VisualBasic与其它计算机语言一样，具有很强的数字图像处理功能，并具有其独特的图形环境特点设计就是初步设计了这么一个方案，利用USB接口与光纤传输图像。我国光纤通信技术发展速度之快令世界瞩目，目前,敷设光纤总长度达2 500万km、投资近20条海底光缆，已基本上掌握了100 Gb/s的同步数字体系高速光通信系统技术、288芯和648芯带状光缆生产技术以及应用到同步数字体系高速光通信系统中的光放大器生产技术等；可以说，我国已成为少数几个能够自行研制大容量高速光传输系统并投入商业开发应用的国

14、家之一。但应该看到的是我国光纤通信设备所需的一些关键技术、元器件、材料仍部分依赖进口2。所以，今后光传输仍应是信息产业建设发展的重点。日渐成熟的光纤通信技术已经和正在为信息的扩容和IP网络的发展起着巨大的推动作用，而21世纪的光纤通信技术必将迎来一个飞速发展的新高潮，向着高速率、大容量、性能价格比合理的全光网络发展。所以用光纤传输图像更有发展潜力，顺应了发展的要求。 现阶段，光纤通信网络在逐渐取代原先的电缆网络，信息传递的容量也日益剧增。在资源共享的趋势下，越来越多的用户希望把信息上传与大家共享，例如图像。光纤传输与电缆传输相比较，具有以下优点：(l)损耗极低，中继距离很长。商品石英光纤现已达

15、到的损耗水平是在1.3刀m波长处损耗是0.35dB/kln，在1.55刀m波长处损耗是0.20dB/km，这比最好的同轴电缆的损耗的百分之一还要低。(2)频带极宽，传输容量很大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，理论上一对单模光纤可传2.5亿个话路，是同轴电缆的几百倍。若采用多个光源的波分复用，则带宽更大。(3)抗电磁干扰性能好。光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。(4)保密性能好。在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。(5)温度稳定性好、寿命长。与铜线和同轴电缆相比，

16、光纤的温度系数极小，其传输特性基本不随温度而变，故光纤传输系统十分稳定可靠，而且不易老化。由于光纤通信具有以上独特的优越性，它已成为图像传输系统中不可取代的传输介质。而另一方面，计算机接口的统一化成为现在讨论的重点话题。现在，USB接口以其各种优点而被越来越多的人所接受，按这种趋势发展，我们大胆猜想，将来可能大部分接口将被USB接口所取代。所以我的选题从小的方面能为教学用光纤图像传输实验的发展提供条件。1.3 项目的研究及意义本项目主要是设计出USB接口、光纤传输系统、计算机收发软件系统的方案，为具体设计这几个模块提供依据，通过具体设计后保证图像能在此系统中传输不失真。本项目选题为“基于USB

17、接口的光纤图像通信系统”从实际的方面来看它能作为一个实验推广。这个项目从一定程度上可用于实验室的实验设备，将其完成后可向同学演示信号在光纤中的传输情况，在实验中使更多的同学了解USB接口与光纤通信。1.4 本设计的主要内容本文主要完成整体方案设计，包括计算机收发界面以及接口程序所要达到的效果，USB接口设计的具体要求、所达到的效果以及它所满足的特性，光纤传输所具备的条件以及光纤图像传输系统的具体设计。并利用课题组其他成员的设计成果给出最后结果，证明该方案的可行性即图像能够正常传输。 第2章总体方案设计2.1 光纤图像传输系统图图像数据信号从外接的PC机上经过USB接口送入数字图像传输模块，由该

18、模块的USB（USB301）的接口进入，经过编译码送到光发送端机进行电光交换，转换成光信号，光信号经光纤信道传输再由光接收端机完成光电转换和信号恢复，再送回到数字图像传输模块恢复成原始图像信号，再传回到外接的PC机上进行显示6。初步设计外接PC机采用的USB口为USB301，控制芯片为U302，其型号为AT89C2051。图2.1为基于USB接口进行光纤图像传输总体系统图。开关K301的作用是决定图像信号是由1310波长的光纤进行传输还是由1550波长的光纤进行传输。光发端机1310/1550尾纤光发单元光收单元USB图像接口USB301图像接口电路U3011310/1550图像发J701J9

19、01WDMDWDMJ702J902光发端机1310/1550AT89C2051U302开关K301图像入 图2.1光纤图像传输的总体图设计中采用的是比较普遍使用的1 310nm/1 550nm波分复用，其中光发射/接收模块1工作波长为1 310nm，光发身打接收模块2工作波长为1 550nm，采用波分复用方式实现了图像信息的传输。光纤传输模块中采用波分复用方式将经光发射模块将电信号转换为光信号，由光纤进行信息传输。在信息的接收端首先由光接收模块将接收到的光信号转换为电信号，再通过密集波分复用方式将信息还原为原有的图像信息。整个系统传输过程中主要包括3个模块，计算机收发模块、USB模块、光纤传输

20、模块。2.2 计算机图像收发软件设计方案图像通过光纤接口传到计算机上，需要有个收发软件，以便使图像在计算机上能够精确的传播。此模块我的设计理念是用Visual Basic或者C+设计出一款光纤图像通信系统中控制图像收发的软件。用计算机通过USB接口与实验平台连接后，在计算机上运行图像收发软件，完成图像的光纤传输全过程。2.2.1需求分析此模块所实现的图像收发是以光纤为介质而进行的通信系统，利用VB9或者C+和Winsock为编程环境来实现制作和开发过程，通过对光纤通信系统进行可行性分析，需求分析和设计逐步将一个图像收发的开发过程呈现出来。整个过程中没有刻意追求专业性和商品化软件的华丽包装，而是

21、本着简单实用的原则，既在功能上满足用户的需求，又力求操作简便，使本系统容易掌握和使用。对此系统设计要求的计算机环境如下：（1）计算机软件配置：操作系统，Windows 2000中文版或者Windows XP中文版或者Windows Vistal中文版。采用Visual Basic 6.0或者C+3软件开发环境。（2）计算机硬件配置：CPU，PentiunII266或更高内存，512MB或以上硬盘，10GB以上显示器，VGA或更高大体将此软件分为三个部分：界面设计；图形建模；网络接受。设计时也主要从此三方面考虑。界面设计须考虑到用户的各种状况，制定出一个适合使用者使用的软件，使用者的脑力是必须被

22、考虑的，由于人的生理特性，记忆力是有限的，所以我们在设计界面时要结合提示等等，不要给用户太大的压力。软件的界面要求：将图形组件化，并且鼠标操作，能够仅仅在鼠标动作下，实现对容器中的图形拖动，缩放。另外转动也是必不可少的一个基本动作，再者需要能对图形做标注。从上面简单的需求看来，键盘就是输入地址，现在需要重点考虑的鼠标事件以及系统内部事件响应。为了操作上的方便，我们选用用框架结构，这样子基本保证了鼠标操作的完整性。将需要插入的图形组件化，然后对应给一个菜单命令。当然，在容器中我们要对鼠标位置进行捕获，然后还要开辟一个空间用于显示从网络上获取的实时数据。因此将容器分为三大块是由必要的，一块工作区，

23、第二块做参数显示区，第三块做鼠标位置和标签区。这些当然还不是最终的方案，比如参数显示的问题，为了方便用户和获得注意力，我们可能又需要专门为之做个框架。2.2.2设计所要达到效果应用程序操作界面需美观，并且能够尽可能的实现多样化功能，例如：能够显示图像的基本信息，能够自动控制接收时间，界面大方、美观，随时获知图像的传输动态且要求所传的图像不失真、传输速率快等要求。还要有负责加载菜单，对窗口动作做响应，加载工作容器；要有各种菜单，用于添加各种菜单命令；要有各种容器，添加弹出菜单。波形显示也要要求清晰，稳定性也需强些。2.3 USB接口设计方案目前市场上USB有两个规范，即USB1.1和USB2.0

24、。USB1.1是目前较为普遍的USB规范，其高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps。由于我们此次设计的系统主要为学校实验教学所用，所以在传输速率上要求没那么严格，综合考虑采用USB1.1就能满足要求了。此模块设计，分为软件设计与硬件设计。在硬件设计方面需要设计出硬件的电路图，并详细研究各个板块的功能并用proteus软件进行电路的设计与仿真。软件方面需要开发一个USB设备的驱动程序以及需要有编译码模块。2.3.1需求分析在USB硬件电路的设计中，本着节约材料和器件以及价格方面等方面的考虑我们需尽量简化些。在选择芯片时，用户一般考虑的是芯片含有的功能、价位、是否容易

25、取得以及是否容易开发等因素。一个芯片是否容易开发与开发工具是否容易取得及其品质，设备的驱动程序，有无示例程序代码，以及对设备结构等的了解而定。所以我们需综合考虑其信价比，选择出合适的芯片。目前，市场上可供选择的USB接口芯片很多，按照功能基本上分为两类:一类是纯粹的USB接口芯片或通用USB外设接口芯片(也称USB设备器件)；另一类是带有USB接口芯片的单片机(也称USB主控制器)。（1）带USB接口的单片机(USB主控制器)这类芯片主要有Cypress公司的CY7C63xxx/CY7C64xxx系列和EZ-USB， Intel公司的8X930/8x931, Philips公司的ISP 116

26、1 (USB 1.1) / ISP I 561 (USB2.0 ), Scanlogic的SL11R以及Motorola的MC68HC908JB8系列等。这种方案的最大好处在于开发难度较小，因为大多数这样的单片机芯片都是基于8051结构或者其它常见的结构，有自己的精简指令集，与单片机类似，熟悉单片机开发的开发者对系统结构和指令集非常熟悉，但其开发一般需要专用的仿真器，对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障碍。（2）纯粹的USB外设接口芯片(USB设备器件)这类芯片主要有NS公司的USBN9602/9603/9604, Scan logic的SUIT以及Philips公司的PDIUSBD11

27、/PDIUSBD12 (USB1.1) /ISP1581 (USB2.0)等。纯粹的USB外设接口芯片仅处理USB总线相关事务，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。这种方案的主要特点是价格便宜、接口形式多样、可靠性高、灵活性大，尤其适合于产品的改型设计，缺点是开发者需要非常熟悉USB协议，还必须用微处理器来控制USB外设接口芯片的工作5。通过综合考虑我们初步决定选择PDIUSBD 12芯片。因为PDIUSBD 12是一款性价比很高的USB器件，可使设计者选择最合适的微控制器，减少开发时间、风险及费用，是最实用最快捷的方法实现最经济的USB外设的方案。该芯片支持一个控制端点以及4个额

28、外的端点地址。一个端点的缓冲区可以储存到128个字节，而双缓冲区可以到256个字节。PDIUSBD 12通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用接口，并支持本地DMA传输。PDIUSBD 12完全符合USB1.1规范，并符合大多数器件的分类规格:成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。同样地，PD12还适用于打印机、扫描仪、外部存储设备和数码相机等等。另外，该芯片还集成了许多特性，包括SoftConnect, GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合，简化USB功能在外设上的应用。当然在实际的设计过程中对于芯片的我们可以有其他选择。PD12共有

29、28个管脚，具有S028和TSSOP28两种封装形式，管脚图如图4具体的管脚功能如图2.2所示。 图2.2 PD12管脚图在选择USB总线设备驱动程序必须遵循由Microsoft为Windows 98及其以后版本所定义的Win32驱动程序模型。这些驱动程序就是WDM(Windows Driver Model),其扩展名一般为.sys(当然其他文件类型也可以使用.sys扩展名)。它与VXD和NT式的驱动程序不同，它是内核态程序，采用了分层处理的方式，不需要直接和硬件打交道。在此次USB总线设备驱动程序的选择中使用标准Windows系统USB类驱动程序访问USBDI(USB驱动程序接口)。USBD

30、.sys文件就是Windows系统中的USB类驱动程序，它使用UHCD.sys来访问通用的主控制器接口设备，或使用OHCI.sys访问开放式主控制器接口设备。USBHUB.sys是根集线器和外部集线器的USB总线驱动程序。2.3.2 设计所要达到的效果 我对此模块设计好后能够达到的要求如下：（1）USB接口要能够保证图像不失真的传输，并且能够传输大容量的图像，传输速度要快，能够传输多种格式的图片。（2）USB一个接口要适合多种设备，自动识别、配置，不需要用户设定，并为其它设备空出硬件资源，不需要自己提供电源、低成本、低功耗，传输速率要尽量大，设想传输率达480 Mpbs以上。（3）USB要能够

31、有全速和低速两种方式，且提供即插即用和热插拔功能，反应速率要快。（4）USB要能够与光纤接口很好的吻合，能够自动识别灵敏度高。并支持节约能源的挂机和唤醒模式。（5）USB要有稳定的特性，能够抗高温与低温，同时要能保证外围环境的改变其物理特性不能改变。（6）USB外形要轻巧、美观。（7）USB要能保证图像数据在其中传输时使用NRZI编码和NRZ编码的差分信号，这样能够保证数据的完整性和消除噪声干扰。（8）USB要能够使用4根线：5V电源线(Vbus)，差分数据线负(D-)，差分数据线正(D+)。（9）USB总线能够提供SV、soon1A的直流电源，外围设备能够直接通过总线进行供电。（10）不需占

32、用系统资源与IsA、PCI设备不同，USB设备不需占用内存和1/0地址空间，而且也不需要中断请求。（11）能够支持四种传输方式USB协议定义了四种不同的传输方式来满足不同设备的要求，这些传输方式包括:控制传输、块传输、中断传输和同步传输。2.3.3 USB编码与译码方式在USB模块中有个编译码过程。当PC主机对设各发出控制信号时，所有连接的设各都通过根集线器收到同样的信号，但是经过对比所配置的设各地址后，只能有一个设备作出相对应的动作，这跟网络的架构有点类似。因此对一个设各而言，不仅要无误地接收主机端所送来的数据，又要正确地发出响应的信号。因此，在D与D-的差动数据线上就必须采用一种特别的编号

33、方式再加以传送出去，以解决在USB缆线所产生信号延迟以及误差等问题。在此，USB采用了NRZI（Non Return to Zero Invert，不归零就反向）的编码方式，无须同步的时钟信号也能产生同步的数据存取。NRZI的编码规则是，当数据位为“1”时不转换，为“0”时再作转换。如图2.3所示，显示了NRZI编码的范例。位传输的顺序以LSB（最低位）为优先。 图2.3 NRZI编码的范例说明NRZI编码的数字再生回路的数字逻辑电路如图2.4所示。这样，接收与传输器两端的机制中，就无须先送出分离的时钟信号，或者在每一个字节中添加起始或结束位（如RS 232）。如果用户使用示波器来观察这种US

34、B数据，将会发现它不像其他的接口，可以以逻辑准位来读取这些传送或接收的位。 图2.4 NRZI编码的数字逻辑电路这样的编码方式会遇到一个很严重的问题：若重复相同的“1”信号一直进入时，就会造成数据长时间无法转换，逐渐地累积而导致“塞车”的状况，使得读取的时序就会发生严重的错误。因此，在NRZI编码之间，还需执行所谓的位填塞（bits-tuffing）的工作。因此在发送端进行数据传输之前，须先执行位填塞和NRZi编码的工作。相对的，在接收端进行数据接收之前，就必须先执行NRZI译码，然后再做位反填（unbit-tuffing）的工作。这一部分的电路会通过USB芯片中的SIE（串行接口引擎）来实现

35、。第3章光纤通信系统设计3.1 光纤通信基本原理光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。在通信系统中，发送信息端叫信源，接收端叫信宿。信源的信号通过调制通过电缆和电磁波发送到信宿端，在信宿端将接收信号解调实现信号的恢复，从而完成信号的传输。光纤通信是在信源端需要将电信号转化为光信号，通过光纤传输到信宿端，再将光信号转化为原始的电信号的一个过程。实现光纤通信除了需要将传统多样的电信号转换为光信号的装置即图所示的电端机，还需要有传输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置，所以在光纤通信中有三个主要的技术问题:便于应用且性能优良的光源;能长距离传输光信号的传输介质；灵敏的接收光

36、信号并能把光信号转化为电信号的光检测器。3.2 光纤发送系统光发送系统由信号源、信号选择开关、接口电路和光发送模块五部分组成，如图3.2所示。图3.2光发送系统图光发送模块的主要器件是光发射机。光发射机主要由光源、驱动电路、输入电路、保护报警电路、自动偏置控制电路、控温电路以及数据模式控制电路等几部分组成，如图3.3所示。输入电路驱动电路保护电路光 源自动偏置控制电路输入电信号光信号输出图3.3光发射机图电信号首先进入输入电路，在这里将输入电信号进行整形并完成非归零归零变换。源驱动电路给光源一个预偏置电流，以便提高工作速度，为稳定输出平均光功率和工作温度，设置自动偏置控制电路和控温电路，输入电

37、信号通过调制光源工作电流的办法，将电信号调制在光波上。 3.2.1光源LD光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信系统可靠工作的关键。光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面:首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电光转换效率不应太低，否则会导致器件严重

38、发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。光纤通信系统中，几乎无例外采用半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)作为光源。LED是自然发光，光输出功率小，发射角较大，与光纤的祸合效率低;但其受温度影响较小，光输出功率恒定且驱动电路简单，因而在模拟光纤传输系统和中、小距离数字光纤通信系统中得到广泛应用。LD是受激发光，入纤光功率大，调制速率高，主要用于大容量、中长距离数字光纤通信系统中;其缺点是受温度影响大，需加自动功率控制电路以保证输出光功率的恒定。考虑到在本光纤通信系统所需的无中继传输距离是50公里，传输距离较长，因而选用入纤光功率大的LD作为系统光源。LD的输出特

39、性受环境温度变化和老化效应的影响变化较大，这些变化主要表现在LD的阂值和微分量子效率的变化上，随着温度的升高，LD的闽值减小，微分量子效率下降，温度越高，曲线斜率就变得越小，即LD的电光转换效率越为了稳定LD的输出光功率不变，简单有效的控制方法是调整驱动LD的直流偏置电流，即当闽值电流发生变化时，其直流偏置电流随即发生相应的变化，以保证在LD的调制电流不变的条件下，保持LD的输出光功率恒定不变。通过调整LD的直流偏置电流从而达到稳定其输出光功率恒定不变的自动光功率控制的方法很多，目前在光纤通信系统中普遍采用平均光功率反馈控制法，这种控制方法比较简单，而且其控制效果也比较好。 3.2.2光发送端

40、机驱动及控制原理光源的驱动部分和自动功率控制部分是光端机的核心部分，它们决定着光发射机的输出光信号的有无及输出光功率的稳定与否。可以说驱动电路和自动功率控制电路是整个通信系统电路设计的关键，是决定系统性能优劣的首要因素。（1）驱动电路原理驱动电路的作用是将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源的输出上。因为LD是一个阂值器件，当工作电流低于闽值时，LD发射自然光，超过闭值时，LD发射激光，因此驱动电路应能对LD同时提供偏置电流和随信号而变化的调制电流。本通信系统中，光源受脉冲调制，所以对驱动电路的基本要求是：第一，输出的光脉冲峰值始终保持恒定；第二，“l”码和“0”码光脉冲的比值，即

41、消光比大于等于10；第三，光脉冲与电脉冲的暂态张弛振荡必须加以阻尼，使其对系统性能不发生不良影响。为了满足上面三个基本要求，首先必须给LD加上一个适当的偏置电流Ib。一般LD的静态工作点设置在稍低于阂值的区域内，这样LD便于高速工作，且导通和截止的功耗接近，延长了LD的使用寿命。而且更为重要的是由于偏置电流是一个准静态电流，用低速反馈电路就可控制其升高和降低，从而保持预计的输出光稳定。图3.4是一个典型常用的LD驱动电路，其原理如下。图3.4LD驱动电路图在传输速率较高的数字光纤通信系统中，一般采用这种电路。由图可见它为双端信号反相输入，其输入数据信号经相应速率的集成元件整形以后，一般能达到驱

42、动信号的波形要求，因此调整起来比较容易。同时由于Tl与TZ的基极所加的信号大小相等，相位相反，这样可以进一步提高电路的开关速度。这种驱动电路的温度稳定性、抗电源干扰的性能都比较好。因为这些因素引起的变化等于驱动的共模输入。T3为恒流源电路，它能加强对共模输入信号的负反馈作用，提高了这种LD驱动电路的共模抑制比，使LD调制电流的稳定性工作有了更有效的保证。3.3 光纤接收系统发射机发射的光信号，在光纤中传输时，不仅幅度被衰减，而且脉冲的波形被展宽。光接收机的作用，是探测经过传输的微弱信号，并放大、再生成原传输的信号。对强度调制的数字信号，在接收端采用直接检测(DD)方式。光接收系统光接收模块、信

43、号接收选择开关、接口电路组成，如图3.5所示。光收模块接口电路信号接收选择开关光信号输入电信号输出 图3.5光接收系统图光接收模块中最重要的器件是光接收机。在光接收机中，首先需要将光信号转换成电信号，即对光进行解调，这个过程是由光电检测器(光电二极管或雪崩光电二极管)来完成的。光电检测器把光信号转换成电流信号送入前置放大器。前置放大器的噪声对整个放大器的输出噪声影响甚大，因此，它应该是精心设计和制作的低噪声放大器。主放大器的作用除提供足够的增益外，它的增益还受AGC电路控制，传输出信号的幅度在一定的范围那不受输入信号幅度的影响。均衡滤波器的作用是保证判决时不存在码间干扰。判决器和时钟恢复电路对

44、信号进行再生。如果在发射端进行了线路编码(或扰码)，那么，在接收端需要有响应的译码(或解扰)电路。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，光接收机最主要的性能指标是接收机灵敏度。在接收机的理论中，中心的问题也是如何降低输入端的噪声、提高接受灵敏度。灵敏度主要取决于光电检测器的响应度以及检测器和放大器引入的噪声。光接收机方框图如图3.6所示，它由光检测模块、隔离器、主放大器和输出接口组成。隔离器主放大器输出接口光检测模 块3.6光接收机基本组成框图光检测模块主要用来完成光电的变换，它由接收光口、光检测管及低噪声放大电路等组成。光检测管进行

45、光电转换的实质是原子吸收一个光子的能量产生一个电子-空穴对，这个电子-空穴对在电场作用下运动形成电流。光检测器是它之中的核心。光电检测器是光接收机的核心器件，它将光脉冲信号转换成为电脉冲信号。光纤通信中常用的光电检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。PIN光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低，而且可以固定不变，不需要任何控制。APD具有很高的内部倍增因子，它与合理设计的电子放大器结合，可以使APD工作在最佳倍增工作状态。这样的数字光接收机能够得到比采用PIN光电检测器的光接收机高10dB以内的接收灵敏度。但由于APD需要较高的工作偏压(几十伏至两百伏)以及其倍增特性受温度

46、的影响较严重，因此使用起来也比较复杂。光纤通信系统对光电检测器的要求包括：(l)对光纤通信系统光信号的工作波长有较高的响应度或灵敏度。(2)响应速度要快，即要求光电检测器有足够快的响应速度或足够宽的带宽，使光电检测器尽可能没有失真或小失真地将接收到的光脉冲信号转变为电脉冲信号。(3)引入的附加噪声要小。光信号经过长距离传输后到达接收端，由于各种衰耗，信号已变的十分微弱，噪声已相对较大，所以光电检测器引入的噪声电流应越小越好。因为在光电转换过程中引入的附加噪声都必然会被后面的放大电路放大而不可能被消除。如果噪声电流大到可以与光电转换输出电流相比拟时，信号被噪声所淹没，接收机无法从噪声电流与信号电

47、流的混杂中正确的判决再生出有用的信号，就会发生失真。所以光电转换过程引入的噪声大小，直接决定光接收机的性能指标。噪声的主要来源是暗电流产生的散粒噪声、倍增噪声、量子噪声和信号起伏噪声等。在设计和使用时应尽可能根据噪声的来源，把噪声降到最小，从而提高信噪比。(4)温度特性要好。光电检测器的特性受环境温度的变化影响很大，特别是APD器件，温度对其倍增因子和暗电流的影响十分严重。在工程应用中，根据具体的光电检测器温度特性参数，一方面可以选用受温度影响较小的APD器件或对温度不敏感的PIN光检测器，另一方面可以采用温度控制电路。其它的要求还有体积要小、寿命要长、对电源要求低，以及要稳定、可靠、便宜。对两种检测器PIN和APD比较可知