自主设计的光纤通信系统的研究

自1970年以来，光通信技术在信息传输速率及距离、有效性、可靠性和经济性方面取得了卓越的成就。作为当代通信技术发展的最新成就，它涉及光、电、化学、物理、材料等学科，使通信领域发生巨变，成为现代通信的基石、发展的主流方向。它与电通信相比，具有独特的优点:宽频带低损耗传输;长距离大容量通信;低成本和低故障率;强抗干扰能力;具化学耐腐蚀性等等。然而也有其缺点:弯曲半径不能太小;光纤的切断和连接技术要求高;分、合路较麻烦;须由远供系统解决中断站供电。但这些缺点丝毫不影响光纤通信在通信领域的地位，光纤通信诸多优点使其仍然具有很大的研究及使用价值。

1小型光纤通信实验的现状

1．1实验仪器可扩展性差目前，笔者所在学院的光纤通信实验室相关实验平台尚未完善，不能根据光纤通信的实验安排开展实验，部分实验环境明显落后，难以达到光纤通信基础实验该有的效果。

1．2实验方法单一光纤通信技术日新月异，新的技术没有反映到实验项目的设置中，设计的实验内容比较单一，缺乏自主性。同时，方法也比较单一，无法利用相关仿真软件、慕课等现代化的手段，实验者没有自主探索精神，无法做到理论与实践相辅相成，更不可能提供高质量的应用性实验。

2光纤通信实验系统的设计思想

本文综合考虑光端机技术现状及发展趋势，介绍如何根据实际情况选择光源及驱动电路类型;利用仿真软件Multisim11.0对系统的控制电路等进行分析、仿真;应用fpga综合模块进行综合设计仿真;采用理论、仿真与实践三位一体的辩证思路进行阐述，以期从多角度、多部分掌握光端机的原理及应用，实事求是从实际出发，利用设计出的实物模型对光端机各部分电路进行硬件测试，并与现有的网络接口进行综合设计，利用分光设备或者光交换设备提取光信号，提供信令采集的输入。

3系统的设计

常见的光纤通信系统主要元件如图1所示。光端机主要由光发射机、光接收机、信号处理及辅助电路组成。用户可以通过网络管理模块进行光纤通信系统接入网络。

3．1光发射机硬件电路设计及仿真光纤通信系统中，光发射机的作用是将电信号转变成光信号，并有效地把光信号送入传输光纤，它主要由发光器件、驱动电路、监控电路组成。其中心功能是将输入的电脉冲信号转换为输出光脉冲信号，即进行电光转换。发射机光源要求选择性能好、寿命长、使用方便的光源，是保证光纤通信可靠工作的关键。在有限的实验环境中选定了以LD器件作为光源，实验中研究其P－I特性、光谱特性及调制特性，确定驱动电路所需的偏置电流及利用Multisim11．0仿真各电路的设计。由1310nmF－P半导体激光器P－I特性曲线(表1)可以看出，设计所用LD阀值电流［5］约为10mA，驱动电流为25mA时LD光功率为0．51mW，与实际采用的LD参数相符。光纤通信系统对消光比有一定要求，消光比太大会影响通信系统的传输速率，太小则有用光功率比例减小，会影响系统灵敏度。消光比测试实验数据如表2。

3．2光接收机硬件电路设计及仿真光接收机的作用是把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号。光检测器位于光接收机的最前端，是光接收机中重要部分，能将光信号转化为电信号供后续系统模块进行处理，其性能好坏直接影响整个光接收机性能。光接收机的研究内容包括接收机前端、线性通道、判决器、译码器和时钟恢复电路。在光接收机的理论中，降低输入端噪声的分析和接收灵敏度的计算是研究的重点。笔者基于实验环境选择以下器件:pin型光电二极管作为光检测器，前置放大器采用MAX3658，限幅放大器采用MAX3645，采用Cycloneiii系列中的ep3c10e144c8型号的FPGA。其中FPGA时钟电路采用四倍过采样的方法实现数据的恢复。在数据恢复电路的接收器部分，包括LVDS(LowVoltageDifferentialSignaling，低电压差分信号)接收器、采样模块和同步模块3个。LVDS接收器将FPGA接收的高速差分信号转换成FPGA内部可用的逻辑电平信号。采样模块的功能是实现对传输速率为160Mb/s的数据信号的4倍过采样。同步模块实现的功能是同步多相时钟采样的数据信号。lvds接收器使用quartus定制，可将高速的差分数据信号转换成单端数据信号，其输入管脚使用专用的高速差分管脚，外加100Ω的匹配电阻防止反射信号对输入信号产生影响。利用锁相环输出四个不同相位的采样时钟，在每个时钟的上升沿和下降沿分别对数据进行采样，采样后的数据交给同步模块进行数据同步。电路设计首先考虑减少亚稳态导致的错误，其次要降低系统对已产生错误的敏感性。只要无法保证同步，亚稳态就无法避免。在采样模块中，不仅不同相位的采样时钟同源，且采样模块的采样时钟和同步模块的时钟也是同源的。在同步操作采取的办法是在四个相位时钟的上升沿和下降沿分别做同步处理。眼图是衡量数字光纤通信系统数据传输特性的方法，可以在时域中测量并且用示波器直观显示。测量时，将“伪随机码发生器”输出的伪随机码加在被测光纤通信系统的输入端，该被测系统的输出端接至示波器的垂直输入，用位定时信号(由伪随机码发生器提供)作外同步，在示波器水平输入用数据频率进行触发扫描。另外也可以调节示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。从示波器显示的图像上观察码间干扰和信道噪声等因素，从而估计系统性能的优劣程度。

4结语

本文根据光纤通信的设计需求，基于激光器的光电特性和激光器二极管驱动器的应用要求考虑设计光模块电路，再结合quartusii对FPGA进行综合设计仿真、硬件描述语言vhdl综合模块，设计出了一种小型半导体激光器驱动电路，经过试验仿真分析，该激光器驱动电路功耗低、成本低、体积小，适用于要求比较低的场合，诸如在光纤通信专业中开设基础实验以便实验者能够从中了解并掌握光纤通信的原理及简单应用。但本设计部分电路参数来自仿真，因此本设计不适用于技术要求较高的环境中。

作者：莫少莹 单位：广西大学