- 相關(guān)推薦
光纖數據通信模塊研制和課程設計的論文
前言
傳統的電信號傳輸方法是采用雙絞線(xiàn)分別將各采樣信號送到控制端,這種方法線(xiàn)路密集復雜,抗干擾能力差,不適合遠距離傳輸。而實(shí)時(shí)數字化光纖傳輸方案將各采樣信號處理為一路光信號,并通過(guò)光纖進(jìn)行隔離傳輸,線(xiàn)路簡(jiǎn)單、抗干擾性能好,適合遠距離傳輸,尤其適合復雜環(huán)境下系統對多點(diǎn)、多路采樣數據實(shí)時(shí)、可靠及遠距離傳輸。如在液體火箭發(fā)動(dòng)機系統地面測試中,被測點(diǎn)處于高低溫、高壓和強輻射的惡劣環(huán)境中,需要將測試信號通過(guò)遠距離實(shí)時(shí)傳輸到控制端,以便于對系統地面環(huán)境的監測;又如對礦井下電網(wǎng)監測系統電流信號的傳輸;對橋梁、大壩等重大設施的健康安全監測等。數字光纖傳輸將數字化技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)相結合,具有更佳的抗干擾抗雜波能力,并且無(wú)噪聲累計,是多路信號遠距離高品質(zhì)傳輸的必然趨勢。光的發(fā)射和接收模塊主要有兩種方式。第一種是用單獨的激光器和控制芯片完成電-光轉換;用獨立的PIN組件和放大器完成光-電轉換。其優(yōu)點(diǎn)是LD的發(fā)射功率大,適合遠距離傳輸,成本較低,缺點(diǎn)是集成度低。第二種方法是采用集成的光發(fā)射模塊和光接收模塊。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高,生產(chǎn)方便,缺點(diǎn)是遠距離傳輸時(shí)成本較高。但隨著(zhù)制造工藝的不斷進(jìn)步,光收發(fā)模塊的價(jià)格越來(lái)越低,應用也將越來(lái)越廣泛。在光纖傳輸中低壓差分信號傳輸技術(shù)(LowVoltageDifferentialSignaling,LVDS)具備許多優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現高速、低功耗數據傳輸的有效途徑。國內很多院校設立了專(zhuān)門(mén)的科研教學(xué)機構,我校(南京航空航天大學(xué))電子信息工程學(xué)院“雷達成像與微波光子技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗室也開(kāi)展了相關(guān)的理論與實(shí)驗教學(xué)工作。本文將介紹光纖數據通信模塊的開(kāi)發(fā)、實(shí)驗平臺及相關(guān)實(shí)驗課程設置。通過(guò)巧妙構思和靈活設置,使學(xué)生理解并熟悉光纖數據通信的工作原理和相關(guān)技術(shù),提高本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng )新能力和綜合應用能力。
一、教學(xué)實(shí)驗裝置系統設計
點(diǎn)對點(diǎn)光纖數據通信模塊主要是數字光發(fā)送機和數字光接收機,之間由單模光纖連接,安裝在測試主板上。為了實(shí)現信號在光纜中的傳輸,需要先將電信號轉化成為適合在光纜中傳輸的光信號,之后再轉化成電信號發(fā)送到接收端進(jìn)行傳輸。數字光收發(fā)一體機由數字光發(fā)送模塊和數字光接收模塊組成,4路LVDS差分信號從光發(fā)送次模塊(TransmittingOpticalSubassembly,TOSA)輸入端輸入之后進(jìn)行并串轉換和半導體激光器調制,輸出調制光信號;光信號經(jīng)光接收次模塊(ReceiverOpticalSubassembly,ROSA)轉換為電信號,經(jīng)過(guò)光電轉換、前置放大、限幅放大和串并轉換,輸出4路LVDS電信號。其中,LVDS低電壓差分信號是一種電平標準,核心是采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數據,可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)的連接,具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點(diǎn)。
二、教學(xué)實(shí)驗裝置詳細設計
。ㄒ唬⿺底止獍l(fā)送機包括并串轉換電路、驅動(dòng)電路、自動(dòng)功率控制(APC)、激光器以及信號接口并串轉換電路輸入信號為傳輸速率為622Mbps的4路LVDS差分信號,4路LVDS電信號為1路時(shí)鐘信號(PCLKI+、PCLKI-)和3路數據信號(LVDS0~2+、LVDS0~2-),LVDS信號接口為SFP接口。通過(guò)并串轉換芯片MAX3892轉換為2.5GbpsCML信號輸出串行數據(TD+、TD-)給光模塊驅動(dòng)電路。激光器驅動(dòng)電路激光器驅動(dòng)及自動(dòng)功率控制芯片MAX3865,適合于工作在傳輸速率為2.5Gbps的光纖網(wǎng)絡(luò )中,在激光管的正常使用期內,能始終保持恒定的輸出功率和消光比。MAX3865內部主要包括高速調制電路和控制電路。高速調制電路包括輸入級和輸出級,主要功能是對輸入信號進(jìn)行調制,并為外部激光管提供激勵信號;控制電路包括:邏輯控制電路、調制電流控制電路和偏置電流控制電路。邏輯控制電路主要為用戶(hù)提供驅動(dòng)器的工作狀態(tài)信息和傳輸控制信息;調制電流控制電路用于自動(dòng)調制控制(AMC),偏置電流控制電路用于自動(dòng)功率控制。以AMC工作模式為例說(shuō)明工作過(guò)程。當MAX3865正常工作時(shí),數據從DATA+端和DATA-端輸入,經(jīng)數據轉換器重新定時(shí)同步后,控制差分調制器輸出以實(shí)現調制,調制后的信號從MODN端和MODQ端輸出,驅動(dòng)外接激光管。當電路故障時(shí),邏輯控制電路起作用,關(guān)閉輸出,同時(shí)故障端輸出低電平。當輸出功率變化或調制電流峰峰值變化,APC電路和AMC電路發(fā)生作用,反饋信號輸入,在比較器中與穩態(tài)工作時(shí)的監控反饋電流參考值進(jìn)行比較,所得差值經(jīng)積分放大電路處理后,分別控制激光器(APC電路)的偏置電流和差分調制器(AMC電路)的調制電流,達到自動(dòng)維持輸出功率穩定的目的。半導體激光器中由半導體激光二極管組成,所以在對其應用中,需要考慮溫度補償或控制。溫度探測器將激光二極管的實(shí)際溫度轉換成調節量,作為溫度預補償模塊的輸入,溫度預補償模塊對電流幅值調節后,由脈沖發(fā)生器控制裝置產(chǎn)生電流脈沖,作用于激光二極管,使半導體激光器輸出功率在不同溫度下保持恒定。激光器主要參數:傳輸波長(cháng)1310nm;單模傳輸;輸出功率2mW;工作溫度-40度~85度。
。ǘ⿺底止饨邮諜C包括串并轉換電路、光電轉換PINTIA、前置放大、限幅放大以及信號接口串并轉換電路串并轉換利用MAX3882完成將1路2.5Gbps的串聯(lián)輸入CML信號轉換為4路622Mbps的LVDS信號。為保證“0”、“1”信號判別有效性,LVDS輸出信號差分峰峰值電壓VP-P范圍250~400mV,高電平電壓VOH=1.475V,低電平電壓VOL=0.925V,滿(mǎn)足幅度要求。PIN光電二極管和前置放大電路直接相連,處在最前端位置,組成第一級有源電路。當激光照射到光電二極管上產(chǎn)生的信號微弱時(shí),有用的信號可能被噪聲淹沒(méi),無(wú)法有效輸出。根據噪聲系數計算公式:Np=Np1+Np1-1G1+Np2-1G1G2+…,由此可得,NP主要由第一級放大器來(lái)決定,因此對于設定整個(gè)探測器系統的噪聲系數來(lái)說(shuō)前置放大電路十分重要。本電路選用低功耗限幅放大器MAX3747搭建放大電路。
。ㄈy試板測試板上電路包括5V電源接口,5V轉3.3V芯片、電源電路、LED燈、連接主板的SFP接口和連接外部信號的SFP接口。測試板為主板提供電源的同時(shí),還會(huì )對數字光收發(fā)一體機工作狀態(tài)進(jìn)行指示。
三、實(shí)驗科目設計
所示光纖數據通信模塊教學(xué)實(shí)驗裝置充分采用模塊化設計思想與組件架構原則。測試板部分作為母板,數字光發(fā)送機和數字光接收機均設計為可插拔的獨立電路模塊,既可分開(kāi)單獨調試,設計實(shí)驗環(huán)節;也可進(jìn)行多種組合,完成綜合性功能實(shí)驗。實(shí)驗科目設置遵循先易后難、先局部后整體、使得學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地鍛煉;各實(shí)驗均給出清晰的原理說(shuō)明、統一的指標要求與檢驗標準,不限定解決辦法,鼓勵不同的解決思路,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性與創(chuàng )造性;實(shí)驗既有基礎部分也有提高部分,既顧及學(xué)生的平均水平,達到普遍鍛煉的目的,也充分調動(dòng)能力突出學(xué)生的積極性,具有一定挑戰性。參照以上實(shí)驗科目設計原則,我們制訂了適合本實(shí)驗裝置的實(shí)驗指導。首先安排一個(gè)簡(jiǎn)單的并串-串并轉換特性測試,旨在熟悉并行信號和串行信號的特點(diǎn)、了解并串、串并轉換芯片的設置方法信號的測試方法。第二部分進(jìn)行數字光發(fā)送機測試,主要是驅動(dòng)電路的設計和動(dòng)手制造,包括邏輯控制電路、調制電流控制電路和偏置電流控制電路。第三部分為數字光接收機測試,包括光電轉換PINTIA、前置放大、限幅放大等。第四部分為綜合實(shí)驗,包括數字光收發(fā)一體機的整體調試。各實(shí)驗的指導手冊均包括預習知識、實(shí)驗目的、實(shí)驗介紹、實(shí)驗條件、基礎部分、提高部分、測試表格和實(shí)驗記錄等項。
四、總結
光纖數據通信系統是一種電子技術(shù)、光子技術(shù)和通信技術(shù)相結合,理論與實(shí)踐緊密結合的教學(xué)實(shí)驗載體。我們設計了一套光纖數據通信教學(xué)實(shí)驗裝置。實(shí)驗內容大量涉及光電和通信類(lèi)本科的多門(mén)基礎課程,包括模擬電子技術(shù)、數字電子、光通信、通信原理等。本實(shí)驗裝置可為學(xué)生提供較豐富的實(shí)驗科目,能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng )新品質(zhì)、綜合運用能力等,鼓勵學(xué)生發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性與創(chuàng )造性去解決問(wèn)題。該光纖數據通信裝置及其課程設計具有很好的教學(xué)功效。
【光纖數據通信模塊研制和課程設計的論文】相關(guān)文章:
數據通信及應用前景論文09-02
現代光纖通信技術(shù)論文08-25
鐵路光纖無(wú)線(xiàn)通信論文10-02
光纖通信的課程教學(xué)論文06-26
闡述電力SDH光纖通信網(wǎng)絡(luò )的現狀和應用論文05-24
單模光纖中GVD和SPM09-25
USB數據通信系統探析論文09-08
基于A(yíng)MF的Android數據通信論文10-29
數據通信的應用前景研究論文10-09