毕业设计100光纤通信+课程设计报告.docx

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毕业设计100光纤通信+课程设计报告

课程设计报告

课程名称光纤通信　　　　　

课题名称　通信系统综合实验　

一、设计内容与设计要求

1、设计内容

1）多路数据＋多路电话光纤综合传输系统的实现

2）多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现

3）*多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现

2、设计目的

掌握变速率时分复用的原理、实现方法；

学习并掌握计算机RS232通信技术；

掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用；

实现数字和语音同时通信。

3、实验仪器与设备

1.光纤通信实验系统2台。

2.示波器1台。

3.波分复用器2个。

4.电话2部。

5.FC/FC光纤跳线2根。

6.计算机若干台串口通信电缆若干根。

7.1310nm/1550nm波长波分复用器2个。

8.摄像头1个。

9.监视器1个（或用电话代替）。

4、设计原理

《多路数据＋多路电话光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码、波分复用等几个子系统，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十四、实验二十五、实验二十的方法；

《多路数据＋多计算机＋单路图像图像/语音全双工光纤综合传输系统》拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。

即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。

一种解决方案综合了《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十六、实验二十七、实验十六的知识；

《多路计算机＋双路图像/语音全双工光纤综合传输系统》综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、变速率时分复用、解变速率时分复用、位时钟提取（数字锁相环DPLL）原理及实现五个实验，具体的实验原理可以参看《光纤通信原理教学系统实验指导书》中的实验二十一、实验二十三、实验二十四、实验二十五、实验二十六、实验二十七。

5、设计要求

掌握结构化系统设计的主体思想，以自下而上逐步完善的方法实现指定的通信系统功能，并按要求测试相关参数、波形等实验数据，以积累一些典型的通信子系统的功能、性能、参数等知识以及系统集成的知识。

（1）在规定的时间内以小组为单位完成相关的系统功能实现、数据测试和记录并进行适当的分析。

（2）按本任务书的要求，编写《课程设计报告》（Word文档格式）。

并用A4纸打印并装订；

一、课程设计题目

（1）多路数据＋多路电话光纤综合传输系统的实现；

（2）多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统的实现。

二、课程设计目的

（1）掌握变速率时分复用的原理、实现方法；

（2）学习并掌握计算机RS232通信技术；

（3）掌握时分复用技术和波分复用技术的灵活搭配使用；

（4）实现数字和语音同时通信。

三、课程设计主要任务

1、多路数据＋多路电话光纤综合传输系统：

人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事，在商用与工业领域，光纤已成为地面传输标准。

在军事和防御领域，快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。

尽管光纤仍在初期发展阶段，但总有一天光控飞行控制系统会用重量轻、直径小又使用安全的光缆取代线控飞行系统。

光导纤维与卫星和其他广播媒体一起，代表着在航空电子学、机器人学、武器系统、传感器、交通运输及其他高性能环境使用条件下的商用通信和专业应用的新的世界潮流。

所以综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码、波分复用等几个子系统。

（1）PCM编译码原理及数字电话光纤传输子系统

本实验系统中的是A律PCM编译码集成电路TP3067其引脚及内部框图如图所示。

TP3067由发送和接收两部分组成，其功能简述如下。

发送部分：

包括可调增益放大器、抗混淆滤波器、低通滤波器、高通滤波器、压缩A/D转换器。

抗混淆滤波器对采样频率提供30dB以上的衰减从而避免了任何片外滤波器的加入。

阶梯波产生器、逐次逼近寄存器（S·A·R）比较器以及符号比特提取单元等4个部分共同组成一个压缩式A/D转换器。

S·A·R输出的并行码经并/串转换后成PCM信号。

参考信号源提供各种精确的基准电压，允许编码输入电压最大幅度为5VP-P发帧同步信号FSX为采样信号。

每个采样脉冲都使编码器进行两项工作：

在8比特位同步信号BCLKX的作用下，将采样值进行8位编码并存入逐次逼近寄存器；将前一采样值的编码结果通过输出端DX输出。

在8比特位同步信号以后，DX端处于高阻状态。

接收部分：

包括扩张D/A转换器和低通滤波器。

D/A转换器由串/并变换、D/A寄存器组成、D/A阶梯波形成等部分构成。

在收帧同步脉冲FSR上升沿及其之后的8个位同步脉冲BCLKR作用下，8比特PCM数据进入接收数据寄存器（即D/A寄存器），D/A阶梯波单元对8比特PCM数据进行D/A变换并保持变换后的信号形成阶梯波信号。

此信号被送到时钟频率为128KHZ的开关电容低通滤波器，此低通滤波器对阶梯波进行平滑滤波并对孔径失真（sinx）/x进行补偿。

在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明PCM编译码器的性能。

动态范围的定义是译码器输出信噪比大于25dB时允许编码器输入信号幅度的变化范围。

PCM编译码器的动态范围应大于图6-6所示的CCITT建议框架（样板值）。

当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。

TP3067编译码系统不过载输入信号的最大幅度为5Vp-p。

由于采用对数压扩技术，PCM编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，TP3067采用μ律13折线对信号进行压扩。

13折线压扩特性曲线将正负信号各分为8段，第1段信号最小，第8段信号最大。

当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于25dB，这就是动态范围的下限。

TP3067编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为0.025Vp-p。

常用1KHz的正弦信号作为输入信号来测量PCM编译码器的动态范围（1KHz的正弦波在模拟信号源中产生）。

语音信号的抽样信号频率为8KHZ，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4KHZ的低通滤波器处理后再进行A/D处理。

TP3067编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。

这就是PCM编译码系统频率特性的含义。

（2）波分复用光纤传输系统（WDM）

光波具有很高的频率，利用光载波作为信息载体进行通信，具有巨大的可用带宽。

对石英光纤，其低损耗窗口总宽度约200nm，带宽25000GHz（25THz）。

但实际光波系统中由于光纤色散和电路速率的限制，其通信速率限制在10Gb/s或者更小。

为了充分利用光纤的频带资源，提高光波系统的通信容量，采用了如下几种复用技术：

①光波分复用（WDM）

光波分复用是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带有各种类型的信息），在发送端经复用器（也叫合波器，multiplexer）把这些光载波信号汇合在一起，并耦合到光线路中同一根光纤中进行传输；在接收端经分波器（也叫解复用器，demultiplexer）将各种波长的光载波进行分离，然后由光接收机做相应的处理恢复原信号。

这种复用方式称作波分复用。

可以单向传输，也可以双向传输。

根据信道间隔的大小，光波分复用技术可分为三种，即稀疏的WDM、密集的WDM和致密的WDM，后者也叫做光频分复用（PFDM）。

有三种传输形式：

双模拟信号、模拟信号＋数字信号、双数字信号。

②时分复用（OTDM）

OTDM方式的工作原理与电时分复用方式相似，只是在光域进行复用和解复用处理，即将光信号按照一定的帧结构传输，将一帧光信号时间T划分为n个时隙，每个时隙为T/n，第1，2，…，n路的时隙依次排列，每个时隙只传输固定的信道。

每个信道的时间位置可以通过延时器来调整。

光时分复用方式的缺点是需要比复杂的光器件，而且色散影响比别的复用方式严重，这是因为OTDM信号对带宽的要求高。

③光码分复用（OCDM）

光码分复用技术在原理上与电码分复用技术相似，并与之对应。

OCDM系统给每个用户分配唯一的一个正交码的码字作为该用户的地址码，对要传输的数据信息用该地址码进行光编码，实现信道复用。

在接收端用发送端相同的地址码进行光解码，实现用户间的通信。

OCDM技术通过直接光编码和光解码，实现光信道的复用和信号交换，能较好地发挥光纤信道频带宽的潜力，同时具有动态分配带宽、网络扩展容易、多址连接和控制灵活方便、网管简单、保密性能强等优点，适合于实时性要求高、速率高的宽带通信系统。

④空分复用（SDM）

空分复用是每根光纤只用于一个方向的信号传输，双向通信则需要有一对光纤，即光纤数量加倍，目前的实际光通信系统多工作于这种方式。

显然，N对光纤可以增加N从的传输容量，不同系统的光波长相互独立。

由于光缆都包含有多根光纤在内，因而可以认为空分复用是最早、最简单的光波复用方式。

⑤方向分割复用（DDM）

方向分割复用是采用一对光的方向耦合器（即定向耦合器），分别配置于收发端用来分离收发两个方向的信号，从而实现一根光纤的同波长双向传输，当然不同波长就更没问题了。

由于方向耦合器引起的近端串音会限制传输距离，因而方向分割复用方式只限于短距离传输。

光方向分割复用（DDM）方式系统构成示意图如下：

其中，WDM光波系统是高速全光传输中传输容量潜力最大的一种多信道复用方案，本实验采用1310nm和1550nm的光波进行波分复用。

（3）HDB3编译码原理及实现

①HDB3码简介

HDB3码是三阶高密度码的简称。

在数字电话中，HDB3码作为基带传输中的一种重要线路码码型，其特点是：

1）、由HDB3码确定的基带信号无直流分量，且只有很小的低频分量。

2）、HDB3中连0串的数目至多为3个，易于提取定时信号。

3）、编码规则复杂，但译码较简单。

②HDB3码编码规则：

1）、二进制序列中的“0”码在HDB3码中仍编为“0”码，但当出现四个连“0”码时，用取代节000V或B00V代替。

取代节中V码、B码均代表“1”码，它们可正可负（即

V+=＋1，V-=－1，B+=＋1，B-=－1）。

2）、取代节的安排顺序是：

先用000V，当它不能用时，再用B00V，000V取代节的安排要满足以下两个要求：

各取代节之间的V码要极性交替出现（为了保证传号码极性交替出现，不引入直流成份）。

V码要与前一个传号码的极性相同（为了在接收端能识别出哪个是原始传号码，哪个是V码和B码，以恢复成原二进制码序列）。

当上述两个要求能同时满足时，用000V代替原二进制码序列中的4个“0”（用000V+或000V-）；而当上述两个要求不能同时满足时，则改用B00V（B+00V+或B-00V-，实质上是将取代节000V中第一个“0”码改成B码）。

3）、HDB3码序列中的传号码（包括“1”码、V码和B码）除V码外要满足极性交替出现的原则。

下面我们举个例子来具体说明一下，如何将二进制码转换成HDB3码。

二进制码序列:

10000101000001110000000001

HDB3码序列:

V+-1000V-+10–1B+00V0–1+1–1000V-B+00V+0–1

从上例可以看出两点：

（1）、当两个取代节之间原始传号码的个数为奇数时，后边取代节用000V；当两个取代节之间原始传号码的个数为偶数时，后边取代节用B00V

（2）、V码破坏了传号码极性交替出现的原则，所以叫破坏点；而B码未破坏传号码极性交替出现的原则，叫非破坏点。

③HDB3解码规则

虽然HDB3码的编码规则比较复杂，但译码却比较简单。

从上述原理看出，每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包括B在内）。

这就是说，从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V于是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个连0码，再将所有－1变成＋1后便得到原消息代码。

（4）位时钟提取（数字锁相环DPLL）原理及实现

数字锁相环（DPLL）是一种相位反馈控制系统。

它根据输入信号与本地估算时钟之间的相位误差对本地估算时钟的相位进行连续不断的反馈调节，从而达到使本地估算时钟相位跟踪输入信号相位的目的。

DPLL通常有三个组成模块：

数字鉴相器（DPD）、数字环路滤波器（DLF）、数控振荡器（DCO）。

根据各个模块组态的不同，DPLL可以被划分出许多不同的类型。

根据设计的要求，本实验系统采用超前滞后型数字锁相环（LL－DPLL）作为解决方案，图1是其实现结构。

在LL－DPLL中，DLF用双向计数逻辑和比较逻辑实现，DCO采用加扣脉冲式数控振荡器。

这样设计出来的DPLL具有结构简洁明快，参数调节方便，工作稳定可靠的优点。

DPLL实现框图如下：

下面就对数字锁相环的各个组成模块的详细功能、内部结构及对外接口信号：

A.超前－滞后型数字鉴相器

与一般DPLL的DPD的设计不同，位同步DPLL的DPD需要排除位流数据输入连续几位码值保持不变的不利影响。

LL－DPD为二元鉴相器，在有效的相位比较结果中仅给出相位超前或相位滞后两种相位误差极性，而相位误差的绝对大小固定不变。

LL－DPD通常有两种实现方式：

微分型LL－DPD和积分型LL－DPD。

积分型LL－DPD具有优良的抗干扰性能，而它的结构和硬件实现都比较复杂。

微分型LL－DPD虽然抗干扰能力不如积分型LL－DPD，但是结构简单，硬件实现比较容易。

本实验采用微分型LL－DPD，将环路抗噪声干扰的任务交给DLF模块负责。

LL－DPD模块内部结构与对外接口信号

如图2所示，LL－DPD在ClkEst跳变沿（含上升沿和下降沿）处采样DataIn上的码值，寄存在Mem中。

在ClkEst下降沿处再将它们对应送到两路异或逻辑中，判断出相位误差信息并输出。

Sign给出相位误差极性，即ClkEst相对于DataIn是相位超前（Sign=1）还是滞后（Sign=0）。

AbsVal给出相位误差绝对值：

若前一位数据有跳变，则判断有效，以AbsVal输出1表示；否则，输出0表示判断无效。

下图显示了LL－DPD模块的仿真波形图。

LL－DPD模块输入输出关系

B.数字环路滤波器（DLF）

DLF用于滤除因随机噪声引起的相位抖动，并生成控制DCO动作的控制指令。

本实验实现的DLF内部结构及其对外接口信号如下图所示。

DLF模块内部结构与对外接口信号

滤波功能用加减计数逻辑CntLgc实现，控制指令由比较逻辑CmpLgc生成。

在初始时刻，CntLgc被置初值M/2。

前级LL－DPD模块送来的相位误差PhsDif在CntLgc中作代数累加。

在计数值达到边界值0或M后，比较逻辑CmpLgc将计数逻辑CntLgc同步置回M/2，同时相应地在Deduct或Insert引脚上输出一高脉冲作为控制指令。

随机噪声引起的LL－DPD相位误差输出由于长时间保持同一极性的概率极小，在CntLgc中会被相互抵消，而不会传到后级模块中去，达到了去噪滤波的目的。

计数器逻辑CntLgc的模值M对DPLL的性能指标有着显著地影响。

加大模值M，有利于提高DPLL的抗噪能力，但是会导致较大的捕捉时间和较窄的捕捉带宽。

减小模值M可以缩短捕捉时间，扩展捕捉带宽，但是降低了DPLL的抗噪能力。

根据理论分析和调试实践，确定M为1024，图中计数器数据线宽度w可以根据M确定为10。

C.数控振荡器（DCO）

DCO的主要功能是根据前级DLF模块输出的控制信号Deduct和Insert生成本地估算时钟ClkEst，这一时钟信号即为DPLL恢复出来的位时钟。

同时，DCO还产生协调DPLL内各模块工作的时钟，使它们能够协同动作。

要完成上述功能，DCO应有三个基本的组成部分：

高速振荡器（HsOsc）、相位调节器（PhsAdj）、分频器（FnqDvd），如下图所示。

DCO模块内部结构与对外接口信号

高速振荡器（HsOsc）提供高速稳定的时钟信号Clk64MHz，该时钟信号有固定的时钟周期，周期大小即为DPLL在锁定状态下相位跟踪的精度，同时，它还影响DPLL的捕捉时间和捕捉带宽。

考虑到DPLL工作背景的要求，以及尽量提高相位跟踪的精度以降低数据接收的误码率，取HsOsc输出信号Clk64MHz的周期为15.625ns，即高速振荡器HsOsc的振荡频率为64MHz。

PhsAdj在控制信号Deduct和Insert上均无高脉冲出现时，仅对Osc输出的时钟信号作4分频处理，从而产生的Clk16MHz时钟信号将是严格16MHz的。

当信号Deduct上有高脉冲时，在脉冲上升沿后，PhsAdj会在时钟信号Clk16MHz的某一周期中扣除一个Clk64Mhz时钟周期，从而导致Clk16MHz时钟信号相位前移。

当在信号Insert上有高脉冲时，相对应的处理会导致Clk16MHz时钟信号相位后移。

下图为相位调节器单元经功能编译仿真后的波形图。

DCO模块相位调节器PhsAdj单元输入输出关系

引入分频器FnqDvd的目的主要是为DPLL中DLF模块提供时钟控制，协调DLF与其它模块的动作。

分频器FnqDvd用计数器实现，可以提供多路与输入位流数据有良好相位同步关系的时钟信号。

在系统中，分频器FnqDvd提供8路输出ClksSyn[7..0]。

其中，ClksSyn1即为本地估算时钟ClkEst，也即恢复出的位时钟；ClksSyn0即为DLF模块的计数时钟ClkCnt，其速率是ClkEst的两倍，可以加速计数，缩短DPLL的捕捉时间，并可扩展其捕捉带宽。

（5）固定速率时分复用原理及实现

在实际应用中，通常总是把数字复接器和数字分接器装在一起做成一个设备，称为复接分接器。

数字复接器的作用是把两个或两个以上的支路数字信号按时分复接方式合并成为单一的合路数字信号。

数字复接器由定时、调整和复接单元所组成。

定时单元的作用是为设备提供统一的基准时间信号，备有内部时钟，也可以由外部时钟推动。

调整单元的作用是对各输入支路数字信号进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号。

复接单元的作用是对已同步的支路信号进行时间复接以形成合路数字信号。

复接方式：

将低次群复接成高次群的方法有三种；逐比特复接；按码字复接：

按帧复接。

在本实验中，由于速率固定，信息流量不大，所以我们所应用的方式为按码字复接，下面我们把这种复接方式作简单介绍，对于其他两种方式将在以后的实验中进行介绍。

按码字复接：

对本实验来说，速率固定，信息结构固定，每8位码代表一“码字”。

这种复接方式是按顺序每次复接1个信号的8位码，输入信息的码字轮流被复接。

复接过程是：

首先取第一路信息的第一组“码字”，接着取第二路信息的第一组“码字”，再取第三信息的第一组“码字”，轮流将3个支路的第一组“码字”取值一次后再进行第二组“码字”取值，方法仍然是：

首先取第一路信息的第二组码，接着取第二路信息的第二组码，再取第三路信息的第二组码，轮流将3个支路的第二组码取值一次后再进行第三组码取值，依此类推，一直循环下去，这样得到复接后的二次群序列（d）。

这种方式由于是按码字复接，循环周期较长，所需缓冲存储器的容量较大，目前应用的很少。

按码字复接示意图

固定速率时分复用包含数字信号源、复接器两个部分。

1.数字信号源。

其中74LS151的真值表如下：

C

B

A

Z

0

0

0

0

x0

0

0

1

0

x1

0

1

0

0

x2

0

1

1

0

x3

1

0

0

0

x4

1

0

1

0

x5

1

1

0

0

x6

1

1

1

0

x7

Φ

Φ

Φ

1

0

其中，A、B、C的信号由光端FPGA给出，波形如下图所示：

、

、

、

始终为“0”，保持四片74151始终用信号输出：

2.复接器

复接器是由FPGA实现的，其框图为：

其中，在固定速率时分复用时，先要对四路输入信号进行时隙的调整，调整前后波形如下图所示：

最后，将四路数据相与就得到复接信号了。

四路数据输出的帧结构是：

其中，帧同步码可以是数字信号源四路输出中的任意一路。

改变帧同步码的位置，数字信号源终端的显示位置也将改变。

（6）解固定速率时分复用原理及实现

解固定速率时分复用部分包括分解器、数字锁相环和帧同步码提取三个部分，其框图如下：

因为一路数字信号源用做帧同步码，因此，只显示了三路数据。

下面介绍一下帧同步码：

目前已经找到的最常用的群同步码字，就是“巴克码”。

巴克码是一种具有特殊规律的二进制码字。

它的特殊规律是：

若一个n位的巴克码

，每个码元

只可能取值+1或-1，则它必然满足条件

式（25-1）中，R（j）称为局部自相关函数。

从巴克码计算的局部自相关函数可以看到，它满足作为群同步码字的第一条特性，也就是说巴克码的局部自相关函数具有尖锐单峰特性，从后面的分析同样可以看出，它的识别器结构非常简单。

目前人们已找到了多个巴克码字，具体情况如下表所示。

表中+表示+1，–示–1。

位数n

巴克码字

2

++；–+

3

++–

4

+++–；++–+

5

+++–+

7

+++––+–

11

+++–––+––+–

13

+++++––++–+–+

以n=7的巴克码为例，它的局部自相关函数计算结果如下

当j=0时：

当j=1时：

当j=2时：

同样可以求出j=3、4、5、6、7，以及j=-1、-2、-3、-4、-5、-6、-7时R（j）的值为

j=0R（j）=7

j=±1,±3,±5,±7,R（j）=0

j=±2,±4,±6R（j）=-1

根据上式计算出来的这些值，可以作出7位巴克码关于R（j）与j的关系曲线，如下图所示。

可以看出，自相关函数在j＝0时具有尖锐的单峰特性。

局部自相关函数具有尖锐的单峰特性正是连贯式插入群同步码字的主要要求之一。

帧同步码识别后的波形如图所示：

分解器主要由移位寄存器构成，框图如下：

2、多路数据＋多计算机＋单路图像/语音全双工光纤综合传输系统

视频图像采集的方法较多，基本可分为2大类：

数字信号采集和模拟信号采集。

前者采用图像采集芯片组完成图像的采集、帧存储器地址生成以及图像数据的刷新；除了要对采集模式进行设定外，主处理器不参与采集过程，我们只要在相应的帧存储器地址取出采集到的视频数据即可得到相应的视频数据，这种方法，无论在功能、性能、可靠性、速度等各方面都得到了显著的提高，但成本高。

后者采用通用视频A/D转换器实现图像的采集，其特点是数据采集占用CPU的时间，对处理器的速度要求高，成本低、易于实现，能够满足某些图像采集系统的需要。

拟实现模拟图像、数据在同一光纤中传输。

即在光纤中同时传输数字数据和模拟信号。

（1）PN序列光纤传输系统

PN码也称伪随机序列。

它具有近似随机序列（噪声）的性质，而又能按一定规律（周期）产生和复制的序列。

因为随机序列是只能产生而不能复制的，所以称其是“伪”的随机序列。

常用的伪随机序列有m序列、M序列和R－S序列。

本实验系统是采用的m序列作为伪随机序列。

m序列即长线性反馈移位寄存器序列的简称。

带线性反馈逻辑的移位寄存器设定各级寄存器的初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器状态会发生变化。

观察其中一级寄存器（通常为末级）的输出，随着移位时钟节拍