論文光纖線路編碼設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)正文.doc

大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 1 1 光纖通信簡(jiǎn)介 1 1 1 光纖通信的發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代初開(kāi)始光通信的研究 到 1976 年研制出了可用 于通信的多模光纖 1979 年 多模光纖在短波長(zhǎng)窗口的損耗已低于 50dB km 長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口的損耗已低于 1 0dB km 1987 年底 中國(guó)建成了從 武漢至荊州全長(zhǎng)約 250km 的第一條長(zhǎng)距離架空光纜 使用國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)途光纖通 信系統(tǒng) 傳送 34Mblt s 的數(shù)字信號(hào) 1990 年利用國(guó)產(chǎn)設(shè)備建成了蘭州至烏 魯木齊的直埋式長(zhǎng)途光纜通信干線 六五 期間 中國(guó)公用郵電通信網(wǎng)建 設(shè)光纜線路 331 5km 七五 期間建設(shè)光纜線路 7310 5km 八五 期間完 成 22 條光纜干線的建設(shè)任務(wù) 使國(guó)內(nèi)光纜總長(zhǎng)度達(dá)到 14 5 萬(wàn)公里 1994 年 以后 除極少數(shù)干線采用 622Mbit s 系統(tǒng)外 大多數(shù)干線直接采用 2 5Gbit s 系統(tǒng) 10Gbit s 系統(tǒng)和波分復(fù)用系統(tǒng) 截止到 1998 年底 中國(guó)公用郵電通 信網(wǎng)已完成了連接全國(guó) 31 個(gè)省 自治區(qū) 直轄市 的 八縱八橫 骨干光 纜傳輸網(wǎng)建設(shè) 鋪設(shè)的長(zhǎng)途和本地中繼光纜 不包括接入網(wǎng) 總長(zhǎng)度為 100 萬(wàn)公里 到如今 光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器 Optical Amplifier OA 增加中繼距離和采用波分復(fù)用 Wavelength Division Multiplexing WDM 增加傳輸容量為特征的第四代系統(tǒng) 單信道商用速率 采用電時(shí)分復(fù)用 ETDM 可以做到 10Gbit s 實(shí)驗(yàn)室速率可高達(dá) 40Gbit s 幾乎到達(dá)了電子器件的極限速率 320Gbit s 32 10Gbit s 波分 復(fù)用系統(tǒng)已開(kāi)始大批量裝備網(wǎng)絡(luò) 1 1 2 光纖通信的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 光纖通信在短短的幾十年中發(fā)展如此迅速 并使得世界 80 以上的電 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 信業(yè)務(wù)在光纖通信網(wǎng)中傳送 是與其無(wú)可比擬的優(yōu)越性分不開(kāi)的 它的主要 優(yōu)點(diǎn)有 1 光纖的容量大 光纖通信是以光纖為傳輸媒介 光波為載波的通信系統(tǒng) 其載波具有很 高的頻率 約 1014Hz 因此光纖具有很大的通信容量 目前商用系統(tǒng)單信 道速率可達(dá) 10Gbit s 相當(dāng)于一對(duì)光纖上同時(shí)傳送 12 萬(wàn)多路電話 多信道 總?cè)萘靠蛇_(dá) 1 6Tbit s 相當(dāng)于 1920 多萬(wàn)路電話 即便如此 使用的帶寬也 大概只有光纖帶寬的 1 2 損耗低中繼距離長(zhǎng) 目前 實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖 此類光纖在 1 55 m 波長(zhǎng)區(qū)的損耗可低到 0 18dB km 比已知的其他通信線路的損耗都 低得多 如果今后采用非石英光纖 并工作在超長(zhǎng)波長(zhǎng) 2 m 光纖的 理論損耗系數(shù)可以下降到 10 3 10 5dB km 此時(shí)光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù) 千 甚至數(shù)萬(wàn)公里 3 抗電磁干擾能力強(qiáng) 高壓電線輻射出的電磁波 開(kāi)動(dòng)的電氣列車產(chǎn)生的電火花 它們都會(huì)干 擾電話線里和電纜里傳送的電信號(hào) 但是光導(dǎo)纖維是石英玻璃絲 是一種非 導(dǎo)電的介質(zhì) 交變電磁波在其中不會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì) 即不會(huì)產(chǎn)生與信號(hào)無(wú) 關(guān)的噪聲 就是把它平行鋪設(shè)到高壓電線和電氣鐵路附近 也不會(huì)受到電磁 干擾 4 保密性能好 對(duì)通信系統(tǒng)的重要要求之一就是保密性好 電通信方式很容易被人竊聽(tīng) 而光纖通信與電通信不同 由于光纖的特殊設(shè)計(jì) 光纖中傳送的光波被限制 在光纖的纖芯和芯包界面附近傳送 很少會(huì)跑到光纖之外 即使在彎曲半徑 很小的位置 泄漏光功率也是十分微弱的 并且成纜以后光纖的外面包有金 屬做的防潮層和橡膠材料的護(hù)套 這些均是不透光的 因此 泄漏到光纜外 的光幾乎沒(méi)有 光纖通信還有體積小 重量輕 節(jié)省有色金屬等優(yōu)點(diǎn) 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 它的主要缺點(diǎn)有 1 抗拉強(qiáng)度低 光纖的理論抗拉強(qiáng)度要大于鋼的抗拉強(qiáng)度 但是光纖在生產(chǎn)過(guò)程中表面 存在或產(chǎn)生微裂痕 光纖受拉時(shí)應(yīng)力全都加于此 從而使光纖的實(shí)際抗拉強(qiáng) 度非常低 這就是裸光纖很容易折斷的原因 2 光纖連接困難 要使光纖的連接損耗小 兩根光纖的纖芯必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn) 由于光纖的纖 芯很細(xì) 只有幾個(gè)微米 加之石英的熔點(diǎn)很高 因此連接很困難 需要有 昂貴的專門工具 8 1 1 3 光纖通信的線路編碼 在數(shù)字通信中 傳輸碼型的選擇是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題 由于光纖通信 有很多優(yōu)點(diǎn) 所以研究光纖信道的碼型變換有重要的實(shí)際意義 在數(shù)字光纖 通信系統(tǒng)中 所傳的信號(hào)是數(shù)字信號(hào) 然而 根據(jù)原國(guó)際電報(bào) 電話咨詢委 員會(huì) CCITT 的建議 在脈碼調(diào)制 PCM 通信系統(tǒng)中 接口碼速率與接 口碼型如表 1 1 所示 表 1 1 中 HDB3稱為三階高密度雙極性碼 這種碼 型的特點(diǎn)之一是具有雙極性 亦即具有 1 1 0 三種電平 這種雙極性碼 由于采取了一定措施 使碼流中的 1 和 1 交替出現(xiàn) 因而沒(méi)有直流分量 同時(shí) 這種碼型又可利用其正 負(fù)極性交替出現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)誤碼監(jiān)測(cè)等 CMI 為傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼 它是一種兩電平不歸零碼 它的碼型變換原則是將原 來(lái)的二進(jìn)制碼的 0 編為 01 將原來(lái)二進(jìn)制的 1 編為 00 或 11 若前一次用 00 則后一次用 11 即 00 和 11 是交替出現(xiàn)的 從 而使 0 1 在碼流中是平衡的 并且它不出現(xiàn) 10 作為禁字使用 因此 一旦碼流中出現(xiàn) 10 就知道前面產(chǎn)生了誤碼 因而具有誤碼監(jiān)測(cè)功 能 表表 1 1 接口碼速率與接口碼型接口碼速率與接口碼型 基群二次群三次群四次群 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 接口碼速率 Mb s 2 4088 44834 368139 264 接口碼型HDB3HDB3HDB3CMI 然而 PCM 系統(tǒng)中 HDB3碼有 1 0 1 三種狀態(tài) 而在光纖數(shù)字通信 系統(tǒng)中 光源只有發(fā)光和不發(fā)光兩種狀態(tài) 所以在光纖系統(tǒng)中無(wú)法傳輸 HDB3碼 簡(jiǎn)單的單極性非歸零碼 NRZ 碼 卻有產(chǎn)生長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 的情況 會(huì)影響信號(hào)的傳輸所以需要重新編碼 線路編碼又稱信道編碼 其 作用是消除或減少數(shù)字電信號(hào)中的直流和低頻分量 以便于在光纖中傳輸 接收及監(jiān)測(cè) 大體可歸納為三類 擾碼二進(jìn)制 字變換碼 插入型碼 10 1 2 CMI 編碼器的設(shè)計(jì)思路 1 2 1 CMI 編碼的原因與原則 在光纖信道傳輸中 簡(jiǎn)單的單極性非歸零碼 NRZ 碼 有產(chǎn)生長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 的情況 當(dāng)產(chǎn)生長(zhǎng)連 0 時(shí) 在其持續(xù)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有觸發(fā)脈沖供 給定時(shí)提取電路 當(dāng)產(chǎn)生長(zhǎng)連 1 時(shí) 可能由于碼間干擾使傳輸波形變壞 這兩種情況 不能保證提供足夠的定時(shí)信息 都會(huì)嚴(yán)重影響信息的正確傳輸 因此在光傳輸之前要對(duì) NRZ 碼進(jìn)行重新編碼 使其信號(hào)序列中 0 和 1 的出現(xiàn)幾率近似相等 并且限制長(zhǎng)連的情況產(chǎn)生 CMI 碼是 CCITT 建議的 PCM 基帶傳輸?shù)拇a型 編碼原則是 NRZ 碼 中的 1 碼交替地變換為 00 和 11 碼 NRZ 碼中的 0 碼變換為 01 碼 CMI 碼屬于二電平的不歸零 NRZ 的 1B2B 碼型 這種碼的特 點(diǎn)是 1 不出現(xiàn)連續(xù) 4 個(gè)以上的 0 碼或 1 碼 有頻繁的波形變換 易 于定時(shí)提取 2 電路簡(jiǎn)單 易于實(shí)現(xiàn) 3 有一定的糾錯(cuò)能力 當(dāng)編碼規(guī)則被破壞后 即意味著誤碼產(chǎn)生 便 于中繼監(jiān)測(cè) CMI 碼在一個(gè)周期里不能出現(xiàn) 10 組合 4 有恒定的直流分量 且低頻分量小 頻帶較寬 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 5 傳輸速率為編碼前的 2 倍 適用于低速率的光纖傳輸系統(tǒng) 我們基于 CMI 碼能防止長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 的情況出現(xiàn) 便于提取 時(shí)鐘信息 有檢錯(cuò)能力 并且電路具有便于實(shí)現(xiàn) 成本低等優(yōu)點(diǎn) 因此 我 選擇用 CMI 碼實(shí)現(xiàn)線路編碼 1 2 2 CMI 編碼器的基本原理和方框圖 首先 需要將 NRZ 碼中的 1 碼和 0 碼分開(kāi) 再分別進(jìn)行編碼處 理 編碼處理后再用迭加器合在一起就可以了 迭加器可以用異或門 整個(gè) 設(shè)計(jì)中需要有一個(gè)碼型發(fā)生器來(lái)提供 NRZ 碼 并且 NRZ 碼中要有至少 3 個(gè) 長(zhǎng)連 1 碼或者 0 碼 還需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)要求 25KHz 左右 這個(gè)時(shí) 鐘信號(hào)可以用 555 定時(shí)器產(chǎn)生 它便于信號(hào)頻率的調(diào)整 對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生 器和碼型發(fā)生器的設(shè)計(jì)將在第 2 章中詳細(xì)講解 波形識(shí)別器 1 碼轉(zhuǎn)換器 倍頻器 0 碼轉(zhuǎn)換器 異或 CMI NRZ CP 圖 1 1 CMI 編碼器原理方框圖 根據(jù) CMI 編碼器的編碼原理 編碼器可共分為五部分 方框圖如圖 1 1 所示 1 2 3 CMI 編碼器預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo) 編碼器輸入波形要求 輸入為二進(jìn)制 NRZ 碼和半占空方波時(shí)鐘 速率 為 25Kb s 編碼器輸出波形要求 輸出為 CMI 碼 速率為 2 25Kb s 幅度為 5V 左右 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 1 2 4 輔助設(shè)計(jì) 為了使 CMI 編碼電路能便于調(diào)試 測(cè)量 設(shè)計(jì)者認(rèn)為需要另外設(shè)計(jì)適 合 CMI 編碼電路的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器 碼型發(fā)生器 光發(fā)射機(jī)電路 這幾部 分的具體實(shí)現(xiàn)電路將在后幾章做詳細(xì)分析設(shè)計(jì) 整體方框圖如圖 1 2 所示 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器 碼型發(fā)生器 CMI 編碼器 光發(fā)射電路 光纖信道 圖 1 2 整體方框圖 1 2 5 電路仿真 設(shè)計(jì)電路的仿真使用 Multisim2001 仿真軟件 Multisim2001 軟件是 EWB 軟件的最新版本 專門用于電路仿真 是迄今為止使用最方便 最直 觀的仿真軟件 具體仿真過(guò)程將在第 3 章中詳細(xì)講解 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 第 2 章 電路設(shè)計(jì) 2 1 CMI 編碼器電路的設(shè)計(jì) 2 1 1 CMI 碼的編碼原則 數(shù)字光纖通信與數(shù)字電纜通信一樣 在其傳輸信道中 通常不直接傳送 終端機(jī) 例如 PCM 終端機(jī) 輸出的數(shù)字信號(hào) 而需要經(jīng)過(guò)碼型變換 使之 變換成為適合于傳輸信道傳輸?shù)拇a型 稱之為線路碼型 在數(shù)字光纖通信中由 于光源不可能發(fā)射負(fù)的光脈沖 只能采用 0 1 二電平碼 但簡(jiǎn)單的二 電平碼的直流基線會(huì)隨著信息流中 0 1 的不同的組合情況而隨機(jī)起 伏 而直流基線的起伏對(duì)接收端判決不利 因此需要進(jìn)行線路編碼以適應(yīng)光 纖線路傳輸?shù)囊?線路編碼還有另外兩個(gè)作用 其一是消除隨機(jī)數(shù)字碼流 中的長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 碼 以便于接收端時(shí)鐘的提取 其二是按一定規(guī) 則進(jìn)行編碼后 也便于在運(yùn)行中進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè) 以及在中繼器上進(jìn)行誤碼遙 測(cè) 在光纖信道傳輸中 簡(jiǎn)單的單極性非歸零碼 NRZ 碼 有產(chǎn)生長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連 1 的情況 當(dāng)產(chǎn)生長(zhǎng)連 0 時(shí) 在其持續(xù)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有觸發(fā) 脈沖供給定時(shí)提取電路 當(dāng)產(chǎn)生長(zhǎng)連 1 時(shí) 可能由于碼間干擾使傳輸波 形變壞 這兩種情況 不能保證提供足夠的定時(shí)信息 都會(huì)嚴(yán)重影響信息的 正確傳輸 因此在光傳輸之前要對(duì) NRZ 碼進(jìn)行重新編碼 使其信號(hào)序列中 0 和 1 的出現(xiàn)幾率近似相等 并且限制長(zhǎng)連的情況產(chǎn)生 CMI 碼屬 于二電平的不歸零 NRZ 的 1B2B 碼型 這種碼的特點(diǎn)是 1 不出現(xiàn)連續(xù) 4 個(gè)以上的 0 碼或 1 碼 易于定時(shí)提取 2 電路簡(jiǎn)單 易于實(shí)現(xiàn) 3 有一定的糾錯(cuò)能力 當(dāng)編碼規(guī)則被破壞后 即意味著誤碼產(chǎn)生 便 于中繼監(jiān)測(cè) 4 有恒定的直流分量 且低頻分量小 頻帶較寬 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 5 傳輸速率為編碼前的 2 倍 適用于低速率的光纖傳輸系統(tǒng) 12 CMI 碼是原 CCITT 建議的 PCM 基帶傳輸?shù)拇a型 它的編碼原則是 NRZ 碼中的 1 碼交替地變換為 00 碼和 11 碼輸出 NRZ 碼中的 0 碼變換為 01 碼輸出 變換的波形如圖 2 1 所示 圖 2 1 CMI 碼變換波形圖 2 2 2 CMI 編碼器設(shè)計(jì)指標(biāo) 1 編碼器輸入波形要求 輸入為二進(jìn)制 NRZ 碼和半占空方波時(shí)鐘 速 率為 25Kb s 2 編碼器輸出波形要求 輸出為 CMI 碼 速率為 2 25Kb s 幅度為 5V 左右 3 發(fā)射的光信號(hào)功率要求 功率達(dá)到 0 05mW 2 2 3 編碼器設(shè)計(jì)過(guò)程 1 編碼器整體方框圖 根據(jù) CMI 編碼器的編碼原理 編碼器共分為五部分 整體方框圖如圖 2 2 所示 NRZ 碼和時(shí)鐘信號(hào) CP 由后面設(shè)計(jì)的碼型發(fā)生器和時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生 器提供 1 波形識(shí)別器 將輸入二進(jìn)制碼的 1 和 0 識(shí)別出來(lái) 分別送 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 入 1 碼轉(zhuǎn)換器和 0 碼轉(zhuǎn)換器 2 1 碼轉(zhuǎn)換器 將 1 碼變換成為寬度為 T 的電平 A1 0 或電平 A2 1 當(dāng)信號(hào)是連續(xù) 1 時(shí) 保證兩個(gè)電平交替出現(xiàn) 3 0 碼轉(zhuǎn)換器 將 0 碼變換成兩個(gè)電平 A1A2 01 其中 A1和 A2的寬度各為 T 2 4 倍頻器 將時(shí)鐘脈沖倍頻 得到碼寬為 T 2 的矩形脈沖 以便為 0 碼轉(zhuǎn)換提供 A1A2 信號(hào) 5 異或門 將二進(jìn)制 NRZ 碼 1 和 0 信號(hào)變換后的代碼相迭加 并輸出 波形識(shí)別器 1 碼轉(zhuǎn)換器 倍頻器 0 碼轉(zhuǎn)換器 異或 CMI NRZ CP 圖 2 2 CMI 編碼器整體方框圖 2 波形識(shí)別器和 1 碼轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì) 1 根據(jù)設(shè)計(jì)要求畫出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換圖 根據(jù) CMI 碼的編碼原則 輸入和輸出的關(guān)系要求編碼器應(yīng)有四個(gè)狀態(tài) 即 S0 S1 S2 S3 若初態(tài)為 S0 輸入 0 時(shí) 保持原態(tài) S0 輸出 01 若初態(tài)為 S0 輸入 1 時(shí) 狀態(tài)變?yōu)?S1 輸出 00 若初態(tài)為 S1 輸入 0 時(shí) 狀態(tài)變?yōu)?S2 輸出 01 若初態(tài)為 S1 輸入 1 時(shí) 狀態(tài)變?yōu)?S3 輸出 11 若初態(tài)為 S2 輸入 0 時(shí) 保持原態(tài) S2 輸出 01 若初態(tài)為 S2 輸入 1 時(shí) 狀態(tài)變?yōu)?S3 輸出 11 若初態(tài)為 S3 輸入 0 時(shí) 狀態(tài)變?yōu)?S0 輸出 01 若初態(tài)為 S3 輸入 1 時(shí) 狀態(tài)變?yōu)?S1 輸出 00 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 按此畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖 2 3 所示 其中 x z 表示輸入 輸出 從狀態(tài)圖 不難看出 S0與 S3和 S1與 S2分別是等價(jià)狀態(tài) 所以狀態(tài)圖可以化簡(jiǎn)為圖 2 4 所示 圖 2 3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 圖 2 4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)圖 2 狀態(tài)分配 因?yàn)殡娐分挥袃蓚€(gè)狀態(tài) 用一個(gè)觸發(fā)器即可 取 S0狀態(tài)為 1 S1狀 態(tài)為 0 此時(shí)狀態(tài)編碼轉(zhuǎn)換表見(jiàn)表 2 1 所示 表表 2 1 狀態(tài)編碼轉(zhuǎn)碼轉(zhuǎn)換表狀態(tài)編碼轉(zhuǎn)碼轉(zhuǎn)換表 輸入 X現(xiàn)態(tài) Qn次態(tài) Q n 1輸出 Z 00001 01101 10111 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 11000 3 選定觸發(fā)器 求輸出方程 狀態(tài)方程和驅(qū)動(dòng)方程 選用 D 觸發(fā)器 其特性方程為 Qn 1 D 2 1 從狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 2 1 可以看出 輸出雖然是兩位碼 但對(duì) 1 碼轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn) 器 只要求在 X 1 時(shí) 輸出轉(zhuǎn)換成 11 或 00 并且要求 11 和 00 交替輸出 這時(shí)的輸出卻相當(dāng)于持續(xù)時(shí)間為 T 的 1 或 0 而在 X 0 時(shí) 1 碼轉(zhuǎn)換器輸出永遠(yuǎn)是 0 所以這時(shí)的 01 可以寫作 0 因此 它的輸出函數(shù)卡諾圖可畫成如圖 2 5 所示 所以得到輸出方程為 2 2 nn ZxQx Qx A Qn X01 000 110 圖 2 5 Z 的卡諾圖 為了得到觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程 首先需要求出狀態(tài)方程 從表 2 1 我們不 難畫出觸發(fā)器次態(tài) Qn 1的卡諾圖 如圖 2 6 所示 Qn X 01 001 110 圖 2 6 Qn 1的卡諾圖 所以 2 3 1nn QxQ 將上式狀態(tài)方程與 D 觸發(fā)發(fā)器的特性方程對(duì)比 即可求出驅(qū)動(dòng)方程為 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 2 4 n DxQ 4 畫出電路圖 從輸出方程 驅(qū)動(dòng)方程不難畫出 1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的電路圖 但考慮到 0 碼轉(zhuǎn)換器的需要輸入 X 的反相信號(hào) 所以多加一級(jí) D 觸發(fā)器 以便從 端取得 0 碼轉(zhuǎn)換器的開(kāi)門信號(hào) 電路圖如圖 2 7 所示 Q 圖 2 7 識(shí)別器和 1 碼轉(zhuǎn)換器電路圖 3 倍頻器的設(shè)計(jì) 倍頻器由一個(gè)反相器 兩個(gè)積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器與一個(gè)半加器組成 5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一種穩(wěn)定狀態(tài) 當(dāng)外加觸發(fā)脈沖時(shí) 電路就從穩(wěn)態(tài)翻 轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài) 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后 它又自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài) 積分型單態(tài)觸發(fā)器如圖 2 8 所示 其工作原理是 在 A 端無(wú)觸發(fā)信號(hào)時(shí) 非門 1 輸出為 1 與非 門 2 輸出為 1 經(jīng)反相器非門 3 輸出為 0 這是觸發(fā)器的穩(wěn)定狀態(tài) 此 時(shí) B C 兩點(diǎn)均為高電位 當(dāng)正觸發(fā)脈沖由 A 端輸入時(shí) 由 0 1 非門 1 的輸出立即變?yōu)?0 與非門 2 的輸出從 1 變?yōu)?0 進(jìn)入觸發(fā)器的暫 穩(wěn)態(tài) 在暫態(tài)時(shí) B 點(diǎn)變?yōu)榈碗娢?所以電容 C1電壓通過(guò) R1放電 使 C 點(diǎn) 電位按指數(shù)規(guī)律下降 當(dāng)下降到與非門 2 的閾值電壓時(shí) 與非門 2 輸出由 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 0 變?yōu)?1 恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的高電平 由此可見(jiàn) 在觸發(fā)脈沖的作用下 與非門 2 輸出一個(gè)負(fù)窄脈沖 經(jīng)非門 3 反相輸出一個(gè)正窄脈沖 這種觸發(fā)器 是脈沖前沿進(jìn)行觸發(fā)的 輸出脈沖寬度與 R1C1時(shí)間常數(shù)有關(guān) 顯然這種觸 發(fā)器的輸入脈沖寬度要大于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的脈沖寬度才行 否則觸發(fā)脈 沖后沿將使門 2 由 0 變 1 單穩(wěn)態(tài)電路提前恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài) 圖 2 8 積分型單穩(wěn)態(tài)電路 用兩個(gè)積分型單穩(wěn)態(tài)電路 其輸入分別為兩個(gè)相位相反 頻率均為 25KHz 的信號(hào) 并將兩個(gè)輸出迭加 調(diào)節(jié) R1 R2使其迭加后的頻率達(dá)到 2 25KHz 即可 倍頻器的電路如圖 2 9 所示 為了在后面的調(diào)試過(guò)程中有 調(diào)節(jié)的余地 我選擇 R1 R2用 100K 的電位器 C1 C2選擇 0 01 F 電容 根據(jù) 計(jì)算 RC 1 f 圖 2 9 倍頻器電路 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 4 0 碼轉(zhuǎn)換器和迭加電路的設(shè)計(jì) 根據(jù) CMI 碼編碼原理 輸入為 0 時(shí) 輸出 01 所以只要有一個(gè) 波形識(shí)別器和一個(gè)觸發(fā)器即可解決 0 碼轉(zhuǎn)換器如圖 2 10 所示 其工 T 作原理是 當(dāng) X 0 時(shí) 輸出為 01 當(dāng) X 1 時(shí) 輸出保持原狀態(tài)不變 即輸出總是 1 最后將 1 碼轉(zhuǎn)換器與 0 碼轉(zhuǎn)換器的輸出迭加起來(lái) 便可得到 CMI 碼輸出 圖 2 10 0 碼轉(zhuǎn)換器電路 5 整體電路 根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果綜合前面三個(gè)部分的電路便可以組成總的 CMI 編碼 器電路 CMI 碼編碼電路見(jiàn)圖 2 11 其工作原理是 首先將電路置 0 當(dāng)輸 入 NRZ 0 時(shí) 1 碼轉(zhuǎn)換器的輸出總是 0 編碼器輸出由 0 碼轉(zhuǎn)換器控 制 當(dāng)輸入 NRZ 1 時(shí) 0 碼轉(zhuǎn)換器保持原狀態(tài) 1 不變 編碼器輸出由 1 碼轉(zhuǎn)換器控制 然后將 1 碼轉(zhuǎn)換器的輸出和 0 碼轉(zhuǎn)換器的輸出 迭加在一起得到 CMI 碼 電路圖中的元器件都選擇用 74LS 系列的 其中 U6A U6B R1 C5 U3D U3E 是整形 延遲電路 C1 C2是濾波電容用 來(lái)去掉波形邊緣的毛刺 它們選擇幾百皮法的電容 就可以克服電路中的競(jìng) 爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象 到這里就完成了 CMI 編碼器電路的設(shè)計(jì) 2 3 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)需要用到時(shí)鐘信號(hào) 我選擇用 555 定時(shí)器來(lái)完成 555 定時(shí)器是 一種多用途的數(shù)字與模擬混合集成電路 利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā) 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器 由于使用靈活 方便 所以 555 定時(shí)器在 波形的產(chǎn)生與變換 測(cè)量與控制 家用電器 電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到 了應(yīng)用 它的應(yīng)用還可以組成定時(shí) 延時(shí)和脈沖調(diào)制等各種電路 圖 2 11 CMI 編碼器電路圖 正因?yàn)槿绱?自從 Signetics 公司于 1972 年推出這種產(chǎn)品以后 國(guó)際上 各主要的電子器件公司也都相繼地生產(chǎn)了各自的 555 定時(shí)器產(chǎn)品 盡管產(chǎn)品 型號(hào)繁多 但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的 3 位數(shù)碼都是 555 所有 CMOS 產(chǎn)品型號(hào)最后的 4 位數(shù)碼都是 7555 而且它們的功能和外部引腳的排列完 全相同 后來(lái)為了提高集成度 隨后又生產(chǎn)了雙定時(shí)器產(chǎn)品 556 雙極型 和 7556 CMOS 型 555 定時(shí)器的引腳圖如圖 2 12 所示 圖 2 13 為 TTL 集成定時(shí)器 NE555 的電路結(jié)構(gòu)圖 從圖中可知 它有 8 個(gè)引出端 1 接地端 8 正電源端 4 復(fù)位端 6 高觸發(fā)端 2 低觸 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 16 發(fā)端 7 放電端 3 輸出端 5 電壓控制端 NE555 是雙列直插式組件 圖 2 12 555 定時(shí)器引腳圖 它由電壓比較器 電阻分壓器 基本 RS 觸發(fā)器 放電管和輸出緩沖級(jí)幾個(gè) 基本單元組成 A1和 A2是兩個(gè)電壓比較器 由圖可知 A1的同相輸入端接 參考電壓 2Vcc 3 A2的反相輸入端接參考電壓 Vcc 3 在高觸發(fā)端和低觸發(fā) 端輸入電壓的作用下 A1和 A2的輸出為高或低電平 它們作為基本 RS 觸 發(fā)器的輸入信號(hào) 基本 RS 觸發(fā)器的輸出 Q 經(jīng)過(guò)一級(jí)與非門控制放電三極管 再經(jīng)過(guò)一級(jí)反相驅(qū)動(dòng)門作為輸出信號(hào) 555 組件接上適當(dāng)?shù)?R C 定時(shí)元件 就可構(gòu)成施密特觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器電路 4 圖 2 13 定時(shí)器 NE555 的電路結(jié)構(gòu)圖 2 3 1 555 定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 用 555 定時(shí)器可以很方便地接成施密特觸發(fā)器 只要將 555 的高電平觸 發(fā)端和低電平觸發(fā)端連接起來(lái) 作為觸發(fā)信號(hào)的輸入端 就可構(gòu)成施密特觸 發(fā)器 如圖 2 14 所示 由于 TH 是 555 中電壓比較器的輸入 輸入信IR 號(hào)的大小直接決定了電壓比較器和整個(gè)電路的輸出狀態(tài) 當(dāng) TH 連接在IR 一起時(shí) 整個(gè)電路的狀態(tài)由輸入電壓的大小決定 并在輸入電壓作用下 電 路 圖 2 14 555 定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路 狀態(tài)能快速變換 且有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài) 現(xiàn)以輸入電壓 u1為如圖 2 15 所示的 三角波為例 來(lái)說(shuō)明圖 2 14 電路的工作過(guò)程 在 u1上升期間 當(dāng) u1 Vcc 3 時(shí) 電路輸出 u0為高電平 當(dāng) Vcc 3 u1 2Vcc 3 時(shí) 輸出 u0不變 仍為高電 平 當(dāng) u1增大到略大于 2Vcc 3 時(shí) 電路輸出 u0變?yōu)榈碗娖?當(dāng) u1由高于 2Vcc 3 值下降達(dá)到 TH 端 6 管腳 的觸發(fā)電平時(shí) 電路輸出不變 直到 u1 下降到略小于 Vcc 3 時(shí) 輸出 u0躍變?yōu)楦唠娖?根據(jù)上述過(guò)程可得出 u1是 三角波時(shí) 輸出電壓變?yōu)樯仙睾拖陆笛囟己芏盖偷木匦尾?如圖 2 15 所 示 此圖進(jìn)一步說(shuō)明 u1上升時(shí)電路改變狀態(tài)的輸入電壓 UT 和 u1下降時(shí) 電路改變狀態(tài)的輸入電壓 UT 不同 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 圖 2 15 u1的輸入波形和 u0的輸出波形 2 3 2 555 構(gòu)成的多諧振蕩器 555 外接定時(shí)電阻 R1 R2和電容 C 構(gòu)成的多諧振蕩器 電路如圖 2 16 所示 將高電平觸發(fā)端 TH 和低電平觸發(fā)端 TR 相連 且放電回路中還串接 了一個(gè)定時(shí)電阻 R2 圖 2 16 多諧振蕩器電路 電路工作過(guò)程分析 當(dāng)接通電源 Vcc時(shí) 如電容 C 上的初始電壓為 0 u0處于高電平 放電管 T 截止 電源通過(guò) R1 R2向 C 充電 經(jīng)過(guò) t1時(shí) 間后 uc達(dá)到高觸發(fā)電平為 2Vcc 3 u0由 1 變?yōu)?0 這時(shí)放電管 T 導(dǎo)通 電 容 C 通過(guò)電阻 R2放電 到時(shí) uc下降到低觸發(fā)電平為 Vcc 3 u0又翻回 2 tt 到 1 狀態(tài) 隨即 T 又截止 電容 C 又開(kāi)始充電 如此周而復(fù)始 重復(fù)上述 的過(guò)程 就可以在輸出端 3 管腳 得到矩形波電壓 如圖 2 17 所示 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 圖 2 17 振蕩器的輸入 輸出波形 現(xiàn)在我們來(lái)計(jì)算此電路的振蕩周期 為了簡(jiǎn)單起見(jiàn) 設(shè)組件內(nèi)運(yùn)放 A1 A2的輸入電阻為無(wú)窮大 并近似地認(rèn)為放電管 T 截止時(shí) DIS 端對(duì)地 的等效電阻為無(wú)窮大 而放電管 T 導(dǎo)通時(shí) 管壓降為零 現(xiàn)以為起始 2 tt 點(diǎn) 可得充電時(shí)間 T1為 2 5 11212 ln20 693 TRR CRR C 若以 t3為起始點(diǎn) 可得電容 C 的放電時(shí)間為 2 6 222 ln20 693TR CR C 由此可得方波的周期為 頻率為 12 TTT 2 7 1212 1 1 44 2 fTTRR C 振蕩頻率主要取決于時(shí)間常數(shù) R 和 C 改變 R 和 C 參數(shù)可改變振蕩頻 率 幅度則由電源電壓 Vcc來(lái)決定 但是 輸出的矩形波是不對(duì)稱的 如果 則占空比接近于 1 此時(shí) uc近似地為鋸齒波 12 RR 本設(shè)計(jì)中需要產(chǎn)生 25KHz 左右的方波 根據(jù)公式 2 7 可計(jì)算出一組 R1 R2和電容 C 的值 我選擇 Vcc 5V R1 130K R2 4 3K C 200PF 輸出的方波基本能滿足設(shè)計(jì)要求 頻率為 25KHz 左右 幅度為 5V 左右 為碼型發(fā)生器和 CMI 編碼器提供時(shí)鐘信息 其輸出波形可以用數(shù)字示波器 觀察 頻率也可以用數(shù)字示波器測(cè)量 2 4 碼型發(fā)生器的設(shè)計(jì) 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 2 4 1 m 序列 m 序列是目前廣泛應(yīng)用的一種偽隨機(jī)序列 通常產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的電路 為一反饋移存器 它又可分為線性反饋移存器和非線性反饋移存器兩大類 由線性反饋移存器產(chǎn)生出的周期最長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)字序列稱為最大長(zhǎng)度線性反 饋移存器序列 通常簡(jiǎn)稱為 m 序列 所謂偽隨機(jī)序列 是指具有隨機(jī)特性 的確定序列 又稱偽噪聲 PN 碼 m 序列是最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器序 列的簡(jiǎn)稱 是由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列 m 序列是 一種很實(shí)用的正交碼 由于各碼組間相關(guān)性很弱 因而具有很強(qiáng)的抗干擾能 力 m 序列的特性使其在保密通信 碼分多址通信 計(jì)算誤碼率及延時(shí)測(cè)距 等方面有著廣泛的應(yīng)用 而且 m 序列的理論比較成熟 實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 所 以在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用 1 2 4 2 方案比較 方案一 用單片機(jī)生成一個(gè)固定的循環(huán)序列 該方案可以人為設(shè)定所需 的序列輸出 但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜 而且本設(shè)計(jì)所需要的碼型發(fā)生器在產(chǎn) 生一定的輸出碼后不需要改變輸出碼的序列 因此不予采用 方案二 由于我們需要生成有長(zhǎng)連 1 或者長(zhǎng)連 0 至少 3 個(gè) 的 序列輸出 所以我考慮可以直接搭建一個(gè)有特定輸出碼型的電路 這是一種 構(gòu)成序列信號(hào)產(chǎn)生器常見(jiàn)的方法 采用帶反饋邏輯電路的移位寄存器 這種 方法的造價(jià)低廉 所以我選擇方案二 2 4 3 碼型發(fā)生器設(shè)計(jì)過(guò)程 1 畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)碼型的要求我決定使碼型發(fā)生器產(chǎn)生 1110010 碼 它的 周 期 T 7 所以 2n 1 7 n 3 特征多項(xiàng)式為 可用 3 位的移 32 1xx 位寄存器和反饋邏輯電路構(gòu)成所需要的序列信號(hào)發(fā)生器 得到線性反饋移位 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 寄存器如圖 2 18 所示 從 Q0端輸出的就是所要的序列信號(hào) 圖 2 18 線形反饋移位寄存器 根據(jù)圖 2 18 可以寫出對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表 2 2 所示 2 求出輸出方程 再根據(jù)表 2 2 所示的關(guān)系 可以畫出輸出 D0與 Q0Q1Q2的卡諾圖如圖 2 19 所示 表表 2 2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 CPQ2Q1Q0D0 00100 11010 21101 31110 40111 50011 61001 Q1Q2 Q0 00011110 01011 11100 圖 2 19 D0的卡諾圖 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 所以 輸出方程為 2 8 00120101 DQ Q QQ QQ Q A AAA 化簡(jiǎn)得 2 9 010012 DQQQQQ 3 確定電路圖 根據(jù)公式 2 9 就可以確定碼型發(fā)生器的電路圖 如圖 2 20 其中或門 和或非門的作用是當(dāng)初始狀態(tài)都是 0 時(shí) 輸出為 1 碼型發(fā)生器可以啟動(dòng) 圖 2 20 碼型發(fā)生器電路圖 2 5 信號(hào)的發(fā)射 前面我們已經(jīng)完成了時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器 碼型發(fā)生器 CMI 編碼器電路 的設(shè)計(jì) 在光纖通信系統(tǒng)中 信號(hào)的發(fā)射是重要的組成部分 在這一節(jié)中主 要來(lái)完成信號(hào)的發(fā)射電路 這樣我們就可以用光功率計(jì)來(lái)測(cè)量光信號(hào)的功率 2 5 1 光發(fā)射機(jī) 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)氖枪庑盘?hào) 在光纖信道中光信號(hào)需要載體才能正常 傳輸 光發(fā)射機(jī)作為光纖通信系統(tǒng)的光源 便成為重要的器件之一 它的作 用是產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào) 作為信號(hào)傳輸?shù)妮d體攜帶信號(hào)在光纖傳輸線 中傳送 由于光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒介是光纖 因此作為光源的發(fā)光器件 應(yīng)滿足以下要求 1 體積小 與光纖之間有較高的耦合效率 2 發(fā)射的光波波長(zhǎng)應(yīng)位于光纖的三個(gè)低損耗窗口 即 0 85 m 1 31 m 和 1 55 m 波段 3 可以進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制 4 可靠性高 要求它工作壽命長(zhǎng) 工作穩(wěn)定性好 具有較高的功率穩(wěn) 定性 波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性 5 發(fā)射的光功率足夠高 以便可以傳輸較遠(yuǎn)的距離 有一定的可靠性 6 溫度穩(wěn)定性好 即溫度變化時(shí) 輸出光功率以及波長(zhǎng)變化應(yīng)在允許 的范圍內(nèi) 能夠滿足以上要求的光源一般為半導(dǎo)體二極管 目前全光纖激光器作為 一種新型的激光器也有望在光纖通信系統(tǒng)中發(fā)揮其作用 最常用的半導(dǎo)體發(fā) 光器件是發(fā)光二極管 LED 和激光二極管 LD 前者可用于短距離 低容 量或模擬系統(tǒng) 其成本低 可靠性高 后者適用于長(zhǎng)距離 高速率的系統(tǒng) 在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要綜合考慮來(lái)決定 因此它們都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和特性 下面就兩者的性能作系統(tǒng)的比較 如表 2 3 所示 表表 2 3 激光二極管與發(fā)光二極管激光二極管與發(fā)光二極管 激光二極管發(fā)光二極管 輸出光功率較大 幾 mW 到幾十 m 輸出光功率較小 一般僅 1m 到 2mW 帶寬大 調(diào)制速率高 幾百 MHz 到幾十 GHz 帶寬小 調(diào)制速率低 幾十到 200MHz 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 光束方向性強(qiáng) 發(fā)散度小方向性差 發(fā)散度大 與光纖的耦合效率高 可高達(dá) 80 以上與光纖的耦合效率低 僅百分之幾 光譜較窄制造工藝難度小 成本低 制造工藝難度大 成本高可在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作 在要求光功率較穩(wěn)定時(shí) 需要 APC 和 ATC在大電流下易飽和 輸出特性曲線的線性度較好在大電流下易飽和 有模式噪聲無(wú)模式噪聲 可靠性一般可靠性較好 工作壽命短工作壽命長(zhǎng) 根據(jù) LED 和 LD 的性能 在選擇光源時(shí)要做到技術(shù)上合理 經(jīng)濟(jì)上合 適以便于應(yīng)用 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)傳輸距離近 對(duì)發(fā)射機(jī)性能要求低 所以我選擇 用發(fā)光二極管 而且發(fā)光二極管的制造工藝難度小 成本低 更使其適合在 本設(shè)計(jì)中應(yīng)用 2 5 2 LED 的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路 在小型模擬或低速 短距離數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中 都可以采用 LED 作 為系統(tǒng)光源 不論哪種通信系統(tǒng) 用 LED 作光源時(shí) 均采用直接強(qiáng)度調(diào)制 方式即通過(guò)改變 LED 的注入電流調(diào)制輸出光功率 LED 的數(shù)字調(diào)制原理是 利用信號(hào)電流為單向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) 用單向脈沖電流的 有 無(wú) 1 碼和 0 碼 控制發(fā)光管的發(fā)光與否 調(diào)制系統(tǒng)通過(guò)控制流經(jīng)發(fā)光管 電流的辦法達(dá)到調(diào)制輸出光功率的目的 LED 的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路主要應(yīng)用于二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供 幾十至幾百毫安的 開(kāi) 關(guān) 電流 碼速不高時(shí) 可以不加偏置 但在高 碼速時(shí) 需加小量的正向偏置電流 有利于保持二極管電容上的電荷 幾種 典型的 LED 數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路如圖 2 21 所示 其中 圖 a 為晶體管共射驅(qū)動(dòng)電路 晶體管用作飽和開(kāi)關(guān) 提供電 流增益 其兩端的電壓降較小 飽和壓降 Vcc 0 3V 圖 b 中的達(dá)林頓 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 結(jié)構(gòu)因高電流增益 降低了輸出阻抗 這一電路可得到 2 5ns 的光上升時(shí)間 可傳輸 100Mb s 的數(shù)字信號(hào) 但由于發(fā)射極輸出的負(fù)載不是純電阻 所以 可能使電路發(fā)生振蕩 RlCl并聯(lián)串接于發(fā)射極電路 組成發(fā)射極跟隨電路 提供電壓階躍 以補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電流開(kāi)始時(shí) 對(duì)發(fā)光管電容充電所造成的光驅(qū)動(dòng) 電流的下降 從而使驅(qū)動(dòng)器可工作在高碼速情況下 圖 c 為發(fā)射極耦合 開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路 可傳輸 300Mb s 以上的數(shù)字信號(hào) 晶體管 Tl和 T2是發(fā) 射極耦 a 簡(jiǎn)單的共射極飽和開(kāi)關(guān)電路 b 低阻抗射極跟隨式驅(qū)動(dòng)電路 c 發(fā)射極耦合開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路 d 高速 LED 驅(qū)動(dòng)電路 圖 2 21 幾種典型的 LED 數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路 合式開(kāi)關(guān) T3為恒流源 發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流由恒流源決定 這種電路類似 線性差分放大器 實(shí)際作開(kāi)關(guān)用 由于它超越了線性范圍工作 輸入端過(guò)激 勵(lì)時(shí) 仍沒(méi)有達(dá)到飽和 所以開(kāi)關(guān)速率更高 圖 d 為高速 LED 驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng) LED 為面發(fā)光管時(shí) 可傳輸 2Gb s 以上的數(shù)字信號(hào) 該電路的脈沖前后 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 26 沿為 0 35ns 預(yù)偏置為 15mA 電流峰值為 100mA 在本設(shè)計(jì)中由 5V 直流電源提供能量 CMI 編碼器輸出碼的電壓在 5V 左右 所以對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求不大 為了使設(shè)計(jì)方便簡(jiǎn)單 我選擇使用 74LS140 作為驅(qū)動(dòng)電路來(lái)提高電信號(hào)的功率 光發(fā)射電路使用 HFBR 1414T 型發(fā)光二極管 14 2 5 3 光功率計(jì) 光功率計(jì)是測(cè)量光纖上傳送信號(hào)強(qiáng)度的設(shè)備 用于測(cè)量絕對(duì)光功率或通 過(guò)一段光纖的光功率相對(duì)損耗 在光纖系統(tǒng)中 測(cè)量光功率是最基本的 光 功率計(jì)的原理非常像電子學(xué)中的萬(wàn)用表 只不過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量的是電量 而光 功率計(jì)測(cè)量的是光 在光纖測(cè)量中 光功率計(jì)是重負(fù)荷常用表 通過(guò)測(cè)量發(fā) 射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)功率 光功率計(jì)就能夠評(píng)價(jià)光端設(shè)備的性能 用光功 率計(jì)與穩(wěn)定光源組合使用 組成光損失測(cè)試器 則能夠測(cè)量連接損耗 檢驗(yàn) 連續(xù)性 并幫助評(píng)估光纖鏈路傳輸質(zhì)量 針對(duì)用戶的具體應(yīng)用 要選擇適合 的光功率計(jì) 應(yīng)該關(guān)注以下各點(diǎn) 1 選擇最優(yōu)的探頭類型和接口類型 2 評(píng)價(jià)校準(zhǔn)精度和制造校準(zhǔn)程序 與光纖接頭要求范圍相匹配 3 確定這些型號(hào)與功率計(jì)測(cè)量范圍和顯示分辨率相一致 CMI 碼電信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后 獲得了足夠的傳輸功率 然后經(jīng)發(fā)光 二極管發(fā)射到光纖信道中 本設(shè)計(jì)只提供了光信號(hào)在尾纖中輸出的情況 用 OA 101 光功率計(jì)測(cè)量其傳輸功率為 0 053mW 基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo) 2 6 本章小結(jié) 本章是整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體 完成了全部的硬件電路設(shè)計(jì) 主要分成四 個(gè)部分有時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器 碼型發(fā)生器 CMI 編碼器和信號(hào)驅(qū)動(dòng)與發(fā)射電 路 設(shè)計(jì)本著用料經(jīng)濟(jì)便宜的考慮基本都使用常見(jiàn)的元器件 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 27 第 3 章 軟件仿真 電路的仿真在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中有重要意義 通過(guò)仿真可以檢查電路是 否正確 在仿真過(guò)程中便于更改元器件參數(shù) 可以為設(shè)計(jì)者提供很多有價(jià)值 的參考值 仿真時(shí)沒(méi)有外部環(huán)境等因素的影響 便于檢查設(shè)計(jì)的理論是否正 確 所以 在這一章中主要是對(duì)硬件電路的仿真 檢查設(shè)計(jì)是否正確 3 1 仿真軟件的介紹 設(shè)計(jì)電路的仿真使用的是 Multisim2001 仿真軟件 Multisim2001 軟件 是 EWB 軟件的最新版本 專門用于電路仿真 是迄今為止使用最方便 最 直觀的仿真軟件 在保留了 EWB 形象直觀等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上 大大增強(qiáng)了軟 件的仿真測(cè)試和分析功能 大大擴(kuò)充了元件庫(kù)中的元件的數(shù)目 特別是增加 了大量與實(shí)際元件對(duì)應(yīng)的元件模型 使得仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果更精確 更可靠 更具有實(shí)用性 Multisim2001 軟件具有以下的功能 1 具有豐富的元件庫(kù) Multisim2001 主元件庫(kù)提供了一個(gè)龐大的元件模型數(shù)據(jù)庫(kù) 并且用戶通 過(guò)新增的元件編輯器可以建立自己的元件庫(kù) 2 類型齊全的仿真 在 Multisim2001 電路窗口中 既可以分別對(duì)數(shù)字或模擬電路進(jìn)行仿真 也可以將數(shù)字元件和模擬元件連接在一起進(jìn)行仿真分析 還可以對(duì)射頻電路 進(jìn)行仿真 3 高度集成的操作界面 Multisim2001 將電路原理圖的創(chuàng)建 電路的測(cè)試分析和結(jié)果的圖表顯示 等 全部集成到同一個(gè)電路窗口中 整個(gè)操作界面就像一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái) 有 存放仿真元件的元件箱 有存放測(cè)試儀器儀表的儀器庫(kù) 有進(jìn)行仿真分析的 各種操作命令 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 28 4 強(qiáng)大的分析功能 Multisim2001 提供了十幾種電路的分析功能 有直流工作點(diǎn)分析 交流 分析 瞬態(tài)分析 傅里葉分析等 可幫助設(shè)計(jì)者分析電路的性能 大大縮短 分析時(shí)間 5 強(qiáng)大的虛擬儀器儀表功能 Multisim2001 提供了雙蹤示波器 邏輯分析儀 波特圖示儀 數(shù)字萬(wàn)用 表等十多種虛擬儀器 儀表 操作界面如同在實(shí)驗(yàn)室中親手操作儀器一樣 可非常方便地用于分析研究和教學(xué) 邏輯分析儀 網(wǎng)絡(luò)分析儀更是一般實(shí)驗(yàn) 室不可多得的高檔儀器 6 具有 VHDL Verilog 的設(shè)計(jì)和仿真功能 Multisim2001 包含了 VHDL Verilog 的設(shè)計(jì)和仿真 使得大規(guī)?？删?程邏輯器件的設(shè)計(jì)和仿真與模擬電路 數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和仿真融為一體 突 破了原來(lái)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷o(wú)法與普遍電路融為一體仿真的缺陷 7 提供多種輸入輸出接口 Multisim2001 可以輸入由 Spice 等其他電路仿真軟件所創(chuàng)建的 Spice 網(wǎng) 表文件并自動(dòng)形成相應(yīng)的電路原理圖 可以把 Multisim2001 環(huán)境下創(chuàng)建的 電路原理圖文件輸出給 Protel 等常見(jiàn)的 PCB 軟件進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì) 也 可以將仿真結(jié)果輸送到 MathCAD 和 Excel 等應(yīng)用程序中 Multisim2001 仿真軟件功能強(qiáng)大 通過(guò)電路仿真可以驗(yàn)證系統(tǒng)電路的正 誤 并且在仿真過(guò)程中便于改變?cè)骷膮?shù) 使焊接后才發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤減少 電路各個(gè)部分的輸出波形可以很清楚的展現(xiàn)出來(lái) 13 3 2 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器波形仿真 首先在 Multisim2001 仿真軟件中畫出第 2 章中設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器 電路 按要求設(shè)置好各個(gè)元器件的參數(shù) R1 4 3K R2 130K C 220pF 然后用示波器觀察電路的輸出波形 輸出波形如圖 3 1 所示 時(shí)鐘信號(hào)的要 求是頻率為 25KHz 左右的方波 幅度為 5V 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 圖 3 1 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器輸出波形 從示波器上我們可以看到輸出的時(shí)鐘信號(hào)波形的幅度約為 5V 頻率為 25KHz 左右 Soale 表示每個(gè)大格 20 s VA2 VA1就是幅度 滿足設(shè)計(jì)的 要求 在實(shí)際電路中若需要改變輸出波形的幅度或者頻率可以通過(guò)改變 R1 R2和電容 C 的值就可以 3 3 碼型發(fā)生器波形仿真 根據(jù)第 2 章中的設(shè)計(jì)電路 在 Multisim2001 仿真軟件中畫出電路接上 示波器觀察仿真波形 仿真后得到如圖 3 2 所示的輸出波形 觀察時(shí)可以使 用兩個(gè)示波器 一個(gè)接碼型發(fā)生器的輸出另一個(gè)接時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器的輸出 這樣可以比較兩個(gè)波形的相位 碼型發(fā)生器波形要求 輸出是 1110010 循環(huán)碼 幅度為 5V 左右 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 30 圖 3 2 碼型發(fā)生器輸出波形 在圖 3 2 中 上面的是碼型發(fā)生器輸出波形 下面的是時(shí)鐘信號(hào) 從圖 中我們看到對(duì)應(yīng)得很好 碼型發(fā)生器輸出的波形是 1110010 碼 幅度約 為 5V 3 4 倍頻電路波形仿真 倍頻電路是最難調(diào)試的部分 它需要將時(shí)鐘信號(hào)的頻率加倍來(lái)適應(yīng)最后 碼型的需要 從 NRZ 碼到 CMI 碼頻率正好加了一倍 它的電路圖如圖 3 3 所示 需要同時(shí)調(diào)解 R1 R2 C1 C2才能達(dá)到倍頻的作用 我選擇用 100K 的電位器來(lái)調(diào)解 要求輸出波形的頻率 50KHz 左右 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 31 圖 3 3 倍頻電路 最后 將 R1與 R2調(diào)解到 10K 左右 C1 C2 10nF 時(shí) 得到了預(yù)期設(shè) 計(jì)的倍頻波形 輸出波形如圖 3 4 所示 根據(jù)公式 計(jì)算 RC 1 f Hz 3 1 25 10fRC 所以 RC 1 25 103 4 10 5 當(dāng) R 10 103 C 10 10 9F 時(shí) RC 10 10 5 理論與仿真的數(shù)量級(jí)都 是 10 5 所以仿真結(jié)果與理論基本相符 從輸出的波形看 每個(gè)周期占 2 個(gè)大格 每個(gè)大格是 10 s 所以 T 20 s 1 T 1 20 s 50KHz 滿足設(shè)計(jì)要求 f 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 32 圖 3 4 倍頻電路輸出波形 3 5 1 碼轉(zhuǎn)換電路波形仿真 從時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器來(lái)的 NRZ 碼經(jīng)過(guò)識(shí)別后 分成兩路分別進(jìn)入 1 碼 轉(zhuǎn)換電路和 0 碼轉(zhuǎn)換電路 1 碼轉(zhuǎn)換電路當(dāng)有 1 碼來(lái)時(shí) 交替地輸 出 00 11 當(dāng)有 0 碼來(lái)時(shí)其不工作都輸出 0 輸出波形如圖 3 5 所示 為了便于波形比較用示波器分別觀察 1 碼輸出波形與 NRZ 碼和 1 碼輸出波形與 2 倍時(shí)鐘信號(hào)波形的情況 從圖中看到在對(duì)應(yīng)的時(shí)間上 2 倍時(shí)鐘信號(hào) 14 個(gè)周期里 NRZ 碼循環(huán)一次 1 碼轉(zhuǎn)換電路的輸出波形滿 足預(yù)期設(shè)計(jì)要求 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 33 圖 3 5 1 碼轉(zhuǎn)換電路輸出波形 3 6 整體電路的波形仿真 前面幾節(jié)已經(jīng)得到了各個(gè)部分電路的仿真波形 都基本滿足了設(shè)計(jì)要求 現(xiàn)在只需要將各個(gè)部分的電路連接在一起 便可得到理論上理想的輸出 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 34 CMI 碼 為了便于觀察比較一定要使用雙蹤示波器 示波器的兩個(gè)輸入分 別為 NRZ 碼和 CMI 碼 其波形如圖 3 6 所示 波形要求 輸入 1110010 循環(huán)的 NRZ 碼 輸出為 CMI 碼 幅度為 5V 左右 圖 3 6 輸出的 CMI 碼波形 上面的波形是 CMI 碼 下面的波形是輸入的 NRZ 碼 從圖中看到 NRZ 碼是 1110010 循環(huán) CMI 碼將 1 碼轉(zhuǎn)換成 00 和 11 交替 輸出 將 0 碼轉(zhuǎn)換成 01 輸出 而且對(duì)應(yīng)得很好 CMI 碼的幅度就是 VA2等于 5V 滿足設(shè)計(jì)要求 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 35 3 7 本章小結(jié) 本章中使用了 Multisim2001 仿真軟件對(duì)各部分硬件電路進(jìn)行仿真處理 觀察各部分電路的輸出波形 從輸出的情況看基本符合設(shè)計(jì)要求 完成了預(yù) 期設(shè)計(jì)目標(biāo) 這部分的仿真為電路的焊接調(diào)試提供了有用的元件參數(shù)參考值 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 36 第 4 章 系統(tǒng)調(diào)試與分析 4 1 測(cè)量?jī)x器 一個(gè)系統(tǒng)的性能需要各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)來(lái)體現(xiàn) 因此我們有必要通過(guò)各種手 段來(lái)獲得系統(tǒng)的工作參數(shù) 測(cè)量使用的儀器如表 4 1 所示 表表 4 1 測(cè)量?jī)x器儀表測(cè)量?jī)x器儀表 名稱型號(hào)備注 示波器RIGOLDS5102C數(shù)字雙蹤示波器 光功率計(jì)OA 101 直流穩(wěn)壓電源HH1713雙路直流穩(wěn)壓電源 萬(wàn)用表UNI TUT56數(shù)字萬(wàn)用表 4 2 調(diào)試過(guò)程 調(diào)試過(guò)程中主要解決的問(wèn)題是相位問(wèn)題 整形和延時(shí)器件的加入就是為 了解決這一問(wèn)題的 焊接后的電路板見(jiàn)附錄 A 所示 1 分塊調(diào)試 電路焊接好后首先根據(jù)電路圖檢查是否有漏焊的地方 再用手拉一拉檢 查是否有漏焊的地方 確定無(wú)誤后再根據(jù)電路圖將電路板分成幾大部分 然 后一部分一部分的調(diào)試 問(wèn)題一 倍頻器沒(méi)有輸出信號(hào) 解決方法 調(diào)節(jié)倍頻電路中的兩個(gè) 100K 的電位器 使輸出信號(hào)的占 空比為 1 2 兩個(gè)電位器需要分別調(diào)節(jié) 將數(shù)字示波器接在與非門的前面就 可以了 若一直沒(méi)有信號(hào)輸出則需要改變電位器后面的電容 可從小到大慢 慢改換 最終得到較滿意的輸出波形 問(wèn)題二 輸出的 CMI 碼有毛刺 影響觀察效果 解決方法 分別調(diào)節(jié) 1 碼轉(zhuǎn)換器和 0 碼轉(zhuǎn)換器輸出位置的電容 大連理工大學(xué)本科生畢業(yè)論文 37 也可以從小到大慢慢改換 太小就不起濾波作用了 太大又會(huì)使輸出波形變 壞 最終得到較滿意的波形 2 整體調(diào)試 把分塊電路都調(diào)節(jié)好后 就進(jìn)行整體調(diào)試 先觀察 CMI 碼的輸出波形 然后用功率計(jì)測(cè)量傳輸功率 問(wèn)題三 CMI 碼與 NRZ 碼的相位不一致 差了半個(gè)周期 解決方法 調(diào)節(jié) NRZ 碼輸入時(shí)經(jīng)過(guò)的電位器 R1及電容 C5 便可以解 決問(wèn)題 消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的方法有多種 這里采用的是接入濾波電