音頻傳輸光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計

1、光纖通信系統(tǒng)課程設(shè)計報告題 目： 音頻傳輸光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計 系 別： 信息科學(xué)與技術(shù)系 專業(yè)班級： 光信0802 學(xué)生姓名： 胡亞京 指導(dǎo)教師： 周向陽 （課程設(shè)計時間：2012年1月4日2012年1月10日）華中科技大學(xué)武昌分校前言伴隨社會的進(jìn)步與發(fā)展，以及人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)與文化需求，光通信向大容量、長距離的方向發(fā)展已經(jīng)是必然的發(fā)展趨勢。由于光波具有極高的頻率 (大約3億兆赫茲)，也就是說是具有極高的寬帶，從而可以容納巨大的通信信息，所以用光波作為載體來進(jìn)行通信一直是人們幾百年來追求的目標(biāo)所在。目前，全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量幾乎半年就翻一翻，電信網(wǎng)、因特網(wǎng)和電視有線網(wǎng)(三網(wǎng))合一的步伐正在加快，面

2、對廣大用戶對通信網(wǎng)絡(luò)容量提出的迫切要求，世界上許多國家的新建語音通信系統(tǒng)均采用光纖作為傳輸媒介，并且光纖語音通信亦正從低速系統(tǒng)向高速系統(tǒng)發(fā)展。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，一個以微電子技術(shù)，激光技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的超高速寬帶信息網(wǎng)將使遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電子商務(wù)、智能居住小區(qū)越來越普及。光纖通信以其諸多優(yōu)點將成為現(xiàn)代通信的主流，未來信息社會的一項基礎(chǔ)技術(shù)和主要手段。光纖通信的發(fā)展依賴于光纖通信技術(shù)的進(jìn)步。目前，光纖通信技術(shù)已有了長足的發(fā)展，新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，進(jìn)而大幅度提高了通信能力，并不斷擴(kuò)大了光纖通信的應(yīng)用范圍。1.波分復(fù)用技術(shù)CWDM（Coarse Wavelength Div

3、ision Multiplexing）系統(tǒng)，即稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)，或稱粗波分復(fù)用技術(shù)，作為一種經(jīng)濟(jì)實用的短距離WDM傳輸系統(tǒng)，在城域網(wǎng)應(yīng)用中越來越受到大家的認(rèn)可并已經(jīng)實用化。CWDM可應(yīng)用于大都市和城域接入網(wǎng)，同時還可以應(yīng)用于中小城市的城域核心網(wǎng)，在我國的實際應(yīng)用中應(yīng)該非常有前途。2.光纖接入技術(shù)光纖接入網(wǎng)是信息高速公路的“最后一公里”。實現(xiàn)信息傳輸?shù)母咚倩瑵M足大眾的需求，不僅要有寬帶的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，用戶接入部分更是關(guān)鍵，光纖接入網(wǎng)是高速信息流進(jìn)千家萬戶的關(guān)鍵技術(shù)。在光纖寬帶接入中，由于光纖到達(dá)位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的應(yīng)用，統(tǒng)稱FTTx。目 錄1.課程設(shè)

4、計的目的32.課程設(shè)計題目描述和要求33.課程設(shè)計報告內(nèi)容33.1方案基本原理33.1.1半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及驅(qū)動、調(diào)制電路.23.1.2光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及傳光原理.33.1.3 CWDM光纖通信系統(tǒng)的基本傳輸原理.43.2 系統(tǒng)的整體框圖53.3 調(diào)試和驗證63.3.1 調(diào)試63.3.2 驗證64總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附錄1：電路原理圖9附錄2：PCB圖10 音頻傳輸光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計1.課程設(shè)計的目的通過對光纖通信系統(tǒng)電路的安裝調(diào)試，學(xué)習(xí)掌握以下知識：（1） 設(shè)計的整體流程及調(diào)試方法。（2） 熟悉半導(dǎo)體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法。（3） 掌握光功率計的設(shè)計思想。

5、（4） 了解音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及選配各主要部件的原則。（5） 學(xué)習(xí)分析音頻信號集成運放電路的基本方法。（6） 訓(xùn)練音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。（7） Protel繪制電路原理圖及PCB印刷電路板圖。（8） 各種常見元器件的選擇及使用。（9） 了解CWDM視頻傳輸?shù)闹饕砑安僮鞣椒?。?0） 了解視頻傳輸光纖傳輸系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。2.課程設(shè)計題目描述和要求題目描述：音頻信號光纖傳輸要求：能夠正確安裝和焊接。熟悉光收發(fā)模塊的工作原理及調(diào)測方法。安裝調(diào)測完成后將原理電路的工作過程、測試數(shù)據(jù)及遇到的問題與處理情況、體會等寫出課設(shè)報告。拿到元器件后，用萬用表對電子元器件進(jìn)行參數(shù)測量、檢察。安

6、裝之前畫好布局、布線圖，老師審查通過后才能焊接，焊接時，要焊點飽滿、光潔，無虛焊、漏焊、錯焊。題目描述：CWDM視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計要求：能夠基本掌握CWDM系統(tǒng)的使用方法和調(diào)試能力，了解基本的CWDM系統(tǒng)傳輸原理及工作方法、安裝調(diào)試測試完成之后將工作過程、測試數(shù)據(jù)及遇到的問題與處理情況、體會等寫出課設(shè)報告。3.課程設(shè)計報告內(nèi)容3.1 方案基本原理要保證接收信號與發(fā)送信號一樣(不失真)，要求各種傳輸變換（光/電和電/光）都必須是線性變換。對于語音信號，頻譜在3003400Hz范圍.整個系統(tǒng)的幅頻特性主要決定于發(fā)送器和接收器。LEDWR功 放圖3-1 系統(tǒng)整體框圖3.1.1半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)、工

7、作原理、特性及驅(qū)動、調(diào)制電路光纖通訊系統(tǒng)中，對光源器件在發(fā)光波長、電光效率、工作壽命、光譜寬度和調(diào)制性能等許多方面均有特殊要求。所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊任務(wù)，目前在以上各個方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）、半導(dǎo)體激光二極管（LD），本實驗采用LED作光源器件。圖3-2 半導(dǎo)體發(fā)光二極管及工作原理光纖傳輸系統(tǒng)中常用的半導(dǎo)體發(fā)光二極管是一個如圖所示的N-P-P三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，中間層通常是由GaAs（砷化鎵）p型半導(dǎo)體材料組成，稱有源層，其帶隙寬度較窄，兩側(cè)分別由GaAlAs的N型和P型半導(dǎo)體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶

8、隙寬度的兩種半導(dǎo)體單晶之間的結(jié)構(gòu)稱為異結(jié)。在圖（1）中，有源層與左側(cè)的N層之間形成的是p-N異質(zhì)結(jié)，而與右側(cè)P層之間形成的是p-P異質(zhì)結(jié)，故這種結(jié)構(gòu)又稱N-p-P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)給這種結(jié)構(gòu)加上正向偏壓時，就能使N層向有源層注入導(dǎo)電電子，這些導(dǎo)電電子一旦進(jìn)入有源層后，因受到右邊p-P異質(zhì)結(jié)的阻擋作用不能再進(jìn)入右側(cè)的P層，它們只能被限制在有源層與空穴復(fù)合，導(dǎo)電電子在有源層與空穴復(fù)合的過程中，其中有不少電子要釋放出能量滿足以下關(guān)系的光子：h = E-E = E其中h上普朗克常數(shù)，是光波的頻率，E是有源層內(nèi)導(dǎo)電電子的能量，E是導(dǎo)電電子與空穴復(fù)合處于價健束縛狀態(tài)時的能量。兩者的差值 E與DH結(jié)構(gòu)中各層材料

9、及其組份的選取等多種因素有關(guān)，制做LED時只要這些選取和組份的控制適當(dāng)，就可便得LED發(fā)光中心波長與傳輸光纖低損耗波長一致。圖3-3 HFRB-1424型LED的正向伏安特性CwCRRRCCRWLEDRBG1RmA光纖IC1本實驗采用HFBR-1424型半導(dǎo)體發(fā)光二極管的正向特性如圖23-3所示與普通的二極管相比，在正向電壓大于1V以后，才開始導(dǎo)通，在正常使用情況下，正向壓降為1.5V左右。半導(dǎo)體發(fā)光二極管輸出的光功率與其驅(qū)動電流的關(guān)系稱LED的電光特性。為了使傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端能夠產(chǎn)生一個無非線性失真、而峰-峰值又最大的光信號，使用LED時應(yīng)先給它一個適當(dāng)?shù)钠秒娏?，其值等于這一特性曲線線性部

10、分中點電流值，而調(diào)制電流的峰-峰值應(yīng)盡可能大地處于這電光特性的線性范圍內(nèi)。圖3-4 LED的驅(qū)動和調(diào)制電路音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)發(fā)送端LED的驅(qū)動和調(diào)制電路如圖3-4所示，以BG1為主構(gòu)成的電路是LED的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)這一電路中的W2可使LED的偏置電流在0-50mA的范圍內(nèi)變化。被傳音頻信號由IC1為主構(gòu)成的音頻放大電路放大后經(jīng)電容器C4耦合到基極，對LED原工作電流進(jìn)行調(diào)制，從而使LED發(fā)送出光強(qiáng)隨音頻信號變化的光信號，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號傳至接收端根據(jù)理想運放電路開環(huán)電壓增益大（可近似為無限大）、同相和反相輸入阻抗大（也可近似為無限大）和虛地等三個基本性質(zhì)，可以推導(dǎo)出圖6所示音頻廣大閉環(huán)

11、增益為：G(j) = v/v = 1+Z/Z其中Z、Z分別為放大器反饋阻抗和反相輸入端的接地阻抗，只要C選得足夠小，C選得足夠大，則在要求帶寬的中頻范圍內(nèi)，C 阻抗很大，它所在支路可視為開路，而C的阻抗很小，它可視為短路。在此情況下，放大電路的閉環(huán)增益G（j）=1+ R/R。C 的大小決定了高頻端的截止頻率f,而C的值決定著低頻端的截止頻率f。故該電路中的R、 R、R和C、C是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個重要參數(shù)。3.1.2 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)及傳光原理光纖按其模式性質(zhì)通?？梢苑殖蓛纱箢悊文９饫w多模光纖。無論單模或多模光纖，其結(jié)構(gòu)均由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率較包層折射率大，對于單模光

12、纖，纖芯直徑只有510m，在一定的條件下，只允許一種電磁場形態(tài)的光波在纖芯內(nèi)傳播，多模光纖的纖芯直徑為50m或62.5m，允許多種電磁場形態(tài)的光波傳播；以上兩種光纖的包層直徑均為125m。按其折射率沿光纖截面的徑向分布狀況又分成階躍型和漸變型兩種光纖，對于階躍型光纖，在纖芯和包層中折射率均為常數(shù)，但纖芯一包層界面處減到某一值后，在包層的范圍內(nèi)折射率保持這一值不變，根據(jù)光射線在非均勻介質(zhì)中的傳播理論分析可知：經(jīng)光源耦合到漸變型光纖中的某些光射線，在纖芯內(nèi)是沿周期性地彎向光纖軸線的曲線傳播。本設(shè)計采用階躍型多模光纖作為信道，現(xiàn)應(yīng)用幾何光學(xué)理論進(jìn)一步說明這種光纖的傳光原理。階躍型多模光纖結(jié)構(gòu)如圖所示

13、，它由纖芯和包層兩部分組成，芯子的半徑為a，折射率為，包層的外徑為b，折射率為,且。圖3-5 階型多模光纖的結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)一光束投射到光纖端面時，進(jìn)入光纖內(nèi)部的光射線在光纖入射端面處的入射面包含光纖軸線的稱為子午射線，這類射線在光纖內(nèi)部了行徑，是一條與光纖軸線相交、呈“Z”字型前進(jìn)的平面折線；若藉合到光纖內(nèi)部的光射線在光纖入射端面處的入射面不包含光纖軸線，稱為偏射線，偏射線在光纖內(nèi)部不與光纖軸線相交；其行徑是一條空間折線。3.1.3 CWDM光纖通信系統(tǒng)的基本傳輸原理波分復(fù)用(WDM)是將兩種或多種不同波長的光載波信號(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一

14、起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。通信系統(tǒng)的設(shè)計不同，每個波長之間的間隔寬度也有不同。按照通道間隔的不同，WDM可以細(xì)分為CWDM（稀疏波分復(fù)用）和DWDM（密集波分復(fù)用）。CWDM的信道間隔為20nm，而DWDM的信道間隔從0.2nm 到1.2nm，所以相對于DWDM，CWDM稱為稀疏波分復(fù)用技術(shù)。CWDM和DWDM的區(qū)別主要有二點：一是CWDM載波通道間距較寬，因此，同

15、一根光纖上只能復(fù)用5到6個左右波長的光波，“稀疏”與“密集”稱謂的差別就由此而來；二是CWDM調(diào)制激光采用非冷卻激光，而DWDM采用的是冷卻激光。冷卻激光采用溫度調(diào)諧，非冷卻激光采用電子調(diào)諧。由于在一個很寬的波長區(qū)段內(nèi)溫度分布很不均勻，因此溫度調(diào)諧實現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。CWDM避開了這一難點，因而大幅降低了成本，整個CWDM系統(tǒng)成本只有DWDM的30%。CWDM是通過利用光復(fù)用器將在不同光纖中傳輸?shù)牟ㄩL結(jié)合到一根光纖中傳輸來實現(xiàn)。在鏈路的接收端，利用解復(fù)用器將分解后的波長分別送到不同的光纖，接到不同的接收機(jī)。 實現(xiàn)光波分復(fù)用和傳輸?shù)脑O(shè)備種類很多，各個功能模塊都有多種實現(xiàn)方法，具體采用何

16、種設(shè)備應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和系統(tǒng)性能的側(cè)重點來決定?？傮w上看，在DWDM系統(tǒng)當(dāng)中有光發(fā)送/接收器、波分復(fù)用器、光放大器、光監(jiān)控信道和光纖五個模塊。3.2系統(tǒng)整體框圖SPDRI/V變換RE信號源光纖圖3-6示給出了一個音頻信號直接光強(qiáng)調(diào)制光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，它主要包括由LED及其調(diào)制、驅(qū)動電路組成的光信號發(fā)送器、傳輸光纖和由光電轉(zhuǎn)換、IV變換及功放電路組成的光信號接收器的三個部分。圖3-6 音頻信號光纖傳輸系統(tǒng)原理圖音頻信號經(jīng)過前置放大電路：本實驗采用中心波長0.85m附近的GaAs半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）作光源、峰值響應(yīng)波長為0.80.9m的硅光二極管（SPD）作光電檢測元件。由于光導(dǎo)纖維對

17、光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)的頻帶寬度主要決定于發(fā)送端調(diào)制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。圖3-7 系統(tǒng)的整體框圖3.3 調(diào)試和驗證3.3.1 調(diào)試（1）、確定電路方案，進(jìn)行理論上的分析和計算。（2）、估算參考點信號值。（3）、確定電路焊接沒有錯焊、漏焊、虛焊。3.3.2 驗證（1）、用萬用表測得模塊的電源、地連接正確，各部分連接點正確（2）、用示波器或者萬用表測量歌連接點電壓值正確，用示波器測量光發(fā)送端和光接收端型號。（3）、將光發(fā)送端、光接收端分開測試。（4）、電路測試完全正確。4總結(jié)從1月4日到1月9日，我們進(jìn)行了為期二周的課程設(shè)計終于結(jié)束了，這次的課程設(shè)計給我們很

18、大的收獲，從對模擬電路的理論分析，和基本音頻電路的調(diào)制與設(shè)計。在設(shè)計的初期由于我們的失誤，沒有充分的認(rèn)識到光模塊的使用方法和注意事項。導(dǎo)致我們在設(shè)計初期的考慮過于簡單，然后在調(diào)試的時候無法出現(xiàn)任何的現(xiàn)象。在這里我想感謝我們的輔導(dǎo)老師，在他不斷的解釋和點撥下我們才漸漸的了解到光模塊在整個電路設(shè)計中的地位和作用. 調(diào)試是整個電路中最復(fù)雜的，從一開始的電路放大到最后的信號發(fā)送都大大小小的出現(xiàn)過一些問題。由于一開始使用的電壓過低，導(dǎo)致放大的電壓上限值只有3V的峰峰值。同時我們在設(shè)計之時沒有加入太高電壓導(dǎo)致使用信號發(fā)生源測試之時信號輸入時產(chǎn)生了負(fù)電壓。在抬高電壓的設(shè)計之時我們出現(xiàn)了一些小的失誤，我們起初的想法是用加法器做一個電壓的加法，但是經(jīng)過加法器之后不但產(chǎn)生了相應(yīng)的壓降和相應(yīng)的雜波干擾。究其原因是通過PN節(jié)之后產(chǎn)生了壓降，同時我們發(fā)現(xiàn)兩個電壓相加在直接疊加上和用加法器疊加相差不大。但是為了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮我們采用三極管相加。 其實將音頻型號直接通過放大與通過帶通濾波器上的信號差別不大，