模擬信號數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的設計

1、畢 業(yè) 設 計（論 文）題目：模擬信號數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的設計姓 名 張 耀 生 學 號 200522080225 學院（系） 華科學院信息系 專 業(yè) 通信工程 班 級 052202h 指導教師 王 華 夏 2009年 6 月 13 日太原科技大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院（直屬系）：華科學院信息系 時間：2009年4月6日學 生 姓 名張耀生指 導 教 師王華夏設計（論文）題目模擬信號數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的設計主要研究內(nèi)容查閱資料，完成文獻綜述，撰寫開題報告；掌握a/d、d/a轉換器以及cpld的功能和作用，學習maxplus軟件的具體應用,應用vhdl語言；設計基于cpld的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的收

2、發(fā)模塊，并進行軟件仿真。研究方法在采樣速率為1msps下設計基于cpld的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)送和接收部分；采用maxplus軟件對所設計電路的程序進行仿真。主要技術指標(或研究目標)熟悉數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的各個組成部分，掌握a/d、d/a轉換器以及cpld的功能和作用。教研室意見教研室主任（專業(yè)負責人）簽字： 年 月 日 說明：一式兩份，一份裝訂入學生畢業(yè)設計（論文）內(nèi)，一份交學院（直屬系）。目 錄摘要iiiabstractiv第1章 緒論- 1 -1.1 本課題基本概念- 1 -1.2 本課題研究的目的和意義- 1 -1.3 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀- 2 -1.4 課題研究的主要任務、要求及總

3、體結構- 3 -1.4.1 課題研究的主要任務- 3 -1.4.2 課題研究的要求- 3 -1.4.3 課題研究的總體結構- 3 -第2章 系統(tǒng)設計理論基礎- 5 -2.1 光纖線路編碼- 5 -2.1.1 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)對線路編碼的要求- 5 -2.1.2 8bl0b線路碼型- 5 -2.2 多路復用技術- 6 -2.3 pecl接口電路- 7 -2.3.1 pecl電路的特點- 7 -2.3.2 pecl級傳輸線路設計- 7 -2.4 光發(fā)射機與光接射機- 8 -2.4.1 光發(fā)射機- 8 -2.4.2 光接射機- 9 -2.5 同步技術- 11 -2.5.1 位同步- 12 -2.5.

4、2 幀同步- 12 -第3章 系統(tǒng)模塊的連接- 14 -3.1 a/d轉換模塊與d/a轉換模塊- 14 -3.1.1 ad574a特點- 14 -3.1.2 ad574a管腳- 14 -3.1.3 a/d轉換模塊電路- 15 -3.2 d/a轉換模塊- 15 -3.2.1 d/a轉換器原理及接法- 15 -3.2.2 d/a轉換模塊電路- 16 -3.3 cpld模塊- 16 -3.3.1 cpld的概述- 16 -3.3.2 max7000s功能特性及其內(nèi)部結構- 17 -3.3.3 cpld芯片的連接電路- 18 -3.4 編/譯碼模塊- 19 -3.4.1編碼模塊- 19 -3.4.2

5、譯碼模塊- 19 -3.5 光/電、電/光轉換模塊- 20 -3.5.1 光收發(fā)模塊結構及功能- 21 -3.5.2 光收發(fā)模塊連接電路- 21 -第4章 系統(tǒng)的軟件設計- 22 -4.1 eda技術概述- 22 -4.2 開發(fā)軟件介紹- 22 -4.2.1 max+plus ii簡史- 22 -4.2.2 max+plus ii具有的特點- 22 -4.3 max+plusii設計流程- 23 -4.4 軟件設計思想- 23 -4.5 程序部分- 25 -4.6 仿真結果- 27 -第5章 結論- 28 -參考文獻- 29 -致謝- 30 -模擬信號數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的設計摘要光纖通信技術是一

6、種廣泛應用的信號傳輸技術。所以對于該技術的研究也在不斷發(fā)展。本文是在借鑒前人研究的成果上，設計出了一套關于模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)主要采用了cpld(大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?和專用的編解碼芯片運用時分復用技術實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)傳輸，依靠同步標志實現(xiàn)系統(tǒng)的同步功能。集成芯片的應用使設計簡單而功能強大。本文對光收發(fā)模塊、編譯碼原理及實現(xiàn)和cpld的開發(fā)都進行了詳細的論述。另外，在完成本系統(tǒng)的軟件編程過程，了解了vhdl語言的基本應用。在以往此類系統(tǒng)的設計中，很多電路多用硬件實現(xiàn)，這樣提高了成本。而本文在數(shù)據(jù)傳輸部分則是采用軟件來實現(xiàn)的,經(jīng)濟且容易控制。最后通過對系統(tǒng)的調(diào)試證明了系統(tǒng)的有效性和可行性，從

7、而達到了設計要求并期望能最終運用到實際中。關鍵詞：光纖傳輸，時分復用the design of fiber system for analog signalabstractthe fiber optic communications technology is a kind of widespread application signaling technology. therefore, this research of technology is also gradually developing. this article which profits from the predecess

8、ors achievement designed a set of the simulated signal digital system. the system mainly uses cpld (complex program mable logic device), special-application encoder and decoder to realize tdm of multiplex digital signals transmission and relies on the symbol of synchronization to realize the synchro

9、nization of the system. the article made detailed discussion for transmitter, receiver, theory of encoder/decoderand the exploitation of cpld. in addition, it has designed isolated circuit interfacing the exterior data, which could improve the system in security. in the course of this kind of system

10、atic designs, a lot of electric circuit is realized by multipurpose hardware and enhance the cost. however, this article is completed with the software in the part of data transmission. finally, it has proved validity and the feasibility to debugging of system, and has achieved the design requiremen

11、ts and expected to apply to reality. key words ：optical transmission，tdm第1章 緒論1.1 本課題基本概念通信就是各種信息的轉移或傳遞。通常的做法是首先將要傳遞的信息設法加載(或調(diào)制)到某種載體上，然后再將此調(diào)制的載體傳送到目的地后，將信息從載體中解調(diào)出來。在通信系統(tǒng)中，發(fā)送信息端叫信源，接收端叫信宿，信源的信號經(jīng)過調(diào)制后通過電纜和電磁波發(fā)送到信宿端，在信宿端將接收信號解調(diào)以實現(xiàn)信號的恢復，從而完成信號的傳輸1。光纖通信是指利用光導纖維(簡稱光纖)傳輸光波信號的一種通信方式。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)由三大部分組成：光發(fā)送機，光纜和

12、光接收機2。光波是屬于電磁波的范疇，電磁波按照波長不同(或頻率不同)，可分為如長波、中波、微波、紅外線、可見光、紫外線等。其中，紫外線、可見光、紅外線都屬于光波。光纖通信是工作在近紅外區(qū)，即波長是0.8- 1.8um，頻率為167-375thz3。1.2 本課題研究的目的和意義隨著通信技術的發(fā)展，所需要傳輸?shù)男畔⒘看罅吭龆?，需要傳輸?shù)男盘柗N類也在增加，信號的傳輸要求增多，傳輸距離也在變長，在高壓脈沖大電流放電的環(huán)境下要無失真的傳輸數(shù)據(jù)，首先，要對整個系統(tǒng)進行抗干擾研究，保證信號在沒有受干擾的情況下進入傳輸過程。其次，在傳輸過程中，選取的介質要抗強電磁干擾，而光纖在抗電磁干擾方面顯然要優(yōu)于金屬傳

13、輸介質。諸多軍事科研項目實驗和產(chǎn)品應用是在高壓脈沖大電流脈沖情況下，環(huán)境較惡劣，傳統(tǒng)電纜等信號傳輸途徑難以在此類環(huán)境中正常工作。電纜通信和微波通信的載波是電波，光纖通信的載波是光波。雖然光波和電波都是電磁波，但是頻率差別很大。 光纖通信用的近紅外光(波長約1m)的頻率(約300 thz)比微波光纖通信與傳統(tǒng)的電纜相比具有一系列明顯的優(yōu)點：1.允許的頻帶很寬，傳輸容量很大。2.損耗很小,中繼距離很長且誤碼率很小。3.重量輕、體積小。4.良好的抗電磁干擾性能。5.光纖之間的串擾小，信號傳輸質量高4。1.3 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀光纖通信是近30年迅猛發(fā)展起來的高新技術，從一開始就顯示出無與倫比的優(yōu)越

14、性，引起人們的極大興趣和關注并得到迅速的發(fā)展。自70年代以來，光纖通信技術不僅在電信等民用領域得到了廣泛的應用，且因其獨特的頻帶極寬和通信容量大、衰減小等優(yōu)點，使得光纖通信技術至今已發(fā)展為舉世矚目的獨立的新興產(chǎn)業(yè)，給通信技術乃至國民經(jīng)濟、國防事業(yè)和人民生活帶來了巨大的變革5。1. 波分復用技術波分復用技術可以充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源，根據(jù)每一信道光波的頻率或波長不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復用器(合波器)將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入1根光纖進行傳輸。在接收端，再用1個波分復用器 (分波器)將這些不同波長承載不同信號的

15、光載波分開的復用方式。2. 光纖接入技術光纖接入網(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?，滿足大眾的需求，不僅要有寬帶的主干傳輸網(wǎng)絡，用戶接入部分更是關鍵，光纖接入網(wǎng)是高速信息進入千家萬戶的關鍵技術。在光纖寬帶接入中，由于光纖到達位置的不同，有fttb、fttc、fttcab和ftth等不同的應用,統(tǒng)稱fttx6。迄今已經(jīng)在30多個城市建立了試驗網(wǎng)和試商用網(wǎng)，包括居民用戶、企業(yè)用戶、網(wǎng)吧等多種應用類型，也包括運營商主導、駐地網(wǎng)運營商主導、企業(yè)主導、房地產(chǎn)開發(fā)商主導和政府主導等多種模式，發(fā)展勢頭良好。很多城市制訂了ftth的技術標準和建設標準，有的城市還制訂了相應的優(yōu)惠政策，這些都

16、為ftth在我國的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件7。3. 超大容量、超長距離傳輸技術對光纖通信而言，超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標，而全光網(wǎng)絡也是人們不懈追求的夢想。波分復用技術極大地提高了光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量，在未來跨海光傳輸系統(tǒng)中有廣闊的應用前景8。近年來波分復用系統(tǒng)發(fā)展迅猛，同時全光傳輸距離也在大幅擴展。提高傳輸容量的另一種途徑是采用光時分復用技術 9。4. 光孤子通信光孤子是一種特殊的超短光脈沖，由于它在光纖的反常色散區(qū)，群速度色散和非線性效應相互平衡，因而經(jīng)過光纖長距離傳輸后，波形和速度都保持不變。光孤子通信就是利用光孤子作為載體實現(xiàn)長距離無畸變的通信，在零誤碼情況下信

17、息傳遞可達萬里之遙10。5. 全光網(wǎng)絡未來的高速通信網(wǎng)將是全光網(wǎng)。全光網(wǎng)是光纖通信技術發(fā)展的最高階段，也是理想階段。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡實現(xiàn)了節(jié)點間的全光化，但在網(wǎng)絡結點處仍采用電器件，限制了目前通信網(wǎng)干線總容量的進一步提高，因此真正的全光網(wǎng)已成為一個非常重要的課題11。1.4 課題研究的主要任務、要求及總體結構1.4.1 課題研究的主要任務本課題研究的主要任務是設計模擬信號數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)。實現(xiàn)一路模擬信號的數(shù)字傳輸。采用時分復用方式對模/數(shù)轉換后的多路數(shù)字信號進行傳輸，同時必須考慮接收部分的同步問題，接收端對接收到的信號解時分復用。要求本設計給出一定的解決辦法。該設計在對前人研究的基礎上做了一定的

18、改進：經(jīng)過a/d和d/a轉換器的信號采用了現(xiàn)場可編程邏輯陣列cpld來實現(xiàn)多路信號的時分復用和解時分復用，降低了對硬件的要求。同時通過cpld控制信號的輸出取得發(fā)射接收的同步。論文采用8b10b碼型變換在編、譯碼器中變換成適宜在光纖中傳輸?shù)男盘?。在論文完成最后，應用vhdl語言完成論文程序的編寫，同時得出仿真結果。1.4.2 課題研究的要求本課題的要求是1.通信設備的信道帶寬要寬。2.符合發(fā)射接收的同步要求。3.系統(tǒng)的采樣速率為1msps。1.4.3 課題研究的總體結構根據(jù)課題所提出的具體要求，可畫出整個系統(tǒng)的結構框圖如圖1.1。a/d轉換器電/光轉換編碼器cpld模擬信號電信號光信號光/電轉

19、換電信號解碼器cpldd/a轉換器圖1.1系統(tǒng)的結構框圖第2章 系統(tǒng)設計理論基礎2.1 光纖線路編碼2.1.1 光纖數(shù)字通信系統(tǒng)對線路編碼的要求 在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般不直接傳輸由pcm電端機傳送過來的接口碼，而要經(jīng)一定的碼型變換，使之成為適合光纖數(shù)字通信傳輸要求的線路碼12。 對光纖數(shù)字通信系統(tǒng)采用的線路碼有以下幾點主要要求： 1. 能限制信號帶寬，減小功率譜中的高、低頻分量； 2. 能給接收端提供足夠的定時信息； 3. 能對光端機和光中繼器進行不中斷業(yè)務的誤碼檢測； 4. 能提供傳輸一定數(shù)量的輔助信號和區(qū)間通信信道。2.1.2 8bl0b線路碼型將輸入的原始碼流進行分組，每組有8個二進

20、制碼，記為8b碼，稱為一個碼字，經(jīng)過這樣的分組，共有28=256個碼字，變換為10個二進制碼，記為10b碼，共有210=1024個碼字。為簡化對它們的處理，開發(fā)了一種8b/l0b編碼的簡寫符號:1. d分組，用于數(shù)據(jù)字節(jié)編碼；2. k分組，用于特殊控制符號編碼。下圖描述了數(shù)據(jù)字節(jié)(8b)到代碼字(10b)的映射。發(fā)送和接收時第0位在先第9位最后。8位的數(shù)據(jù)字節(jié)用abcdefgh表示(從最低位到最高位)。編碼器將這8位數(shù)據(jù)碼變換為10位碼，用abcdeifghj表示。代碼字分為兩個子分組，一組包括6個代碼位(abcdei)，另一組包括4個代碼位(fghj)。一個給定的代碼用簡寫形式dx.y(數(shù)據(jù)

21、編碼)或kx.y(特殊編碼)表示，其中x是edcba的十進制值(e是最高有效位)，y是hgf的十進制值(h是最高有效位)圖2.1 8b10b碼變換圖2.2 多路復用技術為了提高傳輸媒質的利用率，降低成本，提高有效性，提出了復用問題。所謂多路復用，是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，允許兩個或兩個以上的數(shù)據(jù)資源共享一個公共傳輸媒質，就像每個數(shù)據(jù)源都有它自己的信道一樣。所以，多路復用是一種將若干個彼此無關的信號合并為一個能在一條共用信道上傳輸?shù)膹秃闲盘柕姆椒?。在?shù)字光纖通信系統(tǒng)中采用時分多路復用技術。時分多路復用(tdm)把許多輸入信號結合起來，并一起傳送出去。tdm是在時間上進行分割(頻率上重合)，各路信號占

22、用不同的時間段，形成一幀數(shù)據(jù)進行傳輸，以實現(xiàn)多路傳輸。tdm保持了信號物理上的獨立性，而從邏輯上把它們結合在一起。因此，tdm技術多用于數(shù)字信號。在tdm技術中，發(fā)送端除發(fā)送有用信號同時還要發(fā)送一標志碼(稱為幀同步碼)以表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。把標志碼與數(shù)據(jù)碼輪流發(fā)送一次構成的碼流稱為幀。在接收端就可以根據(jù)接收到的幀同步信號判斷幀的始末，從而使收、發(fā)兩端信號一一對應。這在時分多路復用中稱為幀同步(幀定位)。否則，在接收端不能確定發(fā)送端的首尾，因而收、發(fā)兩端用戶在時間上不能一一對應地實現(xiàn)正常通信。當然，要實現(xiàn)幀同步首先要應使收、發(fā)兩端的時鐘頻率一致，即時鐘同步(位同步)。因為只要這樣，才能把數(shù)據(jù)碼流

23、一個一個正確地接收下來。圖2.2 時分復用示意圖2.3 pecl接口電路2.3.1 pecl電路的特點差分電壓就是用兩個物理量的差異來表示一個數(shù)值的電壓信號。其中有兩個電壓量(v+和v-)，當v+大于v-時，表示正極性電壓；當v+小于v-時，表示負極性電壓。在高速的傳輸系統(tǒng)中一般級間的傳輸一般采用ecl(射極禍合邏輯)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳遞，ecl電路專門為高速低噪聲數(shù)字系統(tǒng)的應用要求設計的，采用ecl電路具有以下獨特的優(yōu)點：1.速度快2.邏輯功能強3.負載能力強4.噪聲低5.便于數(shù)據(jù)傳輸當然，ecl電路也存在其弱點，最大的弱點就是其靜態(tài)的直流功耗大，從某種意義上來說，ecl電路是以犧牲功耗來換

24、取速度的。2.3.2 pecl級傳輸線路設計pecl耦合分為直流藕合和交流藕合，然而交流藕合功耗太大且電路設計復雜，我們的系統(tǒng)中采用pecl直流藕合，采用了并行端接技術以便電路正常工作。戴維南并行端接技術實現(xiàn)傳輸線阻抗的匹配，這樣接收端就能獲取到比較好的信號質量，同時該端接電路也為pecl電平能夠正常地切換提供了合適的偏置電壓。需要說明的是，pecl電路也能工作在單端連接的方式，這時源端和負載端的同相信號直接相連，接收端反向輸入連接必要的下拉電阻為電路的正常工作提供參考電平，源端同樣必須采用戴維南并行端接電路提供相應的偏壓。 2.4 光發(fā)射機與光接射機2.4.1 光發(fā)射機 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)1

25、3中，光發(fā)射機的方框圖如圖2.3所示，主要由光發(fā)射機和電路兩部分組成，而電路部分又分為調(diào)制電路、控制電路和線路編碼電路。光源是實現(xiàn)電光轉換的關鍵器件，在很大程度上決定著光發(fā)射機的性能，電路部分的設計應以光源為依據(jù)。調(diào)制電路使輸出光信號準確反映輸入電信號，線路編碼電路使輸出的光信號適合于光信道傳輸，同時控制電路能夠保證光源可靠穩(wěn)定地工作。圖2.3 數(shù)字光發(fā)射機方框圖 光發(fā)射機是數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中的三大組成部分（光發(fā)送機、光纖光纜和光接收機）之一。其功能是將電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號波形從光源器件組件的尾纖發(fā)射出去。 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，光源發(fā)出的

26、光可以看作是光源載波，通過調(diào)制，使其載荷信息，一般采用直接強度調(diào)制的方式。光發(fā)射機原理方框圖見圖2.4，主要有整形碼或碼型變換電路、光源驅動電路和發(fā)射光源組成。圖中的其他部分電路是結合光源器件的應用特性而采取的相應的補償措施。光源在光纖通信系統(tǒng)中，作為產(chǎn)生光信號的光源一般為半導體二極管。目前，通信系統(tǒng)中常用的半導體發(fā)光器件是半導體激光器(ld)和發(fā)光二極管(led)。 光源驅動光源驅動電路是光發(fā)送機的主要干電路，它將電脈沖信號通過電流強度的調(diào)制方式調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管發(fā)射出光脈沖信號。 驅動器的作用是對光源提供驅動電流，它的性能應與半導體激光器或發(fā)光二極管的特性相匹配。 半導體三極管的

27、輸出特性在放大區(qū)表現(xiàn)為恒流源，因此可以將ld或led接在三極管的集電極電路中，用三極管的集電極電流驅動電源，使之發(fā)光。 輔助電路在實用光發(fā)送機中，為保證有穩(wěn)定可靠的輸出功率，以及使用、維護方便，往往要求有各種輔助控制電路。如自動功率控制（apc）、自動溫度控制（atc）、限流保護電路、壽面告警、無光告警電路等。2.4.2 光接射機數(shù)字光接收機在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中的作用是將經(jīng)光纖光纜傳輸后衰減變形的微弱光脈沖信號通過光/電轉換成為電脈沖信號，并給予足夠的放大、均衡與定時再生還原成為標準的數(shù)字脈沖信號。光纖數(shù)字通信系統(tǒng)接收機的組成方框圖如圖2.4所示。圖2.4光接收機組成方框圖當從光纖中輸出的微弱

28、的光信號入射在光電檢測器的光敏面上時，光電檢測器將其轉變?yōu)殡娦盘枴Ｇ爸梅糯笃鞣糯髲墓怆姍z測器送來的微弱電信號，它是光接收的關鍵部分，要求它有足夠小的噪聲、適當?shù)膸捄鸵欢ǖ男盘栐鲆?。主放大器的作用是進一步放大信號，并且有一定的增益調(diào)整作用。均衡器將通過傳輸和放大后失真的信號進行補償，使之輸出適合于判決要求的脈沖形狀(一般為升余弦脈沖)。為了使光接收機的輸出保持恒定，采用了自動增益控制電路(agc )，它由峰值檢波、直流放大和控制電路組成。為了判決再生，還要從主放大器的輸出提取時鐘信號。從判決電路輸出的數(shù)字信號送至接口，再進行碼型反變換，恢復成原來的碼型。1. 光檢測器光電檢測器的作用是將光纖輸

29、出的微弱光信號轉變?yōu)殡娦盘?，它是影響光接收機性能的重要器件。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應用的光檢測器有pin光電二極管和雪崩光電二極管(apd)。2. 前置放大器前置放大器是一個輸入為高阻而輸出為低阻的放大器，并且有電流/電壓變換。前置放大器是光接收的關鍵部分之一，它直接影響接收機的靈敏度，因此它必須滿足信號傳輸要求的足夠帶寬、高增益、低噪聲性能。3. 主放大器及自動增益控制經(jīng)過前置放大器放大的電信號送給主放大器進行進一步放大，主放大器實質上是一個普通寬帶放大器，它是在滿足一定帶寬情況下，提高信號的幅度而不須考慮噪聲，在開環(huán)情況下，一般要求主放大器的增益達60db。在實際運用中，光接收機所接收的

30、光功率常常受到一些因素的影響而發(fā)生變化，如線路的長度不同，線路衰減的變化，發(fā)送光功率的波動，使得接收功率發(fā)生變化，為了保證主放大器輸出的恒定，就必須具有自動增益控制功能，自動增益控制電路應該能保證放大器不要隨之而失真，且放大器的帶寬不會改變，一般要求自動增益控制范圍為3050db，甚至更大。4. 均衡和濾波經(jīng)過主放大器放大后的電信號送給均衡濾波電路，均衡電路的主要作用是對經(jīng)過光纖線路傳輸，己發(fā)生畸變的和有嚴重碼間干擾的信號進行均衡，使其變?yōu)榇a間干擾盡可能小的信號，以利于定時判決，由此可見，均衡起的作用是對某些頻率成分進行補償，對某些頻率成分進行抑制或者濾除，同時，也對部分噪聲進行濾除，最終使判

31、決達到最佳，靈敏度損傷最小。均衡電路的輸出希望是理想的升余弦波或高斯波。但在實際電路的實現(xiàn)中是無法作到的，一般采用近似的方法即可取得較好的結果。5. 時鐘提取與判決判決器由判決電路和碼形成電路構成。判決器和時鐘恢復電路合起來構成脈沖再生電路，脈沖再生電路的作用是將均衡器輸出的信號，例如，一升余弦頻譜脈沖，恢復為“0”或“1”的數(shù)字信號。6. 接收機靈敏度接收機的靈敏度是表征光接收機調(diào)整到最佳工作狀態(tài)時，光接收機接收微弱光信號的能力。在數(shù)字接收機中，允許脈沖判決有一定的誤差范圍。如果接收機將“1”碼誤判為“0”碼，或者將“0”碼誤判為“1”碼，這就叫1個錯誤比特。如果在100個比特中判錯了一個比

32、特，則稱誤比特率為1/100即10-2。一般要求系統(tǒng)的誤比特率小于10-9，即10億個脈沖中只容許發(fā)生一個誤碼。影響接收機靈敏度的主要因素是噪聲，表現(xiàn)為信噪比。信噪比越大，表明接收電路的噪聲越小，對靈敏度影響越小。光接收機靈敏度是系統(tǒng)性能的綜合反映，除了上述接收機本身的特性以外，接收信號的波形也對靈敏度產(chǎn)生影響，而接收信號的波形主要由光發(fā)送機的消光比和光纖的色散來決定。光接收機靈敏度還與傳輸信號的碼速有關，碼速越高，接收靈敏度就越差。這就影響了高速傳輸系統(tǒng)的中繼距離。速率越高，接收機靈敏度越差，中繼距離就越短。7. 接收機的動態(tài)范圍光接收機前置放大器輸出的信號一般較弱，不能滿足幅度判決的要求，

33、因此還必須加以放大。在實際光纖通信系統(tǒng)中，光接收機的輸入信號將隨具體的使用條件而變化。造成這種變化的原因，可能是由于溫度變化引起了光纖損耗的變化，也可能是由于一個標準化設計的光接收機，使用在不同的系統(tǒng)中，光源的強弱不同，光纖的傳輸距離也不同。這樣，傳給光接收機的光功率就不可能一樣。為了使光接收機正常工作，接收信號不能太弱，否則會造成過大的誤碼。但接收信號也不能太強，否則會使接收機放大器過載，而造成失真。因此光接收機正常工作時，接收光信號的強度應該有一個范圍。把光接收機在保證一定的誤比特率條件下，所能接收的最大光功率與最小光功率之差，稱作光接收機的動態(tài)范圍。一般希望光接收機的動態(tài)范圍越大越好，實

34、際中一般為16-20db。2.5 同步技術數(shù)字通信的特點之一是通過時間分割來實現(xiàn)多路復用，即時分多路復用。在通信過程中，信號的處理和傳輸都是在規(guī)定的時隙內(nèi)進行的。為了使整個通信系統(tǒng)有序、準確、可靠地工作，收、發(fā)雙方必須有一個統(tǒng)一的時間標準，這個時間標準就是靠定時系統(tǒng)去完成收、發(fā)雙方時間的一致性，即同步。同步系統(tǒng)性能的好壞將直接影響到通信質量的好壞，甚至會影響到通信能否正常進行。同步系統(tǒng)就像數(shù)字通信設備和系統(tǒng)的神經(jīng)中樞一樣，是保證通信系統(tǒng)正常工作的前提。在這里，我們主要介紹位同步和幀同步。2.5.1 位同步位同步又稱為碼元同步，或比特同步。不管是基帶傳輸，還是頻帶傳輸，都需要位同步。因為在數(shù)字通

35、信系統(tǒng)中，消息是由一連串碼元序列傳遞的，這些碼元通常都具有相同的持續(xù)時間。由于傳輸信道的不理想，以一定速率傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)字信號，必然是混有噪聲和干擾的失了真的波形。為了從該波形中恢復出原始的基帶數(shù)字信號，就要對它進行取樣判決。因此，要在接收端產(chǎn)生一個“碼元定時脈沖序列”，這個碼元定時序列的重復頻率和相位(位置)要與接收碼元一致，這樣才能保證：1.接收端的定時脈沖重復頻率和發(fā)送端的碼元速率相同。2.取樣判決時刻對準最佳取樣判決位置。這個碼元定時脈沖序列稱為“碼元同步脈沖”或“位同步脈沖”。通常，我們把位同步脈沖與接收碼元的重復頻率和相位的一致稱為位同步或碼元同步，而把同步脈沖的取得稱為位同步提

36、取。2.5.2 幀同步幀同步也稱為群同步。對于數(shù)字信號傳輸來說，數(shù)字信號是按照一定的數(shù)據(jù)格式傳送的，一定數(shù)目的信息碼元組成一“字”，若干“字”組成一“句”，若干“句”構成一幀，從而形成幀的數(shù)字信號序列。接收端要正確地恢復消息，就必須識別句或幀的起始時刻。在數(shù)字時分多路通信系統(tǒng)中，各路信碼都安排在指定的時隙內(nèi)傳送，形成一定的幀結構。在接收端為了正確地分離各路信號，必須識別出每幀的起始時刻，從而找出各路時隙的位置，即接收端必須產(chǎn)生與字、句和幀起止時間相一致的定時信號，稱獲得這些定時序列為幀(或群)同步。幀同步的任務就是在位同步的基礎上識別出數(shù)字信息群(字、句、幀)的起始時刻，使接收設備的幀定時與接

37、收到的信號中的幀定時處于同步狀態(tài)。換句話說，幀同步就是確定每幀的起始時刻，確定了這個時刻，就可以根據(jù)預定的幀結構來確定幀的長度和其中字、句的位置了。插入特殊碼組實現(xiàn)幀同步的方法有兩種，即集中式插入法和間隔式插入法。集中式插入法又稱為連貫式插入法。這種方法就是將幀同步碼以集中的形式插入在一幀的開始，此方法的關鍵是要找出作為幀同步碼組的特殊碼組。這個特殊碼組一方面在信息碼元序列中不易出現(xiàn)以便于識別，另一方面識別器也要盡量簡單。圖2.5 間隔式插入群同步方式間隔式插入法又稱為分散式插入法。它是將幀同步碼以分散的形式插入信息碼流中。這種方式比較多地應用在多路數(shù)字電路系統(tǒng)中。間隔式插入法如圖2.5所示，

38、幀同步碼均勻分散地插入在一幀之內(nèi)。幀同步碼可以是1,0交替碼型。在接收端檢測出幀同步信息后，再得出分路定時脈沖。間隔式插入法的的缺點是當失步時，同步恢復時間較長，因為如果發(fā)生了幀失步，則需要逐個碼位進行比較檢驗，直到重新收到幀同步的位置，才能恢復幀同步。此類方法的另一個缺點是設備較復雜，因為不象集中式插入法那樣，幀同步信號集中插入在一起，而是要將幀同步碼在每一個子幀里插入一位碼，這樣幀同步碼編碼后還需要加以存儲。第3章 系統(tǒng)模塊的連接3.1 a/d轉換模塊與d/a轉換模塊3.1.1 ad574a特點ad574a由一片模擬電路和一片數(shù)字電路組成的混合式集成芯片，是一個完整的逐位比較式12位模/數(shù)

39、轉換器，具有可與8位、12位或16位單片微機直接接口的三態(tài)輸出緩沖器。3.1.2 ad574a管腳1. ad574a有兩組控制管腳：一般控制管腳（ce、cs、r/c)和內(nèi)部寄存器控制管腳（12/8和a0）。ce、cs、r/c：主要控制啟動轉換和讀允許。當ce=1,cs=0,r/c=0時，啟動轉換；當ce=1,cs=0,r/c=1時，讀允許14。2. 內(nèi)部寄存器控制管腳12/8和a0：主要控制數(shù)據(jù)輸出形式和轉換時間的長短。若12/8=1，當一般控制管腳發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令時12根輸出數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)均有效；若12/8=0，對于一個8位的接口，則根據(jù)a0的狀態(tài)來確定是高8為有效還是低4位有效。這時數(shù)據(jù)線低

40、4位要硬連接到數(shù)據(jù)線高4位上。在這種情況下，若a0=0讀出高8位數(shù)據(jù)；若a0=1，高8位數(shù)據(jù)線禁止，讀出低4位數(shù)據(jù)。在轉換周期開始前，若a0處于低電平，完成完整的12位轉換需要25us；若a0處于高電平，僅完成8位轉換，大約需要16us。為了與8位總線接口，需占據(jù)兩個存儲器地址（用a0來選擇）當a0為低時，執(zhí)行的寫操作是啟動一次完整的12位轉換周期；而當a0為高時，執(zhí)行的寫操作是啟動一次8位的短轉換周期這樣的讀數(shù)精度低而速度快。3. sts為狀態(tài)線，當轉換開始時，它變高；在轉換過程中，一直維持為高；轉換周期結束時，它將變?yōu)榈汀?.1.3 a/d轉換模塊電路圖3.1 a/d轉換模塊連接電路3.2

41、 d/a轉換模塊3.2.1 d/a轉換器原理及接法d/a轉換器的作用是完成信號由數(shù)字量到模擬量的轉換。數(shù)字量是由二進制代碼按數(shù)位組合起來的。為了實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量得轉換，必須將每位代碼按其權值的大小轉換成相應的模擬量，然后將各路模擬量相加，其總和就是數(shù)字量對應的模擬量，這就是d/a轉換器的基本原理。為與發(fā)送端相對應，本系統(tǒng)接收端必須采用12bitd/a轉換器。d/a轉換芯片采用adi公司ad5445，其轉換速率為20msps，ad5445管腳的功能如表3.1。表3.1 ad5445各管腳功能管腳號管腳名功能1iout1數(shù)模轉換電流輸出2iout2模擬地輸入端，3gnd接地4-15db0-db1

42、1數(shù)字信號輸入端16cs芯片使能控制端輸入，低電平有效17r/w讀/寫控制；低電平時，寫入數(shù)字信號18vdd2.5v5.5v正電壓供電19vref參考電壓輸入端，范圍為-10+10v0rfb反饋電阻引腳3.2.2 d/a轉換模塊電路根據(jù)前面分析，d/a轉換模塊電路及其與cpld的連接設計如圖3.2。ad5445采用+5v供電；數(shù)字信號輸入端db0db11同cpld的12位數(shù)據(jù)輸出端相連，電容c6、c7起穩(wěn)壓作用（c9c10、c11c12、c13c14同理）；運放am741采用12v電壓供電；芯片adr01的作用是將+12v電壓（vdd）轉換成+10v電壓，輸入到vref。圖3.2 d/a轉換模

43、塊連接電路3.3 cpld模塊3.3.1 cpld的概述cpld是現(xiàn)場可編程邏輯陣列的簡稱，是可編程邏輯器件的一種。它是在pal, gal等小規(guī)模邏輯器件的基礎上發(fā)展起來的。同以往pal, gal等相比較，它的規(guī)模比較大，可以代替幾十甚至幾千塊通用ic芯片。這樣的cpld實際上就是一個子系統(tǒng)部件。這種芯片得到電子設計人員的廣泛關注和普遍歡迎。與門陣列等其它asic (application specific ic)相比，它們又具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10000件以下)之

44、中。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，許多公司都開發(fā)出了多種可編程邏輯器件。比較典型的就是xilinx公司和altera公司的fpga器件系列。本系統(tǒng)設計選用的就是主流廠家altera公司生產(chǎn)的一款性價比很高的max7000s15系列的cpld器件。3.3.2 max7000s功能特性及其內(nèi)部結構max7000s系列器件是以altera公司的第二代多陣列矩陣結構為基礎的一種現(xiàn)場可編程邏輯陣列(cpld)，它采用先進的0.8umcmos技術制造。集成了600-5000個可用門，其引腳到引腳的延時可達5ns，應用廣泛。max7000s系列器件內(nèi)部包括五個部分16：邏輯陣列塊(logicarrayb1ocklab

45、)、宏單元(macrocells)、拓展乘積項(expander product terms e-pt),可編程連線陣列(programmable interconnect arrays pia)和i/o控制塊(i/o control blocks ioc)。除此之外，還有全局時鐘輸入和全局輸出使能控制線，它們可以作為一般的輸入使用。1. 邏輯陣列塊lab邏輯陣列塊是max7000s系列器件中最大的邏輯單元，每個邏輯陣列塊由16個宏單元構成，它們與各自對應的i/o控制塊相連，4個邏輯陣列塊通過可編程連線陣列pia和全局總線連接在一起.全局總線由所有的專用輸入、i/o引腳和宏單元反饋構成，不同邏

46、輯陣列塊之間的連接，正是利用它們來實現(xiàn)的，實現(xiàn)更復雜的邏輯功能。每個邏輯陣列塊有如下輸入信號：(1)來自通用邏輯輸入的p1a的36個信號；(2)用于存儲器輔助功能的全局控制信號；(3)從i/o引腳到寄存器的直接輸入通道，用以實現(xiàn)max7000s器件的快速建立。2. 宏單元max7000s系列器件的具體邏輯單元稱為宏單元，它們可以用來實現(xiàn)各種具體的邏輯功能。宏單元由邏輯陣列、乘積項選擇矩陣和可編程觸發(fā)器構成，邏輯陣列來實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)，每個宏單元提供5個乘積項。通過乘積項選擇矩陣實現(xiàn)對這5個乘積項的邏輯函數(shù)或者這5個乘積項作為宏單元的觸發(fā)器的輔助輸入。3. 拓展乘積項大多數(shù)邏輯函數(shù)能夠用一個宏單

47、元的5個乘積項實現(xiàn)，但一些復雜的邏輯函數(shù)需要附加乘積項才能實現(xiàn)。為了提供所需的邏輯資源，可以利用另一個宏單元內(nèi)部的邏輯資源。max7000s結構允許利用其提供的共享和并聯(lián)擴展乘積項來實現(xiàn)，而不是利用另一個宏單元。這兩種擴展項作為附加的乘積項可以直接送到本邏輯陣列塊的任意宏單元中。由于使用了擴展乘積項，從而在實現(xiàn)邏輯綜合時，能用盡可能多的邏輯資源，實現(xiàn)比較快的工作速度。4. 可編程連線陣列pia通過可編程連線陣列pia，可以把各邏輯陣列塊相互連接，構成用戶所需要的邏輯功能。該全局總線是可編程的通道，它可以把器件中的任何信號源連接到其目的地上。所有max7000s的專用輸入、i/o引腳和宏單元的輸

48、出都會饋送到pla, pia再把這些信號送到整個器件內(nèi)部的各個地方。只有每個邏輯陣列塊所需要的信號才真正給它提供從pia到該邏輯陣列塊lab的連線。5. i/o控制塊ioc每個邏輯陣列塊與外界i/o引腳之間有一個i/o控制塊，i/o控制塊允許每個i/o引腳單獨地配置為輸入、輸出或雙向工作方式。i/o控制塊中主要使用三態(tài)門及使能控制電路。一個i/o控制塊由8-16個三態(tài)門和使能控制電路組成17。所有i/o引腳都有一個三態(tài)輸出緩沖器，它的使能端受可編程數(shù)據(jù)選擇器輸出信號驅動。3.3.3 cpld芯片的連接電路 cpld的連接電路如圖3.3圖3.3 cpld的連接電路3.4 編/譯碼模塊3.4.1編

49、碼模塊 由于線路碼型是用于傳輸?shù)拇a型，因此在光發(fā)送機中，必須將普通的二進制碼流進行碼型轉變，即進行編碼，成為線路碼去調(diào)制光源器件，變成光脈沖送到光纖中傳輸。需要強調(diào)的是，為了正確譯碼，接收端必須考慮組同步的問題。18 發(fā)送端編碼器選用是cypress半導體公司推出的一種用于點對點之間高速串行數(shù)據(jù)通信的發(fā)送芯片cy7b92319，與接收部分的接收芯片配套使用。芯片cy7b923的內(nèi)部電路主要包括輸入寄存器、編碼器、時鐘發(fā)生器、移位器、測試邏輯和三對pecl輸出端口。編碼器和光/電轉換模塊的互連20,根據(jù)對編碼碼芯片的結構以及實現(xiàn)功能的分析，圖3.4給出了編碼芯片與光收發(fā)模塊的連接電路以及其部分的

50、外圍電路。我們用的芯片的工作方式是編譯碼方式，圖中mode控制的就是編碼還是旁通方式，data為數(shù)據(jù)輸入輸出端，和狀態(tài)信息輸出端（sc/d、rvs、rdy）與cpld數(shù)據(jù)輸入輸出端連接。refclk上的時鐘信號都是由外部晶振提供。圖3.4 編碼器的連接電路3.4.2 譯碼模塊接收端譯碼器選用是cypress半導體公司推出的一種用于點對點之間高速串行數(shù)據(jù)通信的接收芯片cy7b933，與發(fā)送部分的發(fā)送芯片配套使用。芯片cy7b833的內(nèi)部電路主要包括兩對pecl串行輸入接口、pecl/ttl電平轉換器、時鐘同步器、成幀器、移位器、譯碼寄存器、譯碼器、輸出寄存器和測試邏輯等幾部分。譯碼器和光/電轉換

51、模塊的互連,根據(jù)對譯碼芯片的結構以及實現(xiàn)功能的分析，圖3.5給出了譯碼芯片與光收發(fā)模塊的連接電路以及其部分的外圍電路。圖3.5譯碼芯片的連接電路圖中mode控制的就是譯碼還是直通方式，data為數(shù)據(jù)輸入輸出端，和狀態(tài)信息輸出端（sc/d、rvs、rdy）與cpld數(shù)據(jù)輸入輸出端連接。refclk上的時鐘信號都是由外部晶振（與編碼芯片相同）提供，系統(tǒng)中譯碼芯片與光纖驅動模塊之間的引線采用直流耦合連接方式，匹配電阻應盡量靠近終端模塊。光接收模塊上有一個引出信號sd，它為斷纜信號，把它與譯碼芯片的ib-端口相連，當接收器接收不到光信號時，sd會通過ib-給譯碼器一個信號，通過譯碼器的pecl-ttl

52、轉換電路從so端輸出一個ttl信號，so端口與cpld的使能控制端相連，這個ttl信號就會有效時cpld不工作或無輸入輸出，斷纜指示燈亮。斷纜信號主要是從整個系統(tǒng)的安全性考慮的。3.5 光/電、電/光轉換模塊在本系統(tǒng)的設計中，系統(tǒng)要求光纖傳輸?shù)乃俾什⒉皇呛苁指吆蛡鬏斁嚯x也不是很遠，所以此模塊可使用集成光收發(fā)模塊。光纖收發(fā)模塊選用的是惠普公司的hfbr-5103/-5103t，其集成度高，接口簡單，傳輸速度高達150mbps，抗電磁干擾能力強，使用十分方便，因而在光纖傳輸系統(tǒng)中得到廣泛應用。3.5.1 光收發(fā)模塊結構及功能 模塊由光發(fā)送和光接收兩部分組成。在光發(fā)送部分，光源發(fā)出的光波長為130

53、0nm。這個led光源和一些集成電路一同被封裝在一起，形成了光發(fā)送部分。這些集成電路能進行差分(pecl)電平與ttl電平的轉換。關于pecl電路的特點及應用范圍在前面已經(jīng)介紹。在光接收部分，所用的光電檢測器件pin光電二極管。這個光電二極管和一些帶有前置放大器的集成電路封裝在一起。這個前置放大器能對由光電二極管檢測到的信號進行整形和放大。同樣，該部分的數(shù)據(jù)也兼容于pecl電平。該模塊的總體封裝包括兩個基本的原件:兩個光學器件和兩個電子元器件。在發(fā)送部分，直接由驅動電路驅動led二極管發(fā)光，這個驅動電路包括調(diào)制電路和控制電路。在接收部分，主要由前置放大器、主放大器兩部分組成，在接收端的電路部分

54、也能自動完成信號放大、自動增益控制等功能。所以，在這里只要我們選擇正確的接口芯片后，可以直接應用它們，而不需要在另外設計電路來配合使用led發(fā)光二極管和pin光電二極管了。3.5.2 光收發(fā)模塊連接電路在接收端，集成光收發(fā)模塊與譯碼器之間的電路連接采用pecl電平傳輸模式。芯片hfbr-5103采用+5v供電，其外圍電路的連接方法采用hfbr-510芯片手冊標準接法。其中，vcc端口為光信號輸入端，、端與譯碼器的差分電平輸入端相連。sd端為斷纜信號輸出端。第4章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 eda技術概述 eda是電子設計自動化(electronicdesignautomation)的英文縮寫，是2

55、0世紀90年代初從cad(計算機輔助設計)、cam(計算機輔助制造),cat(計算機輔助測試)和cae(計算機輔助工程)的概念發(fā)展而來的。eda技術就是以計算機為工具，在eda軟件平臺上，根據(jù)硬件描述語言hdl完成的設計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局線、仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。 4.2 開發(fā)軟件介紹 eda技術在當代迅猛發(fā)展，同時各種eda軟件也如雨后春筍般呈現(xiàn)在用戶面前。它們一般分為兩種，一種是專業(yè)的芯片制造商為推廣自己的芯片而開發(fā)的專業(yè)eda軟件，altera公司推出的max十plus ii就屬于此類。另一種是eda軟件商提供

56、的第三方軟件。下面就對max+plus ii軟件21進行簡要的介紹。4.2.1 max+plus ii簡史 max+ plusii是multiple array matrix and programmable logic user system ii的英文縮寫，它中文全稱是復陣列矩陣及可編程邏輯用戶系統(tǒng)。max+plus ii是altera公司專為本公司生產(chǎn)的cpld的研制和應用而開發(fā)的軟件，它隨著器件的日益高度集成而迅速發(fā)展。4.2.2 max+plus ii具有的特點 altera公司的開發(fā)軟件max十plusii .是比較出色的eda軟件之一，它界面豐富，使設計靈活、方便、高效。因此，本次課題設計中選擇該軟件作為cpld開發(fā)平臺。下面對max+ plus 11軟件的特點簡單介紹如下:1. 開放的界面。max+plusii 軟件可與其它工業(yè)標準設計輸入、綜合及校驗工具相連接。設計人員可使用