光纖通信畢業(yè)設計（論文）

1、學 位 論 文基于光纖通信實驗平臺的計算機數(shù)據傳輸實現(xiàn)作 者 姓 名： 學 科 專 業(yè)： 學 號： 指 導 教 師： 完 成 日 期： 誠信申明本人申明：本人所提交的畢業(yè)設計（論文）基于光纖通信實驗平臺的計算機數(shù)據傳輸實現(xiàn)的所有材料是本人在指導教師指導下獨立研究、寫作、完成的成果，設計（論文）中所引用他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在設計（論文）中加以說明；有關教師、同學和其他人員對我的設計（論文）的寫作、修訂提出過并為我在設計（論文）中加以采納的意見、建議，均已在我的致謝辭中加以說明并深致謝意。本設計（論文）和資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。特此申明。本人簽名： 年 月

2、日基于光纖通信實驗平臺的計算機數(shù)據傳輸實現(xiàn)摘要隨著計算機技術和光纖通信技術各自的進步，以及社會對于將計算機結成網絡以實現(xiàn)資源共享的要求日益增長，計算機技術與光纖通信技術也已緊密地結合起來，成為了社會的強大物質技術基礎?，F(xiàn)代社會，計算機光纖通信已經越來越多地應用到了社區(qū)及辦公局域網中。光纖通信系統(tǒng)最重要的部分是光發(fā)射機、信道和光接受機三個模塊。串口通信的關鍵是電路和通信協(xié)議。在實驗室條件下，雖然串口的通信速度不高，但是用作實驗研究計算機之間的光纖通信的工具已經足夠。因此，本設計選定串口作為通信口，設計了光線通信系統(tǒng)的部分重要電路，并著重編寫了一個用來調試和監(jiān)控串口工作狀態(tài)的串口調試工具。最后在實

3、際的實驗電路中驗證了系統(tǒng)的合理性。關鍵詞：光纖通信技術，計算機通信技術，接口技術，RS-232The realization of computer data exchange based on optical fiber communication experimental platformABSTRACTWith the development of Computer Technology and Optical-fiber Communication Technology and the great need of computer net working and sharing res

4、ources, these two techs have dynamically combined together and become the vital material fundamental of the society. In modern times, computer-optical-fiber communication is widely applied into the local area network of communities and offices.The most important modules of an Optical-fiber Communica

5、tion System are optical transmitter, tunnel and optical receiver. And the key to Serial Port Communication is the circuits and protocols. Though the speed of serial port is not fast, its still enough for experimental research. So this design chose serial port as the communication port, and we design

6、ed the key circuits of those three modules, and then focused on programming software which would debug and monitor the serial port in VB language. At last verified the system in real circuits.Key words: Optical-fiber communication tech, computer communication tech, Interface technology, RS-232目 錄 TO

7、C o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232599829 1. 引言 PAGEREF _Toc232599829 h 1 HYPERLINK l _Toc232599830 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc232599830 h 1 HYPERLINK l _Toc232599831 1.2 光纖通信技術 PAGEREF _Toc232599831 h 1 HYPERLINK l _Toc232599832 光纖通信概念 PAGEREF _Toc232599832 h 1 HYPERLINK l _Toc232599833 光纖通信發(fā)展簡史 PAGEREF _T

8、oc232599833 h 2 HYPERLINK l _Toc232599834 1.3 光纖通信的優(yōu)點 PAGEREF _Toc232599834 h 3 HYPERLINK l _Toc232599835 1.4 光纖通信技術的發(fā)展前景 PAGEREF _Toc232599835 h 4 HYPERLINK l _Toc232599836 2.串口通信及RS2-32簡介 PAGEREF _Toc232599836 h 7 HYPERLINK l _Toc232599837 2.1 串口通信的概念 PAGEREF _Toc232599837 h 7 HYPERLINK l _Toc2325

9、99838 2.2 通信協(xié)議 PAGEREF _Toc232599838 h 7 HYPERLINK l _Toc232599839 物理接口標準 PAGEREF _Toc232599839 h 8 HYPERLINK l _Toc232599840 軟件協(xié)議 PAGEREF _Toc232599840 h 9 HYPERLINK l _Toc232599841 2.3 RS-232簡介 PAGEREF _Toc232599841 h 9 HYPERLINK l _Toc232599842 3.系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc232599842 h 9 HYPERLINK l _Toc232

10、599843 3.1 整體設計 PAGEREF _Toc232599843 h 9 HYPERLINK l _Toc232599844 3.2 光發(fā)射機 PAGEREF _Toc232599844 h 9 HYPERLINK l _Toc232599845 光源 PAGEREF _Toc232599845 h 9 HYPERLINK l _Toc232599846 調制電路和控制電路 PAGEREF _Toc232599846 h 9 HYPERLINK l _Toc232599847 線路編碼電路 PAGEREF _Toc232599847 h 9 HYPERLINK l _Toc23259

11、9848 3.3 光接收機 PAGEREF _Toc232599848 h 9 HYPERLINK l _Toc232599849 光檢測器 PAGEREF _Toc232599849 h 9 HYPERLINK l _Toc232599850 放大器 PAGEREF _Toc232599850 h 9 HYPERLINK l _Toc232599851 均衡和再生 PAGEREF _Toc232599851 h 9 HYPERLINK l _Toc232599852 3.4 串口調試工具 PAGEREF _Toc232599852 h 9 HYPERLINK l _Toc232599853

12、4.硬件電路設計 PAGEREF _Toc232599853 h 9 HYPERLINK l _Toc232599854 4.1 接口轉換電路 PAGEREF _Toc232599854 h 9 HYPERLINK l _Toc232599855 4.2 光調制和驅動電路 PAGEREF _Toc232599855 h 9 HYPERLINK l _Toc232599856 4.3 前置放大電路 PAGEREF _Toc232599856 h 9 HYPERLINK l _Toc232599857 4.4 均衡電路 PAGEREF _Toc232599857 h 9 HYPERLINK l _

13、Toc232599858 5.軟件設計 PAGEREF _Toc232599858 h 9 HYPERLINK l _Toc232599859 5.1 程序流程圖 PAGEREF _Toc232599859 h 9 HYPERLINK l _Toc232599860 發(fā)送程序流程圖 PAGEREF _Toc232599860 h 9 HYPERLINK l _Toc232599861 接收程序流程圖 PAGEREF _Toc232599861 h 9 HYPERLINK l _Toc232599862 5.2 發(fā)送程序設計 PAGEREF _Toc232599862 h 9 HYPERLINK

14、 l _Toc232599863 手動發(fā)送字符/數(shù)據程序 PAGEREF _Toc232599863 h 9 HYPERLINK l _Toc232599864 自動發(fā)送字符/數(shù)據程序 PAGEREF _Toc232599864 h 9 HYPERLINK l _Toc232599865 發(fā)送文件 PAGEREF _Toc232599865 h 9 HYPERLINK l _Toc232599866 5.3 接收程序 PAGEREF _Toc232599866 h 9 HYPERLINK l _Toc232599867 5.4 數(shù)據存儲 PAGEREF _Toc232599867 h 9 HY

15、PERLINK l _Toc232599868 6. 結論 PAGEREF _Toc232599868 h 9 HYPERLINK l _Toc232599869 7. 參考文獻 PAGEREF _Toc232599869 h 9 HYPERLINK l _Toc232599870 8. 致謝 PAGEREF _Toc232599870 h 91. 引言1.1 課題背景光纖通信技術光纖通信自從問世以來，給整個通信領域帶來了一場革命，它使高速率、大容量的通信成為可能。光纖通信由于具有損耗低、傳輸頻帶寬容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優(yōu)點而備受業(yè)內人士的青睞，發(fā)展非常迅速。在現(xiàn)代社會

16、，光纖通信越來越多地與另一種通信方式計算機通信聯(lián)系在了一起，二者一同成為辦公自動化，局域網辦公，網絡資源共享，社區(qū)網絡通信甚至是建設信息高速公路的核心技術。這兩種技術也成了當下的熱門研究課題。計算機可以通過串行接口進行通信，雖然這樣的通信方式傳輸距離短，速度慢。但是，串口通信簡單易行，容易在實驗平臺上與通信系統(tǒng)進行通信，對于研究計算機通過光纖進行的通信有非常好的指導意義。因此，本文考慮通過設計一個能夠收發(fā)字符串和文本文件的串口調試工具，使用現(xiàn)有的實驗設備，通過串口連接來實現(xiàn)進行計算機的數(shù)據交換。1.2 光纖通信技術1.2.1 光纖通信概念所謂光纖通信，就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信

17、之目的。要使光波成為攜帶信息的載體，必須對之進行調制，在接收端再把信息從光波中檢測出來。然而，由于目前技術水平所限，對光波進行頻率調制與相位調制等仍局限在實驗室內，尚未達到實用化水平，因此目前大都采用強度調制與直接檢波方式（IM-DD）。又因為目前的光源器件與光接收器件的非線性比較嚴重，所以對光器件的線性度要求比較低的數(shù)字光纖通信在光纖通信中占據主要位置。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)基本上由光發(fā)送機、光纖與光接收機組成。發(fā)送端的電端機把信息（如話音）進行模/數(shù)轉換，用轉換后的數(shù)字信號去調制發(fā)送機中的光源器件(LED)，則LED 就會發(fā)出攜帶信息的光波。即當數(shù)字信號為“1”時，光源器件發(fā)送一個“傳號”光脈沖

18、；當數(shù)字信號為“0”時，光源器件發(fā)送一個“空號”（不發(fā)光）。光波經光纖傳輸后到達接收端。在接收端，光接收機把數(shù)字信號從光波中檢測出來送給電端機，而電端機再進行數(shù)/模轉換，恢復成原來的信息。就這樣完成了一次通信的全過程。1.2.2 光纖通信發(fā)展簡史伴隨社會的進步與發(fā)展，以及人們日益增長的物質與文化需求，通信向大容量，長距離的方向發(fā)展已經是必然的發(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行通信一直是人們幾百年來追求的目標所在。在六十年代中期以前，人們雖然歷經苦心研究過光圈波導、氣體透鏡波導、空心金屬波導管等，想用

19、它們作為傳送光波的媒體以實現(xiàn)通信，但終因它們或者衰耗過大或者造價昂貴而無法實用化。也就是說歷經幾百年人們始終沒有找到傳輸光波的理想傳送媒體。（即階躍光纖）。更重要的是科學地語言了制造通信用的超低耗光纖的可能性，即加強原材料提純，加入適當?shù)膿诫s劑，可以把光纖的衰耗系數(shù)降低到20dB/km 以下。而當時世界上只能制造用于工業(yè)、醫(yī)學方面的光纖，其衰耗在1000dB/km 以上。對于制造衰耗在20dB/km 以下的光纖，被認為是可望不可及的。以后的事實發(fā)展雄辯地證明了高錕博士文章的理論性和科學大膽預言的正確性，所以該文被譽為光纖通信的里程碑。1970年美國康寧玻璃公司根據高錕文章的設想，用改進型化學相

20、沉積法（MCVD 法）制造出當時世界上第一根超低耗光纖，成為使光纖通信爆炸性競相發(fā)展的導火索。雖然當時康寧玻璃公司制造出的光纖只有幾米長，衰耗約20dB/km，而且?guī)讉€小時之后便損壞了。但它畢竟證明了用當時的科學技術與工藝方法制造通信用的超低耗光纖是完全有可能的，也就是說找到了實現(xiàn)低衰耗傳輸光波的理想傳輸媒體，是光通信研究的重大實質性突破。自1970年以后，世界各發(fā)達國家對光纖通信的研究傾注了大量的人力與物力，其來勢之兇，規(guī)模之大、速度之快遠遠超出了人們的意料之外，從而使光纖通信技術取得了極其驚人的進展。從光纖的衰耗看：從70年的20 dB/km降至90年的0.14dB/km，這個數(shù)值已經接近

21、石英光纖的理論衰耗極限值0.1dB/km。從光器件看：1970年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一只在室溫下連續(xù)波工作的砷化鎵鋁半導體激光器，為光纖通信找到了合適的光源器件。后來逐漸發(fā)展到性能更好、壽命達幾萬小時的異質結條形激光器和現(xiàn)在的分布反饋式單縱模激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。光接收器件也從簡單的硅PIN 光二極管發(fā)展到量子效率達90的-族雪崩光二極管APD。從光纖通信系統(tǒng)看：正是光纖制造技術和光電器件制造技術的飛速發(fā)展，以及大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術和微處理機技術的發(fā)展，帶動了光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長距離、從低水平到高水平、從舊體制（PDH）到新體制（

22、SDH）的迅猛發(fā)展。1976年，美國在亞特蘭大開通了世界上第一個實用化光纖通信系統(tǒng)。碼率為45 Mb/s，中繼距離為10 km。1980 年，多模光纖通信系統(tǒng)商用化（140Mb/s），并著手單模光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗工作。1990 年，單模光纖通信系統(tǒng)進入商用化階段（565 Mb/s），并著手進行零色散移位光纖和波分復用及相干通信的現(xiàn)場試驗，而且陸續(xù)制定數(shù)字同步體系（SDH）的技術標準。1993年，SDH 產品開始商用化（622Mb/s 以下）。1995年，2.5Gb/s 的SDH 產品進入商用化階段。1996年，10Gb/s 的SDH 產品進入商用化階段。1997年，采用波分復用技術（WDM

23、）的20Gb/s 和40Gb/s 的SDH 產品試驗取得重大突破。此外，在光孤子通信、超長波長通信和相干光通信方面也正在取得巨大進展?？傊?，從1970年到現(xiàn)在雖然只有短短不到三十年的時間，但光纖通信技術卻取得了極其驚人的進展。用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體以實現(xiàn)通信，這一幾百年來人們夢寐以求的幻想在今天已成為活生生的現(xiàn)實。然而就目前的光纖通信而言，其實際應用僅是其潛在能力的2左右，尚有巨大的潛力等待人們去開發(fā)利用。因此，光纖通信技術并未停滯不前，而是向更高水平、更高階段方向發(fā)展。1.3 光纖通信的優(yōu)點光纖通信之所以受到人們的極大重視，這是因為和其它通信手段相比，具有無以倫比的優(yōu)越性。1.

24、通信容量大從理論上講，一根僅有頭發(fā)絲粗細的光纖可以同時傳輸1000 億個話路。雖然目前遠遠未達到如此高的傳輸容量，但用一根光纖同時傳輸24 萬個話路的試驗已經取得成功，它比傳統(tǒng)的明線、同軸電纜、微波等要高出幾十乃至上千倍以上。一根光纖的傳輸容量如此巨大，而一根光纜中可以包括幾十根甚至上千根光纖，如果再加上波分復用技術把一根光纖當作幾根、幾十根光纖使用，其通信容量之大就更加驚人了。2. 中繼距離長由于光纖具有極低的衰耗系數(shù)（目前商用化石英光纖已達0.19dB/km 以下），若配以適當?shù)墓獍l(fā)送與光接收設備，可使其中繼距離達數(shù)百公里以上。這是傳統(tǒng)的電纜（1.5km）、微波（50km）等根本無法與之相

25、比擬的。因此光纖通信特別適用于長途一、二級干線通信。據報導，用一根光纖同時傳輸24 萬個話路、100 公里無中繼的試驗已經取得成功。此外，已在進行的光孤子通信試驗，已達到傳輸120 萬個話路、6000 公里無中繼的水平。因此，在不久的將來實現(xiàn)全球無中繼的光纖通信是完全可能的。3. 保密性能好光波在光纖中傳輸時只在其芯區(qū)進行，基本上沒有光“泄露”出去，因此其保密性能極好。4. 適應能力強適應能力強是指，不怕外界強電磁場的干擾、耐腐蝕，可撓性強（彎曲半徑大于25厘米時其性能不受影響）等。5. 體積小、重量輕、便于施工維護光纜的敷設方式方便靈活，既可以直埋、管道敷設，又可以水底和架空。6. 原材料來

26、源豐富，潛在價格低廉制造石英光纖的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，而砂子在大自然界中幾乎是取之不盡、用之不竭的。因此其潛在價格是十分低廉的。1.4 光纖通信技術的發(fā)展前景光纖通信從1970年真正起步，迄今為止雖然僅有近三十年的時間，但光纖通信的技術無論是光纖制造技術還是光電器件的制造技術，以及光纖通信系統(tǒng)的水平都取得了極其驚人的進展，它已經成為現(xiàn)代通信最主要的傳輸手段。光纖的衰耗從剛開始的20dB/km,而現(xiàn)在已經低達0.14dB/km，它已經十分接近石英光纖的理論衰耗極限0.1dB /km,光纖的帶寬也從剛開始的10MHZkm 發(fā)展到現(xiàn)在1000GHZkm 以上。光源器件從剛開始的結構十分簡

27、單、發(fā)光功率只有幾十微瓦、壽命僅幾小時的GaAs 激光器發(fā)展到現(xiàn)在的發(fā)光功率在1毫瓦以上、壽命達幾十萬小時的分布反饋式和多量子阱的單縱模激光器。光纖通信系統(tǒng)的水平也在不斷地提高，從一九七六年的45Mb/S發(fā)展到現(xiàn)在的10Gb/S。一九八五年多模光纖通信商用化，一九九0年單模光纖通信又迅速商用化，而現(xiàn)在技術更加先進的SDH 光纖通信已經席卷世界各地。但是，光纖通信的潛力是巨大的，我們目前的光纖通信應用水平據分析僅僅是其能力的12左右。因此光纖通信技術并未停滯不前，而是向更高水平、更高層次的方向發(fā)展。1. 波分復用技術（WDM）所謂波分復用，就是用一根光纖同時傳輸幾種不同波長的光波以達到擴大通信容

28、量的目的。在系統(tǒng)的發(fā)送端，由各個分系統(tǒng)分別發(fā)出不同波長的光波如1、2、3、4，并由合波器合成一束光波進入光纖進行傳輸，而在接收端用分波器把幾種光波分離開，分別輸入到各個分系統(tǒng)的光接收機?？梢钥闯霾ǚ謴陀玫年P鍵技術是光波的合波器與分波器。近幾年已經出現(xiàn)幾種形式的合波器與分波器，如半透鏡與濾光片、自聚焦棒與濾光片以及平面光柵與偏振光柵等。2. 相干光通信迄今為止我們所應用的光纖通信都是采用強度調制與直接檢波的工作方式，它只相當于原始的無線通信所使用的調制與解調技術。在此方式下，光源器件的調制速率、光接收機的靈敏度受到局限而難以再提高，適應不了超大容量、超長距離通信的要求。所謂相干光通信，就是在發(fā)端

29、由激光器發(fā)出譜線極窄、頻率穩(wěn)定、相位恒定的相干光，并用先進的調制方法如FSK、ASK 和PSK 對之進行調制。在收端，把由光纖傳輸來的相干光載波與本振光源發(fā)出的相干光，經光耦合器后加到光混頻器上進行混頻與差頻，然后把差頻后的中頻光信號進行放大、檢波。相干光通信技術一則可以增大光纖的傳輸容量，二則可以大大提高光接收機的靈敏度（可提高1020dB）。相干光通信的關鍵技術是光源器件、光波的匹配。由發(fā)送端的光源和接收端的本振光源所發(fā)出的光，必須譜線十分狹窄（接近單頻）、頻率十分穩(wěn)定、相位也非常恒定，否則無法進行混頻與差頻。此外，本振光和從光纖傳輸來的光載波必須具有良好的匹配，這就要求光纖應該是偏振保持

30、光纖。3. 超長波長光纖通信石英光纖的衰耗目前已接近理論極限值，再無多大潛力可挖。經研究發(fā)現(xiàn)，氟化物光纖在波長3.4 微米處的衰耗理論極限，可低達103 dB/km;而金屬鹵化物光纖的衰耗理論極限可低達102105dB/km，若真的實現(xiàn)光纖衰耗小于103 dB/km，中繼距離可達三萬多公里，那么實現(xiàn)全球無中繼的光纖通信就會成為現(xiàn)實。人們把波長大于2 微米的通信稱為超長波長光纖通信。4. 光集成技術它和電子技術中的集成電路相類似，是把許多微型光學元件如光源器件、光檢測器件、光透鏡、光濾波器、光柵等集成在一塊很小的芯片上，構成具有復雜性能的光器件；還可以和集成電路等電子元件集成在一起形成功能更復雜

31、功能的光電部件如光發(fā)送機與光接收機等。采用光集成技術，不僅使設備的體積、重量大大減少，而且提高了穩(wěn)定性與可靠性。5. 光孤子通信我們知道，通信容量越大，要求光脈沖越窄，如2.5Gb/s 系統(tǒng)的光脈沖寬度約為400ps。窄光脈沖經光纖傳輸后因光纖的色散作用而出現(xiàn)脈沖展寬現(xiàn)象而引起碼間干擾，因此脈沖展寬一直是制約大容量、長距離傳輸?shù)年P鍵因素。經研究發(fā)現(xiàn)，當注入光強密度足夠大時會引起光脈沖變窄的奇特現(xiàn)象，其光脈沖寬度可低達幾個ps，即所謂光孤子脈沖。因此用孤子脈沖可以實現(xiàn)超大容量的光纖通信。2.串口通信及RS2-32簡介2.1 串口通信的概念所謂“串行通信”是指外設和計算機間使用一根數(shù)據信號線(另外

32、需要地線,可能還需要控制線),數(shù)據在一根數(shù)據信號線上一位一位地進行傳輸，每一位數(shù)據都占據一個固定的時間長度。這種通信方式使用的數(shù)據線少，在遠距離通信中可以節(jié)約通信成本，當然，其傳輸速度比并行傳輸慢。由于CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有“接收移位寄存器”（串并）和“發(fā)送移位寄存器”（并串）。在數(shù)據輸入過程中，數(shù)據一位一位地從外設進入接口的“接收移位寄存器”，當“接收移位寄存器”中已接收完1個字符的各位后，數(shù)據就從“接收移位寄存器”進入“數(shù)據輸入寄存器”。CPU從“數(shù)據輸入寄存器”中讀取接收到的字符。（并行讀取，即D7D0同時被讀至累加器中

33、）。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收時鐘”確定。在數(shù)據輸出過程中，CPU把要輸出的字符（并行地）送入“數(shù)據輸出寄存器”，“數(shù)據輸出寄存器”的內容傳輸?shù)健鞍l(fā)送移位寄存器”，然后由“發(fā)送移位寄存器”移位，把數(shù)據一位一位地送到外設?！鞍l(fā)送移位寄存器”的移位速度由“發(fā)送時鐘”確定。接口中的“控制寄存器”用來容納CPU送給此接口的各種控制信息，這些控制信息決定接口的工作方式。“狀態(tài)寄存器”的各位稱為“狀態(tài)位”，每一個狀態(tài)位都可以用來指示數(shù)據傳輸過程中的狀態(tài)或某種錯誤。例如，用狀態(tài)寄存器的D5位為“1”表示“數(shù)據輸出寄存器”空，用D0位表示“數(shù)據輸入寄存器滿”，用D2位表示“奇偶檢驗錯”等。能夠完成上

34、述“串并”轉換功能的電路，通常稱為“通用異步收發(fā)器” （UART：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），典型的芯片有：Intel8250/8251。2.2 通信協(xié)議所謂通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對數(shù)據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。因此，也叫做通信控制規(guī)程，或稱傳輸控制規(guī)程，它屬于ISOS OSI七層參考模型中的數(shù)據鏈路層。目前，采用的通信協(xié)議有兩類：異步協(xié)議和同步協(xié)議。同步協(xié)議又有面向字符和面向比特以及面向字節(jié)計數(shù)三種。其中，面向字節(jié)計數(shù)的同步協(xié)議

35、主要用于DEC公司的網絡體系結構中。 物理接口標準1. 串行通信接口的基本任務（1）實現(xiàn)數(shù)據格式化：因為來自CPU的是普通的并行數(shù)據，所以，接口電路應具有實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據格式化的任務。在異步通信方式下，接口自動生成起止式的幀數(shù)據格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待傳送的數(shù)據塊前加上同步字符。（2）進行串并轉換：串行傳送，數(shù)據是一位一位串行傳送的，而計算機處理數(shù)據是并行數(shù)據。所以當數(shù)據由計算機送至數(shù)據發(fā)送器時，首先把串行數(shù)據轉換為并行數(shù)才能送入計算機處理。因此串并轉換是串行接口電路的重要任務。（3）控制數(shù)據傳輸速率：串行通信接口電路應具有對數(shù)據傳輸速率波特率進行選擇和控制的能力。

36、（4）進行錯誤檢測：在發(fā)送時接口電路對傳送的字符數(shù)據自動生成奇偶校驗位或其他校驗碼。在接收時，接口電路檢查字符的奇偶校驗或其他校驗碼，確定是否發(fā)生傳送錯誤。（5）進行TTL與EIA電平轉換：CPU 和終端均采用TTL電平及正邏輯，它們與EIA采用的電平及負邏輯不兼容，需在接口電路中進行轉換。（6）提供EIA-RS-232C 接口標準所要求的信號線：遠距離通信采用MODEM 時，需要9根信號線；近距離零MODEM 方式，只需要3 根信號線。這些信號線由接口電路提供，以便與MODEM 或終端進行聯(lián)絡與控制。2. 有關串行通信的物理標準為使計算機、 以及其他通信設備互相溝通，現(xiàn)在，已經對串行通信建立

37、了幾個一致的概念和標準，這些概念和標準屬于三個方面：傳輸率，電特性，信號名稱和接口標準。1、傳輸率：所謂傳輸率就是指每秒傳輸多少位，傳輸率也常叫波特率。國際上規(guī)定了一個標準波特率系列，標準波特率也是最常用的波特率，標準波特率系列為110、300、600、1200、4800、9600 和19200。大多數(shù)CRT 終端都能夠按110 到9600范圍中的任何一種波特率工作。打印機由于機械速度比較慢而使傳輸波特率受到限制，所以，一般的串行打印機工作在110 波特率，點針式打印機由于其內部有較大的行緩沖區(qū)，所以可以按高達2400波特的速度接收打印信息。大多數(shù)接口的接收波特率和發(fā)送波特率可以分別設置，而且

38、，可以通過編程來指定。2、RS-232-C標準：RS-232-C 標準對兩個方面作了規(guī)定，即信號電平標準和控制信號線的定義。RS-232C 采用負邏輯規(guī)定邏輯電平，信號電平與通常的TTL電平也不兼容，RS-232-C 將-5V-15V 規(guī)定為“1”，+5V+15V規(guī)定為“0”。圖2.1所示是TTL 標準和RS-232-C標準之間的電平轉換。圖2.1 電平轉換 軟件協(xié)議1. OSI協(xié)議和TCP/IP協(xié)議（1）OSI 協(xié)議OSI七層參考模型不是通訊標準，它只給出一個不會由于技術發(fā)展而必須修改的穩(wěn)定模型，使有關標準和協(xié)議能在模型定義的范圍內開發(fā)和相互配合。一般的通訊協(xié)議只符合OSI七層模型的某幾層，

39、如EIA-RS-232-C：實現(xiàn)了物理層；IBM 的SDLC（同步數(shù)據鏈路控制規(guī)程）：數(shù)據鏈路層；ANSI 的ADCCP（先進數(shù)據通訊規(guī)程）：數(shù)據鏈路層；IBM 的BSC（二進制同步通訊協(xié)議）：數(shù)據鏈路層；應用層的電子郵件協(xié)議SMTP只負責寄信、POP3 只負責收信。（2）TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了五層協(xié)議。（1）物理層：對應OSI 的物理層。（2）網絡接口層：類似于OSI的數(shù)據鏈路層。（3）Internet 層：OSI 模型在Internet 網使用前提出，未考慮網間連接。（4）傳輸層：對應OSI 的傳輸層。（5）應用層：對應OSI 的表示層和應用層。應用層表示層會話層傳輸層網絡層數(shù)據鏈路層應用

40、層表示層會話層傳輸層網絡層數(shù)據鏈路層物理層（硬件）圖2.2 OSI七層網絡模型2. 串行通信協(xié)議串行通信協(xié)議分同步協(xié)議和異步協(xié)議。（1）異步通信協(xié)議的實例起止式異步協(xié)議特點與格式：起止式異步協(xié)議的特點是一個字符一個字符傳輸，并且傳送一個字符總是以起始位開始，以停止位結束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。其格式如圖3 所示。每一個字符的前面都有一位起始位（低電平，邏輯值0），字符本身有57 位數(shù)據位組成，接著字符后面是一位校驗位（也可以沒有校驗位），最后是一位，或意味半，或二位停止位，停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定為高電平（邏輯值），這樣就保證起始位開始處一定有一個下跳沿。（

41、2）面向字符的同步協(xié)議特點與格式：這種協(xié)議的典型代表是IBM公司的二進制同步通信協(xié)議(BSC）。它的特點是一次傳送由若干個字符組成的數(shù)據塊，而不是只傳送一個字符，并規(guī)定了10 個字符作為這個數(shù)據塊的開頭與結束標志以及整個傳輸過程的控制信息，它們也叫做通信控制字。由于被傳送的數(shù)據塊是由字符組成，故被稱作面向字符的協(xié)議。2.3 RS-232簡介 RS232是串行通信接口標準，最早是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)并于1969 年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據傳輸速率在020000b/s 范圍內的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行

42、設備廠商都生產與RS-232C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。RS232串行通信接口標準經過使用和發(fā)展，目前已經有幾種。但都是在RS-232C標準的基礎上經過改進而形成的。所以，以RS-232C為主來討論。RS-232C 標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C 標準，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（recommended standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS232 的最新一次修改（1969）。在這之前，有RS232B、RS232A。它規(guī)定連接電纜和機械、電

43、氣特性、信號功能及傳送過程。常用的物理標準還有EIARS-232-C、EIARS-422-A、EIARS-423A、EIARS-485。這里只介紹EIARS-232-C（簡稱232，RS232）。例如，目前在IBM PC 機上的COM1、COM2 接口，就是RS-232C接口。1.電氣特性EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TXD和RXD上：邏輯1(MARK)=-3V-15V邏輯0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3V+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）=-3V-15

44、V以上規(guī)定說明了RS-323C 標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平告語+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V 時，電路可以有效地檢查出來，介于-3+3V 之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在(315)V 之間。EIA-RS-232C與TTL轉換：EIA-RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或

45、終端的TTL 器件連接，必須在EIA-RS-232C 與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA 電平的轉換，而MC1489、SN75154可實現(xiàn)EIA 電平到TTL電平的轉換。MAX232 芯片可完成TTLEIA 雙向電平轉換。2、RS-232C的接口信號RS-232C 標準接口有25條線，4條數(shù)據線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是：（1）聯(lián)絡控制信號線：數(shù)據裝置準備好（Data set ready-DSR)有

46、效時（ON）狀態(tài)，表明MODEM處于可以使用的狀態(tài)。數(shù)據終端準備好(Data set ready-DTR)有效時（ON）狀態(tài)，表明數(shù)據終端可以使用。這兩個信號有時連到電源上，一上電就立即有效。這兩個設備狀態(tài)信號有效，只表示設備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信要由下面的控制信號決定。請求發(fā)送(Request to send-RTS)用來表示DTE請求DCE發(fā)送數(shù)據，即當終端要發(fā)送數(shù)據時，使該信號有效（ON 狀態(tài)），向MODEM 請求發(fā)送。它用來控制MODEM 是否要進入發(fā)送狀態(tài)。允許發(fā)送（Clear to send-CTS）用來表示DCE準備好接收DTE發(fā)來的數(shù)據，

47、是對請求發(fā)送信號RTS 的響應信號。當MODEM 已準備好接收終端傳來的數(shù)據，并向前發(fā)送時，使該信號有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據線TXD 發(fā)送數(shù)據。這對 RTS/CTS 請求應答聯(lián)絡信號是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS 聯(lián)絡信號，使其變高。接收線信號檢出(Received Line detection-RLSD)用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE 準備接收數(shù)據。當本地的MODEM 收到由通信鏈路另一端（遠地）的MODEM送來的載波信號時，使RLSD 信號有效，通知

48、終端準備接收，并且由MODEM將接收下來的載波信號解調成數(shù)字數(shù)據后，沿接收數(shù)據線RXD送到終端。此線也叫做數(shù)據載波檢出(Data Carrier detection-DCD）線。振鈴指示(Ringing-RI)當MODEM 收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON狀態(tài)），通知終端，已被呼叫。（2）數(shù)據發(fā)送與接收線：發(fā)送數(shù)據(Transmitted data-TXD)通過TXD終端將串行數(shù)據發(fā)送到MODEM，(DTEDCE)。接收數(shù)據(Received data-RXD)通過RXD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據，(DCEDTE)。（3）地線有兩根線SG、PG信號地和保護地信號線，

49、無方向。上述控制信號線何時有效，何時無效的順序表示了接口信號的傳送過程。例如，只有當DSR 和DTR 都處于有效（ON）狀態(tài)時，才能在DTE和DCE 之間進行傳送操作。若DTE要發(fā)送數(shù)據，則預先將DTR線置成有效(ON)狀態(tài)，等CTS線上收到有效(ON)狀態(tài)的回答后，才能在TXD 線上發(fā)送串行數(shù)據。這種順序的規(guī)定對半雙工的通信線路特別有用，因為半雙工的通信才能確定DCE 已由接收方向改為發(fā)送方向，這時線路才能開始發(fā)送。2個數(shù)據信號：發(fā)送TXD；接收RXD。1個信號地線：SG。6個控制信號：DSR�：振鈴信號Ringing當DCE收到交換機送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效，通知DTE已被呼

50、叫。3.串口通信的基本接線方法目前較為常用的串口有9針串口（DB9）和25針串口（DB25），通信距離較近時(12m)，可以用電纜線直接連接標準RS232端口(RS422,RS485較遠)，若距離較遠，需附加調制解調器（MODEM）。最為簡單且常用的是三線制接法，即地、接收數(shù)據和發(fā)送數(shù)據三腳相連。（1） DB9和DB25的常用信號腳說明表2.1 DB9和DB25的常用信號說明9針串口（DB9）25針串口（DB25）針號功能說明縮寫針號功能說明縮寫1數(shù)據載波檢測DCD8數(shù)據載波檢測DCD2接收數(shù)據RXD3接收數(shù)據RXD3發(fā)送數(shù)據TXD2發(fā)送數(shù)據TXD4數(shù)據終端準備DTR20數(shù)據終端準備DTR5信

51、號地GND7信號地GND6數(shù)據設備準備好DSR6數(shù)據設備準備好DSR7請求發(fā)送RTS4請求發(fā)送RTS8清除發(fā)送CTS5清除發(fā)送CTS9振鈴指示DELL22振鈴指示DELL（2） RS232C串口通信接線方法（三線制）首先，串口傳輸數(shù)據只要有接收數(shù)據針腳和發(fā)送針腳就能實現(xiàn)：同一個串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線相連，兩個串口相連或一個串口和多個串口相連 同一個串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線相連對9針串口和25針串口，均是2與3直接相連； 兩個不同串口（不論是同一臺計算機的兩個串口或分別是不同計算機的串口）表2.2 計算機標準串行口接線方式9針9針25針25針9針25針23322232233355775

52、7上面表格是對微機標準串行口而言的，還有許多非標準設備，如接收GPS數(shù)據或電子羅盤數(shù)據，只要記住一個原則：接收數(shù)據針腳（或線）與發(fā)送數(shù)據針腳（或線）相連，彼些交叉，信號地對應相接。3.系統(tǒng)設計3.1 整體設計本系統(tǒng)主要由三部分組成：光發(fā)射機、傳輸光纖和光接收機。其電/光和光/電變換的基本方式是直接強度調制和直接檢波。實現(xiàn)過程如下：輸入電信號是數(shù)字信號（計算機串口數(shù)據）；調制器將輸入的電信號轉換成適合驅動光源器件的電流信號并用來驅動光源器件，對光源器件進行直接強度調制，完成電/光變換的功能；光源輸出的光信號直接耦合到傳輸光纖中，經一定長度的光纖傳輸后送達接收端；在接收端，光電檢測器對輸入的光信號

53、進行直接檢波，將光信號轉換成相應的電信號，再經過放大恢復等處理過程，以彌補線路傳輸過程中帶來的信號損傷（如損耗、波形畸變），最后輸出和原始輸入信號相一致的電信號，從而完成整個傳送過程。系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。光纖光纖PC機電發(fā)射端機輸入接口光發(fā)端機光收端機PC機電接收端機輸出接口圖3.1 光纖通信系統(tǒng)模型光發(fā)端機將電信號直接調制至光載波上去，采用強度調制（IM）；光接收機完成光信號的解調，采用直接檢測（DD），屬于非相干解調。光載波由半導體光源產生，由半導體光檢測器將光信號轉換成電信號從而達到傳輸信號的目的。系統(tǒng)傳輸部分的原理框圖如圖3.2 所示。圖3.2 傳輸原理框圖3.2 光發(fā)射機數(shù)字光發(fā)

54、射機的功能是把電端機輸出的數(shù)字基帶信號轉換為光信號，并用耦合技術有效注入光纖線路。數(shù)字光發(fā)射機的方框圖如圖3.3所示，主要有光源和電路兩部分。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。輸入接口線路編碼調制電路光源控制電路電信號輸入光信號輸出圖3.3 數(shù)字光發(fā)射機方框圖3.2.1 光源對光源的要求如下：（1） 發(fā)射的光波長應和光纖低損耗“窗口”一致，即中心波長應在0.85um，1.31um，1.55um附近。光譜單色性要好。（2） 電/光轉換效率要高，即要求在足夠低的驅動電流下，有足夠大而穩(wěn)定的輸出光功率，且線性良好。（3） 允許的調制速率要高或相應速度要快。（4） 溫度

55、特性好，可靠性高，壽命長目前，不同類型的半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）可以滿足不同應用場合的要求。本設計選用的是半導體激光器作為光源。3.2.2 調制電路和控制電路直接光強調制的數(shù)字光發(fā)射機主要電路有調制電路、控制電路和線路編碼電路。因為本設計選用的是LD作為光源，所以還需要偏置電路。對調制電路和控制電路的要求如下：（1） 輸出光脈沖的通斷比（全“1”碼平均光功率和全“0”碼平均光功率的比值，或消光比的倒數(shù)）應大于10，以保證足夠的光接收信噪比。（2） 輸出光脈沖的寬度應遠大于開通延遲（電光延遲）時間，光脈沖的上升時間、下降時間和開通延遲時間應足夠短，以便在高速率調制下，輸出的光脈

56、沖能準確再現(xiàn)輸入電脈沖的波形。（3） 對激光器應施加足夠的偏置電流，以便抑制在較高速率調制下可能出現(xiàn)的張弛震蕩，保證發(fā)射機正常工作。（4）應采用自動功率控制（APC）和自動溫度控制（ATC），以保證輸出光功率有足夠穩(wěn)定性3.2.3 線路編碼電路線路編碼之所以必要，是因為電端機輸出的數(shù)字信號是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)常用的線路碼型有：擾碼、mBnB碼和插入碼。本設計采用的是mBnB碼型。其編碼規(guī)則如下表所示：表3.1 3B4B碼編碼規(guī)則3B0000010100111001011101114B100110001011101

57、001010100011101103B4B編碼電路的主要作用是將送來的串行數(shù)據流以3bit為一組，轉換成4bit為組的碼流，并以串行形式送出。圖3.4示出了編碼電路原理框圖。送來的串行數(shù)據首先要進行串并轉換，并通過鎖存器來改變信號的波形，使各路信號在時間上與寬度上統(tǒng)一起來，以免在將來的信號邏輯處理時產生漏碼與錯碼，然后將鎖存后得到的3bit一組的碼字送給編碼電路。在上面的編碼規(guī)則下，3B4B編碼電路變得非常簡單，只要用兩個反相器即可實現(xiàn)。時鐘（f）串行數(shù)據三分頻電路觸發(fā)器4/3f時鐘發(fā)生器串并轉換1鎖存器1串并轉換串行送出信號圖3.4 3B4B碼編碼框圖為了將原信號進行同步分組，需將信號時鐘3

58、分頻來控制鎖存器和并串轉換電路，使鎖存器每3個周期更新一次。同時用分頻后的信號觸發(fā)不可重觸發(fā)器產生與分組信號相對應的負的窄脈沖，以控制頻率為4/3 f(f為原串行數(shù)據的頻率)的振蕩器，該窄脈沖必須相當窄，而使振蕩器停振的時間相當于其振蕩周期的1/8以下。這樣在3分頻信號的控制下，并串轉換過程就與原信號同步，即4B并行碼每存入一次，在新時鐘信號的觸發(fā)下，串行脈沖在轉換器中就移動4次，依次不斷循環(huán)，形成并串轉換，得到的串行信號即為編碼后的碼流。圖3.5所示為相應的譯碼原理框圖。串行編碼信號并串轉換f時鐘發(fā)生器鎖存器4/3f時鐘發(fā)生器同步分組信號提取觸發(fā)器串并轉換1譯碼后信號圖3.5 3B4B碼譯碼

59、框圖 碼流經延時并異或后得到的是一系列窄脈沖，觸發(fā)不可重觸發(fā)器，將每組中除第一個脈沖以外的其它脈沖全部蓋掉，為此需要適當調節(jié)觸發(fā)器的電阻及電容參數(shù)，從而獲得同步分組信號。這些信號也是一系列窄脈沖，它們經再觸發(fā)后獲得同頻率的更窄脈沖，用這些脈沖一方面控制兩個頻率(f和43f)的振蕩器，以獲取同步時鐘信號作為串并及并串轉換電路的時鐘 另一方面，由于在譯碼時同樣要設置鎖存電路來改善信號的波形，以保證譯碼的正確，用同步信號控制鎖存器就可得到時間及寬度上統(tǒng)一的4 bit碼字。把每組碼字中的第一比特舍去，第四比特取反就能得到同步的3比特碼字，再經過并串轉換后就恢復出原來的信號。3.3 光接收機直接強度調制

60、、直接檢測方式的數(shù)字光接收機方框圖示于圖3.6，主要包括光檢測器、前置放大器、主放大器、均衡器、時鐘提取電路、取樣判決器以及自動增益控制（AGC）光檢測器判決器時鐘提取光檢測器偏壓控制AGC電路前置放大器主放大器圖3.6 數(shù)字光接收機框圖3.3.1 光檢測器光檢測器是光接收機實現(xiàn)光/電轉換的關鍵器件，其性能特別是響應度和噪聲直接影響光接收機的靈敏度。對光檢測器的要求如下：（2） 響應度要高，在一定的接收光功率下，能產生最大的光電流；（3） 噪聲要盡可能低，能接受極微弱的光信號；（4） 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩二極管