光纤数字传输调制解调电路的设计.docx
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光纤数字传输调制解调电路的设计
光纤数字传输调制解调电路的设计
浙江科技学院信息与电子工程学院2012届本科
设计论文
浙江科技学院
本科毕业设计论文
2012
2012
22001122届
题目光纤数字传输调制解调电路的设计
学院信息与电子工程学院
专业通信工程
班级081班
学号108022012
学生姓名王剑平
指导教师陶红卫
2012520
2012520
完成日期22001122年55月2200日
浙江科技学院信息与电子工程学院2012届本科设计论文
摘要
摘要
摘摘要要
光纤通信技术从光通信中脱颖而出已成为现代通信的主要支柱之一在现
代电信网中起着举足轻重的作用光纤通信作为一门新兴技术其近年来发展速
度之快应用面之广是通信史上罕见的也是世界新技术革命的重要标志和未来
信息社会中各种信息的主要传送工具
本论文主要介绍数字光纤通信系统基本组成各个模块芯片的结构和原理
在整个系统中在发射端设计LD调制电路在传输模块则简要介绍了光纤的一些
基本特性在接收端设计APD解调电路最终利用LD调制电路光纤APD解
调电路完成数字传输
关键字光纤通信数字传输光纤光电转换
I
浙江科技学院信息与电子工程学院2012届本科设计论
文
ABATRACT
ABATRACT
AABBAATTRRAACCTT
Opticalfibercommunicationtechnologystandoutfromacommunicationithas
becomeoneofthemainpillarsofmoderncommunicationsplaysanimportantrolein
themoderntelecommunicationsnetworkOpticalcommunicationasanewtechnology
anditsapplicationdevelopedfastandbroadisrareinthehistory
ofcommunicationin
recentyearsitisalsoimportantsymbolsofthenewtechnologicalrevolutionandthe
futureoftheworldmainshippinginformationintheinformationsociety
Thispaperintroducesthebasiccomponentofadigitalopticalfibercommunication
systemAndintroducethestructureandtheprincipleofthevariousmodulesofthechip
IntheentiresystemIdesignedtheLDmodulationcircuitonthetransmittingterminal
thetransmissionmoduleisabriefintroductionofsomebasiccharacteristicsofthefiber
IdesignedtheAPDdemodulationcircuitonthereceiverFinallywiththeLD
modulationcircuitfiberAPDdemodulationcircuitto
completedigitalfiber
transmission
Keywords
Keywords
KKeeyywwoorrddssFiber-opticCommunicationDigitalTransmissionFiberPhotoElectricity
Conversion
II
浙江科技学院信息与电子工程学院2012届本科
设计论文
摘要I
ABATRACTII
第1章引言1
11背景1
12研究内容2
第2章光发射机4
21光源4
22LD的结构和工作原理4
23LD光发射机6
231LD数字驱动电路6
232LD自动温度控制电路ATC7
233LD自动光功率控制电路8
234数字光发射机的调制8
第3章光接收机10
31APD的结构和工作原理10
32光接收机的技术要求11
33光接收前置放大器11
第4章数字光纤传输系统设计15
41数字基带信号发生电路设计15
411伪随机序列15
412m序列的产生16
413寄存器及其反馈18
414九进制加法计数器19
415计数器原理图20
42数字光纤传输系统概述21
43数字光发射端电路原理22
44数字信号的检测24
45数字接收端电路原理25
总结27
III
浙江科技学院信息与电子工程学院2012届本科设
计论文
致谢28
参考文献29
IV
浙江科技学院信息与电子工程学院2012届本科设计论文
第1章引言
第1章引言
第第11章章引引言言
11背景
11背景
1111背背景景
光纤通信Fiber-opticCommunication是指一种利用光与光纤Optical
Fiber
传递信息的一种方式属于有线通信的一种光经过调制Modulation后便能
携带信息自1980年起光纤通信系统对于电信工业产生了革命性的作用同
时也在数字时代里扮演着非常重要的角色光纤通信具有传输容量大保密性好
等许多优点光纤通信现已成为当今最主要的有线通信方式将需传送的信息在
发送端输入到光发射机中将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上然
后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端由接收机解调出原来的信
息
光纤通信的发展正进入一个快速发展的历史性时期这一时期的主要技术特
点是高速化联网化长波化和集成化从网络运用看则正从长途网中继网
和馈线网向分配网推进进入1993年以后我国光纤通信已处于持续大发展时
期其特征是大量新技术特别是网络技术光孤子SOLITON掺铒光纤放
大器EDFA和波分复用接入WDMA高速介质接入网HMAVSDH产
品光时分复用接入OTMMA等开始实用化并开展大量深入的研究工作
同时各种专用光纤通信系统开始进入国民经济各领域特别是现在在以中国
电信和中国联通为主导的光进铜退工程正在一些大城市如火如荼地进行
FTTB光纤到楼FTTH光纤到户等一些新的概念正充斥着人们的视眼
光纤通信的应用已经进入寻常百姓家这同时也为我国的光纤通信发展提供了良
好的发展机会根据信号调制方式的不同光纤通信可以分为数字光纤通信模
[1]
拟光纤通信
以光波为载波光纤为传输媒介的数字通信系统称为数字光纤通信系统由
于对传送的信号进行了抽样量化编码系统传送的是一些有限的离散值在
系统中传送的是01脉冲在光路上用无光有光表示上述这些
特性决定了数字系统具有模拟系统无法比拟的优点总体来说数字通信有以下
的优点
1抗干扰能力强传输质量好由于传输的是有和无当有噪声
1
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寄生在波形上时只需要经过采样在一定的噪声阈值内就可以再生出纯净
的信号
2可以再生传输距离远数字通信系统可以用不同的方式再生信号
消除噪声和各种干扰延长中继距离
3数字系统采用大量的数字电路容易集成采用大规模的集成电路芯
片使数字设备体积小功耗低
从其发展过程看存在过PDHPlesiochronousDigitalHierarchy和SDH
SynchronousDigitalHierarchy两种传输体制现在的光纤通信系统中SDH
[2]
占据主流地位
从现在工程实际应用中看光纤的数字传输已经取代了大部分的模拟传输
成为了主要的传输方式选择光纤数字传输调制解调电路的设计作为毕业设
计
符合实际的需要
12研究内容
12研究内容
1122研研究究内内容容
LDAPD
我的毕业设计为设计出光纤通信中的调制电路和
解调电路要求
掌握光纤通信的基本原理制作出数字信号信息源利用LD的调制电路光纤
APD解调电路来完成电路对数字基带信号的传输由于本设计的传输系统中
要求
D
传输的是数字信号所以在信息源的设计上用4个触发器组成电路产生15
位的伪随机序列和一个九进制计数器的脉冲信号
光纤传输系统主要由信息源光发射机光纤光接收机等部分组成
n
周期为2的次方的m序列在某个时间段可以认为是个非周期无规律的离散
连续的数字信号m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称它是由带线性
反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列m序列也称伪随机序列因此我在这
个系统中将研究产生一个15位的m序列作为系统的数字信号源另外的一个信
息源使用74LS161组成的九进制计数器从其中的一个输出端引出脉冲信号
光发射机的主要作用是完成电信号转换成光信号的过程可以分为数字和模
拟两类具体的电光转换实现方式有直接调制和间接调制光发射机主要包括电
信号接口电路驱动电路和半导体激光器等部分组成光发射机的结构如图1-1
所示
2
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电信号输驱动电路
入
间接调制
直接调制
光信号输
光源调制器信道耦合出
图1-1光发射机结构
图1-1光发射机结构
图图11--11光光发发射射机机结结构构
光接收机的作用是在接收端对光信号进行接收放大和处理光接收机的设
计与光发射机的信号的调制方式有关其中最为关键的是光电探测和前置放大
器其中数字接收机的主要技术指标包括信号速率误码率和接收灵敏度等
在光纤通信系统中常用半导体PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD作为
[4]
光电检波器前者无增益后者有增益
光信号
电信号
耦合器光电二极管整形恢复电路
图1-2光接收机组成
图1-2光接收机组成
图图11--22光光接接收收机机组组成
成
LDAPD
在本设计中选用半导体激光器设计调制电路
雪崩光电设计解调
电路
3
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第2章光发射机
第2章光发射机
第第22章章光光发发射射机机
21光源
21光源
2211光光源源
光源是光发射机的主要部件其功能是把电信号转换成光信号在目前的
光
纤通信系统中广泛使用的光源主要有半导体激光器LD和发光二极管LED
有些特殊的场合则使用一些高功率窄线宽激光光源在本篇设计中选用输出
功率高光束质量好相干性好调制带宽大的半导体激光器LD作为光源
22LD的结构和工作原理
22LD的结构和工作原理
2222LLDD的的结结构构和和工工作作原原理理
1（LD的结构
LD由带隙能量较高的P型和N型半导体材料中间夹一层很薄约01μm
的带隙能量较低的另外一种半导体材料组成其结构如图2-1所示
图2-1LD的结构原理图
图2-1LD的结构原理图
图图22--11LLDD的的结结构构原原理理图图
2LD的工作原理
任何激光器为了实现光输出都要满足两个条件一是增益条件具有增益
介质能够实现粒子数反转条件二是相位条件具有谐振腔实现相位匹配
自洽放大正反馈
1光增益
在半导体激光器中对激活区两边的P型和N型半导体进行重掺杂p-n在
正向偏压下费米能级分裂进入价带和导带当注入激活区的载流子浓度超过一定
值后实现例子反转此时如果有光信号进入激活区则载流子通过受激辐射
复合而对光信号提供光增益为
GexpgL
2-1
4
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式2-1中L为光信号激活区传播长度g称为增益系数
2光反馈和激光器阈值
LDF-P
在中自然解理面构成的腔来提供光反馈由激活区如图2-2所示
注入电流
激活区
L
解理面
R2
R1
激活区
z0zL
反射镜
图2-2自然解理面构成的F-P腔
图2-2自然解理面构成的F-P腔
图图22--22自自然然解解理理面面构构成
成的的FF--PP腔腔
在自然解理面上由于空气折射率1与激活区折射率n不同而构成反射镜
2
n1
反射率R
2-2
n1
用于制作LD的半导体材料折射率的经典值为35所以LD端面的反射率
F-P
约为30尽管由此材料构成的腔具有较大的腔损耗但由于此材料的增益
很高足以形成激光振荡
由于LD激活区存在吸收散射等各种损耗及F-P腔的输出损耗注入电
流
LD
必须大于一定值才能形成激光振荡该最小注入电流定义为的阈值电流此
F-P
时输出的激光必须满足由腔决定的相位条件阈值条件和相位条件可以通
过
考察一个光波在腔内往返传播一次并实现自再现而得到即
11
gαln2-3
int
2LRR
12
ννmc2nL
2-4
m
5
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式中m为整数ν为光频率RR为两腔面的反射率α为激活区其他机制
12int
引起的功率损耗系数L为强长n为有源区折射率式2-3表明增益必
ν
须大于腔损耗才能形成激光而式2-4则表明振荡的激光频率必须满足
νmc2nL的条件当m取不同的值时对应于激光器的不同纵模纵模间
m
隔c2nL对腔长L200,400μm激光器100,200GHz
νLνL
由于半导体激活材料的增益谱很宽约10THz因此F-P腔LD中常常是有
多个纵模起振从原理上讲应该只有最接近增益峰值的纵模可以振荡而其他
模式由于模竞争效应而被抑制掉但实际上在峰值增益附近的几个纵模的增益很
小因此常常是多纵模发生振荡这种激光器称为多模半导体激光器如果采用
特殊的结构支队某一模式提供正反馈则可以实现半导体激光器的单纵模工作
23LD光发射机
23LD光发射机
2233LLDD光光发发射射机机
LD的正常工作需要采用自动温度控制电路ATC和自动光功率控制电路
APC
在实际应用中上述电路已经封装进了光发射机模块中
231LD
231LD
223311LLDD数字驱动电路
LDLD
下图2-3所示为数字驱动的工作原理同时也是数字调制原理
图2-3LD数字调制原理
图2-3LD数字调制原理
图图22--33LLDD数数字字调调制制原原理理
LD数字驱动电路的特点有以下两点
1驱动电流I?
I-I正比于消光比
mth
2驱动电路需要满足高速数据率的要求并与半导体激光器的匹配这里
6
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匹配包括了两层含义一为LD的工作速率与电路的匹配二为LD的阻抗与高
速电路阻抗的匹配
图2-4是常用的射极耦合驱动电路适合在激光器系统中使用电流源为由
V和V组成的差分开关电路它提供了恒定的偏置电流在V基极上施加直流
122
UVLDUV
参考电压集电极的电压取决于的正向电压数字电信号从基
B2in1
VUVL
极输入当信号为0码时基极电位比高而抢先导通截止D不
1B2
发光反之当信号为1码时V基极电位比U低V抢先导通驱动LD
1B2
发光
VV
和处于轮流截止和非饱和导通状态有利于提高调制速率当三极管
12
截止频率Fr?
45GHz时这种电路的调制速率可达300Mbs
射极耦合电路为恒流源电流噪声小这种电路的缺点是动态范围小功耗
[10]
较大
图2-4射极耦合LD驱动电路图
图2-4射极耦合LD驱动电路图
图图22--44射射极极耦耦合合LLDD驱驱动动电电路路图图
232LDATC
232LDATC
223322LLDD自动温度控制电路AATTCC
半导体激光器的输出特性受温度的影响很大在光发射机中需要加入自动温
ATC
度控制电路来保证激光器在恒定的温度下正常工作目前微型致冷器
多采用半导体致冷器它是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的所谓珀尔帖效
应是指当直流电流通过两种半导体N型和P型组成的电偶时可以使一端放
热而另一端吸热的现象一对电偶的致冷量是极小的根据用途的不同可将若
干对电偶并联或者串联组成温差电功能器件其中微型半导体致冷器的控制
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温差可以达到30?
至40?
为提高控制精度和致冷效率对激光器的温度控制
常采用内制冷的方式即将热敏电阻和致冷器封装在激光器管壳内部热敏电
阻直接探测结区温度致冷器直接和激光器的热沉接触这种方式可以控制激
光器的结温在?
05?
的范围之内从而使激光器有较恒定的发射波长和输出光
功率但是温度控制方式不能控制由于激光器老化而产生的输出功率的变化
233LD
233LD
223333LLDD自动光功率控制电路
LDLD
的芯片温度的变化会引起输出光功率的变化所以一般在光发射端
APC
都需要设置光功率控制电路来稳定激光器的输出功率同时激光器的
老化也给输出光功率带来不稳定性这样看来APC就变得非常重要的了要
LDLD
准确控制的光功率输出要从两个方面入手一方面要控制的偏置电流
的大小使电流能自动跟踪阈值的变化从而让激光器总是工作在在最佳的偏置
电流状态一方面要控制LD调制脉冲电流的幅度使其自动跟踪微分量子效率
的变化从而保持输出光脉冲信号的幅度恒定
自动功率控制方法有两种一是通过光反馈来自动调整偏置电流的自动偏置
控制法二是峰值功率平均功率控制法第二种方法不仅可以自动控制偏置电
流还可以控制调制电流的幅度因此对LD输出光功率有很好的稳定作用
234
234
223344数字光发射机的调制
众所周知信息的处理是在电的领域内完成的在光纤通信系统中就必须
把电信号转变成光信号只有这样才能在光纤光缆上传播在光纤通信系统中
信息由LD或者LED发出的载波所携带把光信号信息加载到光波上的过程就是
调制
调制方式通常分为两大类即模拟调制和数字调制在本设计主要涉及的是
数字通信故模拟调制本文不做介绍
根据光源和调制信号的关系可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外
部间接调制方式
所谓的直接调制方式是指直接将调制信号施加到光源上来完成光源参数的
调制过程这种调制方式具有电路简单经济等特点目前大部分的系统均采用
该调制方式
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外部调制方式是指通过外部调制器来完成光源参数的调制过程这种调制方
式具有极高的调制速率但是需要在光发射机中设置一个专门的外部调制器外
部调制方式常常在一些新型的光纤通信系统中使用例如相干光光纤通信系统
数字调试方式是指已调制信号属于数字信号这种调制方式主要有幅移键控
ASKiFSKPSK
调制方式频移键控调制方式及相移键控调制方式等
目前数字调制是光纤通信的主要调制方式将模拟信号按一定的规律抽
样量
化后以1和0的方式表示有光和无光并对脉冲进行编码后调
制数字调制的优点是中继时噪声及抗干扰能力强色散的影响不累积所以利
用数字调制可实现长距离传输其缺点是需要较宽的频带设备也复杂
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第3章光接收机
第3章光接收机
第第33章章光光接接收收机机
31APD的结构和工作原理
31APD的结构和工作原理
3311AAPPDD的的结结构构和和工工作作原原理理
普通光电二极管即使在量子效率达到100一个光子最多也只能产生一对
电子-空穴是一种无增益的器件为了获取更好的响应度人们设计了可以内
部增益的APD雪崩光电二极管电离碰撞效应使APD能够使光电流放大
在一定条件下有光子产生的一次电子和空穴被加速获得足够的能量与晶格发
生碰撞而产生新的电子-空穴对连锁反应在这过程中形成结果由光吸收产生
的一对电子-空穴可以形成大量的电子-空穴对得到较大的二次光电流这样
APD就获得了内部增益提高了响应速度增益的大小由材料的碰撞电离系数
和施加的加速电场决定
APDpn
in
的结构如图3-1所示在区和区进行了重掺杂并在区和区
p
引入另一层区作为碰撞电离区增益区以产生二次电子电子-空穴对在反
相形成较高的电场i区仍然作为吸收光信号而产生一次电子-空穴对的区域所
p
产生的电子在区通过碰撞而形成更多的电子-空穴对从而实现对一次光电流
的放大作用
吸收区增益区
Pn
PPn
p
电
场
O
长度
图3-1APD的结构原理图
图3-1APD的结构原理图
图图33--11AAPPDD的的结结构构原原理理图图
10
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32光接收机的技术要求
32光接收机的技术要求
3322光光接接收收机机的的技技术术要要求求
光接收的作用是在接收端对光信号进行接收放大和处理光接收机的设计
与光发射机中的信号的调制方式有关图3-2所示为基于强度调制的直接强度检
测的数字光接收机无论数字还是模拟的光接收机最为关键的部分就是光电探
测和前置放大器对于数字接收机紧随其后的是限幅放大器然后是时钟提取和
判决电路数字接收机的主要技术指标包括信号速率误码率和接收灵敏度等
U
cc
APD时钟提
取
时钟输出
判决电
前置放大器限幅放大器
路
数据输出
图3-2数字光纤通信接收机的组成
图3-2数字光纤通信接收机的组成
图图33--22数数字字光光纤纤通通信信接接收收机机的的组组成成
33光接收前置放大器
33光接收前置放大器
3333光光接接收收前前置置放放大大器器
接收机的前端包括反向偏压下的光电二极管和前置放大器光电二极管接收
由光纤耦合来的光信号在实际电路分析中可将光电二极管看成是一个与其结
电容C并联的电流源等效电路如图3-3所示其
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