基于4QAM的光通信系统设计分析.docx

基于4QAM的光通信系统设计分析.docx

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基于4QAM的光通信系统设计分析

基于4QAM的光通信系统设计分析

引言

所谓光纤通信系统，就是将从光源、光检测器、光放大器等有源器件到连接器、隔离器等无源器件通过光纤组合形成具有完整通信功能的系统。

光纤通信系统就传送的信号可以分为模拟光纤系统和数字光纤系统。

模拟光纤系统目前一般只应用于传送广播式的视频信号，最主要的应用是广电的HFC网。

其他场合一般采用数字光纤系统，它具有传输距离长，传输质量高，噪声不累积等模拟光纤系统无法比拟的特点。

光纤通信系统的设计包括两方面的内容：

工程设计和系统设计。

工程设计的主要任务是工程建设中的详细经费预算，设备、线路的具体工程安装细节。

主要内容包括对近期及远期通信业务量的预测；光缆线路路由的选择及确定；光缆线路铺设方式的选择；光缆接续及接头保护措施；光缆线路的防护要求；中继站站址的选择以及建筑方式；光缆线路施工中的注意事项。

系统设计的任务遵循建议规范，采用较为先进成熟的技术，综合考虑系统经济成本，合理选用器件和设备，明确系统的全部技术参数，完成实用系统的集成。

虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：

①传输距离。

②数据速率或信道带宽。

③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。

下面分别介绍模拟光纤系统和数字光纤系统的设计。

模拟光纤通信系统多采用副载波复用技术，主要指标有：

载噪比CNR（Carrier Noise Ratio）、组合二阶互调失真CSO（Composite Second Order Intermodulation）和组合三阶差拍失真CTB（Composite Triple Beat）。

后两项指标针对多路信道复用的使用情况。

对于模拟的HFC网的设计，主要需要考虑系统的CNR、CTB、CSO指标，其传输距离主要受限于链路的损耗。

在模拟的HFC网中，EDFA的引入可以延长传输距离且对CTB和CSO等非线性指标没有多大的影响，但对CNR影响较大，在系统设计时重点考虑。

对于数字光纤通信系统，其系统性能指标主要包括误码性能、抖动性能和系统的可靠性。

设计时必须同时满足。

目前大量使用的SDH和WDM系统为了提高其横向兼容性，对其光接口作了较严格的规范，是系统设计的标准。

在设计中一般认为：

损耗限制光放大段的长度，色散限制电再生段的距离，光信噪比取决于EDFA级联的个数。

其中误码率是保证传输质量的基本指标，它受多种因素制约，与光探测器性能、前置放大器性能、码速、光波形、消光比以及线路码型有关。

数字传输系统设计的任务就是要通过器件的适当选择以减小系统噪声的影响，确保系统达到要求的性能。

虽然光纤通信系统的形式多样，但在设计时，不管是否有成熟的标准可循，以下几点是必须考虑的：

①传输距离。

②数据速率或信道带宽。

③误码率（数字系统）或载噪比和非线性失真（模拟系统）。

在作过相关的分析后，我们要决定：

是采用多模光纤还是单模光纤，并涉及到纤芯尺寸、折射率剖面、带宽或色散、损耗、数值孔径或模场直径等参数的选取；是采用LED还是LD光源，涉及到波长、谱线宽度、输出功率、有效辐射区、发射方向图、发射模式数量等指标的确定；是采用PIN还是APD接收器，它涉及到响应度、工作波长、速率和灵敏度等参量的选择。

为了确保获得预期的系统性能，做出合适的选择，必须进行两种预算：

功率预算和带宽预算。

功率预算的目的是判断光检测器接收到的光功率是否达到其所需的最小光功率（灵敏度）。

光发射机发送的功率减去光纤链路的损耗和系统富余度，即为接收机的接收功率。

光纤链路的损耗包括光纤损耗、连接器损耗、接头损耗以及诸如分路器和衰减器等元件设备引入的损耗。

系统富余度是一个估计值，用于补偿器件老化、温度波动以及将来可能加入链路器件引起的损耗，这个值在2～8dB之间。

设总的光功率损耗为TP，光发射机发送的光功率为S

P （dBm），光接收机

的灵敏度为 RP （dBm），则

带宽预算的目的是为了满足传输速率的要求。

光纤通信系统的带宽除了和光纤的色散特性有关外，还与光发射机和光接收机等设备有关。

工程上常用系统上升时间来表示系统的带宽。

上升时间的定义是：

在阶跃脉冲作用下，系统响应从

幅值的10％上升到90％所需要的时间。

如下图：

光纤通信系统的设计是一项复杂的工作，它要求熟知光源、光检测器和光纤的基本性能参数，并对其它光网络产品及应用有一定了解，重点在于掌握光纤通信系统的基本方法——功率预算和带宽预算以及高速系统的色散受限和损耗受限对中继距离的影响。

第1章 绪论 

1.1光通信发展的简要回顾 

2000年，日本的Tanaka等人开始对室内LED光通信系统进行理论上的研究，提出了LED光照为朗伯模型的假设，以及对LED光通信系统进行了多次仿真，发现影响系统性能的主要是多径效应。

2003年，日本的Komine等人在1 Mb/s的速率下对电力线通信与LED通信结合进行实验并进行了仿真。

2009年，在中国电子高新科技博览会上，展出了一个LED通信系统，该系统是接收机与发送机相距约30cm双工工作的情况下，实现了200 Mb/s的传输速率。

同年，美国也投入巨资成立了智能光T -程技术研究中心,探索通过LED光源实现无线通信。

目前越来越多的国际化大公司开始加入该计划。

2010年6月，中国科学院通过调制LED所发射的光线已经实现同时接入3个用户，接入带宽为3Mbps，接入距离为5m的互联网连接，同时不影响LED的照明效果。

并且在上海世博会的“航空馆”和“沪上生态家馆”中展示，此项技术已经达到国际先进水平。

2010年1月，德国人创造了每秒500兆的可见光通信传输新记录[1]。

1.2课题的意义和发展趋势 

近几年LED产业蓬勃发展，LED由于具有常规照明无可比拟的绿色，节能等优点，取代传统照明成为一种趋势。

且LED响应时间在纳秒级，可以实现信息的高速调制，这个特点使LED在照明的同时进行信息传输成为一种可能。

LED技术的不断进步，且潜在的优点，使LED代替其他传统照明的趋势已经越来越明显。

虽然用Wi-Fi或红外也能实现通信，但通过可见光实现会更加方便或更加安全。

例如，与相邻射频信号之间的互相干扰可能会限制Wi-Fi的使用，而可见光基本上不存在干扰问题；相邻光束可以交相通过，只要它们的目的地不同就可以了。

出于安全考虑，有些地方禁止使用射频通信，比如医院和飞机。

可见光通信在这些场合是理想的替代技术，因为LED照明早已在使用，而可见光通信又不会干扰传送重要任务的系统信号。

同时，可见光通信也具有高数据容量的潜力。

并且只要有光就可以进行通信，比如一些带背光的招牌，就可以用手机（假定将来，手机作为光通信的一种移动的接受终端）获取广告，餐馆等地信息。

旅游景点的介绍、在书店获得电子图书，看电影时通过光通信把电影下载下来等等，这样会更方便的实现通信[2]。

1.3课题的主要任务和预期目标 

（1）利用LED进行数据传输。

传输ds18b20采集来的信号，并用另外的单片机接受并且显示出来。

（2）分别用TDMA时分复用技术和FDMA频分复用技术同时传递多个 （大约2-3个）信息，并且用解调技术分开然后显示出来。

（3）添加高级功能：

DS18b20温度传感器、HC-SR04超声波传感器、1602液晶显示。

第2章 总体方案设计 

2.1设计思路 

本次设计主要是利用光敏器件的特性：

默认上电为高电平，而接收到一定频率的红外信号后为低电平。

用发射端发射设计好的编码程序，而接收端接红外接收器，根据发射端发出的具体的不同方式的编码来判断发射的具体类容，并用单片机解码，就可以得到发射的数据。

2.2系统设计方案 

基于主要设计思想，系统工作原理框图如下图2-1所示. 

本系统由两个单片机构成主要框架，采用发射装置和接收装置传递信息，以实现基本的功能。

在发射端，本次毕业设计准备设计温度传感器和超声波测距传感器，用这两个传感器来实现信号的采集。

然后通过发射装置发送到另外一块单片机上把采集来的信号显示出来。

这样是整个毕业设计方案更加的完备。

2.3基本光通信原理的介绍和通信方式的设计 

2.3.1基本光通信方式的介绍 

所谓通信就是通过高低电平时间的不同，把想要表达的信息传递到另外的单片机上。

通信有有线通信和无线通信，典型的慢速无线通信就是红外遥控器设备和单片机之间的通信。

而这种通信是本次毕业设计主要模仿的对象。

下面介绍一下红外遥控器的通信和常用的复用技术。

红外遥控器通信方式的介绍如下：

（1）二进制信号的调制  

由单片机来完成二进制信号的调制，这调制也就是说把编码后的二进制信号调制成频率为37.9kHz的间断的脉冲，也就相当于用二进制信号的编码乘以频率为37.9kHz脉冲的信号而得到的间断脉冲串，即是调制后用于红外发射二极管发送的信号。

具体的二进制码的调制过程如图2-2所示[3-5]。

（2）红外接收需先进行解调 

解调的过程是通过HS0038进行接收的。

其基本工作过程是：

当接收到调制信号时，输出高电平，否则输出为低电平，也就是调制的逆过程。

HS0038是一体化集成的红外接收装置，内部集成放大器，这样就可以直接输出解调后的高低电平信号。

红外遥控发射器采用的编码方式——PPM 

当发射器按键按下后,遥控器将发射一组编码脉冲。

遥控编码脉冲由前导码、16位地址码（8位地址码、8位地址码的反码）和 16位的操作码（8位操作码、8位操作码的反码）组成。

通过单片机对用户码的对比检验，每个遥控器可以设定为只能控制一个设备动作，这样做就可以有效地防止多个遥控器发送设备之间的干扰、相互操作。

并且编码后面还要添加有编码的反码，这个是用来检验编码接收的正确性，通过正反码的对比来防止误操作，增强系统的可行度与可靠性。

前导码是一个起始部分，由一个高电平 （起始码） 和一个低电平 （结果码） 组成，作为接受数据的准备脉冲。

以脉宽为0.56ms周期为1.68ms  的组合表示二进制数 “1”信号；以脉宽为0.56ms周期为1.12ms的组合表示二进制数 “0”信号。

具体的发射原理如下图2-3所示[3-5]。

最后，单片机管脚P3.4（外部中断0）和红外接收头HS0038的信号线相连，采用串口技术。

计算中断的间隔时间，来区分前导码、二进制的1、0 码。

并将8 位操作码提取出来在数码管上显示。

红外接收头输出的原始遥控数据信号,正好和发射端倒向.也就是以前发射端原始信号是高电平,那接收头输出的就是低电平,反之.高电平。

然后通过单片机中断时间，计数器计时，就可以检测出具体的信号含义，通过计算得出传播的数据，实现单片机的通信。

 2.3.2复用技术的介绍 

多路复用技术就是把多个低信道组合成一个高速信道的技术,它可以有效的提高数据链路的利用率,从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务,也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。

常见的多路复用技术包括频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）和码分多路复用（CDMA），其中时分多路复用又包括同步时分复用和统计时分复用[4]。

采用多路复用技术的原因，首先通信工程中用于通信线路架设的费用相当高，需要充分利用通信线路的容量；其次网络中传输介质的传输容量都会超过单一信道传输的通信量，为了充分利用传输介质的带宽，需要在一条物理线路上建立多条通信信道。

频分多路复用的基本原理是在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各路信道的载波频率互不重叠，这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。

 2.3.3通信方式的选择 

（1）基本光通信方式的选择 

根据本次设计的要求，本次设计是低速的通信，因此我们完全可以模仿红外遥控器的通信方式进行通信。

可以设计一个单片机为发射端，主要负责模仿遥控器信号，控制红外LED发射出相应的编码方式。

而另外一个单片机为接收装置，负责解码发射的信号，接红外接收管HS0038，根据两个下降沿的时间差，来判断出具体信号是什么，并用单片机计算出传输的信息。

（2）复用技术的选择 

根据设计要求和难度系数，最后我选择了时分复用和频分复用两种复用方式作为本次设计的复用方式。

本次设计可以同时发送2组不同的信号，在接收端解调，分别在显示出来。

a）时分复用的原理和编程思路  

时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现，因此时分多路复用更适用于数字信号的传输。

它又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。

[6] 

现在我们可以将多个信号按不同的时间依次传输，便可以达到时分复用的效果，而只占用一个端口。

比如我们想将数字99和100发送到接收端，只需要写入：

Write（99）； Delay（）； Write（100）； 

用这种方法法即可达到时分复用的效果。

时分复用的优点是操作简单，只要能通信，就可以顺利的进行时分复用，不需要另外的编写程序，也不需要另外的硬件支持便可以达到，因此在慢速通信上广泛的应用。

（2）频分复用的原理和编程思路 

频分复用-FDM（ Frequency Division Multiplexing）就是将,用于信道传输的所有带宽,划分成若干个子信道 ,（或称子频带），每一个子信道传输一路不同的信号。

而频分复用要求是总频率宽度必须要大于各个子信道频率的总和，这是为了保证在各个子信道中所传输的信号互不干扰，而在各个子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（方法之一）。

FDM技术的特点就是所有子信道传输的信息以并行的方式工作，让每一路信号传输时完全可以不考虑传输时延的影响，因而频分复用技术在此取得了非常广泛的应用。

传统信号的频分复用如图2-4所示[5]。

 本次频分复用的设计：

假设:

要同时传播两路信号：

 1000100011  

  1100101100 

那定义4个频率的波形，分别代表11,10,01,00。

本次从左向右传递这两组数字的话，例如第一次专递11，然后依次01 00 00 11 01 00  01 01 10 10 也是传播10次即可将2组数同时播。

然后再接受端进行解调，把两个数分开来，然后显示到相应位置即实现了数字信号的频分复用的同时传播。

2.3.4码原理设计 

设计传播数据为8位，及8位二进制数。

从00000000到11111111，取值范围为0-255.为了让数据传输稳定，因此加入引导码和末尾校验位。

总体发射为10位。

发射的如下图2-5所示。

位编码原理如下：

因为本次设计的控制芯片为51单片机。

HS0038要接在89C51的外部中断接口，根据51的使用规则，外部中断有两种工作方式：

下降沿触发和低电平触发方式。

通信的时候一般使用下降沿触发模式。

本设计采用测量两个下降沿的时间来判断每个位是什么（1、0、引导码、校验位）。

而在接收端需要的是下降沿，在发射端就恰好相反，因为38KHZ的波形发射时，接收端为低电平。

这样具体每个位发射编码的设计方案如图2-6所示。

第3章 光通信硬件电路的设计 

3.1单片机的选择和单片机的工作原理介绍  

3.1.1单片机的选择 

由于本次设计主要是学习通信原理和设计出简单的慢速通信电路。

因此对单片机的速度上没有太大的要求。

而89c51单片机是一款非常成熟的单片机，其成本低廉，稳定性强，因此我选择了使用两个89c51单片机作为本次毕业设计使用的中枢通信器件。

3.1.2单片机89C51介绍 

STC89C51是一个自带4K字节、闪烁可编程、可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）。

低电压、高性能CMOS,8位的微处理器。

又称为单片机。

该器件采用和ATMEL的高密度，并且非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集完全兼容。

由于，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在同一个芯片之中，ATMEL的89C51是一种效率很高的微控制器。

89系列单片机为很多的嵌入式控制系统，提供了一种灵活性高并且价格低廉的方案[6]。

3.1.3单片机89c51最小系统  

单片机最小系统就是一个系统，这个系统为单片机提供电源、晶振和复位系统。

这样单片机就可以正常工作。

另外，单片机的P0接口默认只能输入，只有加上1K的排阻才能正常工作，所以在单片机最小系统设计时给P0端加上排阻。

具体的单片机最小系统如图2-7所示：

3.2发射端的设计 

3.2.1发射管的选择 

器件比较：

这次选择器件，我选择了普通led发光二极管、激光led和红外led三种发射装置。

初期比较偏向第一种：

发光二极管。

因为这个装置更加贴近我们现实的照明装置。

根据后期实验，发现其开关延时时间太长，无法发射稳定的高频波形，传播距离太近等等的缺点，最后放弃对其的使用。

但不是说发光二极管不能应用于通信，而是我们市场上很少有用于通信的发光二极管装置。

因此我把目标放在后两者。

激光led有其很大的优点就是传播距离很远，但是其缺点很明显，光源的发射性不好，不适合空气中传输，适合光纤中信号的传输。

经过测试，效果最好且最稳定，适合空气中传输的要数红外led了。

红外led多用于电视等遥控器的装置中，现在市场上器件好买，价格便宜，效果好。

因此选择了红外led作为本次毕设的发射器件。

 3.2.2红外LED的原理 

常用的红外发光二极管其外形和发光二极管LED相似，发出不可见光。

管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA。

为了适应不同的工作电压，且让其工作安全，所以在回路中常常串有限流电阻[7]。

 3.2.3红外LED的设计 

 根据测试，红外LED的效果还是比较不错的，我们只需要一端接VCC一端接单片机，用单片机给出一定频率的波形即可完成相应的发射功能。

此处要

注意红外的正极要接VCC负极接单片机。

[8]

这是因为单片机的供电不够大，要是采用单片机供电，由于带载能力不够强，会影响红外LED的发射功率，导致发送效果变差。

因此采取上述设计。

另外，我们开始加上一定阻值的电阻是为了红外LED不损坏。

而实验证明，电阻完全不需要。

LED设计图如图3-2所示：

3.2.4传感器的设计 

传感器硬件电路设计比较简单。

由于这两个传感器全部是数字信号输出的传感器，DS18b20为三个管脚，一个VCC，一个GND，还有一个是数字信号输出管脚，将此管脚接单片机任意一个IO端口即可。

而超声波测距传感器四个管脚，和单片机相连的管脚也是两个，将这两个管脚接单片机任意两个IO端口，即完成了相应的设计[9-10]。

 3.2.5发射端整体的设计

发射端分别有一个发射装置、温度传感器和超声波传感器。

一个1602显示装置用于对比发射和接收的结果。

在这里我选择了89c51单片机，12M晶振。

因为此次试验目的是为了检测通信原理的基本知识，并不是盲目的应用于高速通信领域，12M晶振对于HS0038的37.9KHZ的频率完全够用。

DS18b20接在单片机的P3.3口，超声波测速传感器接P1.4和P1.5口，用p1.0、p1.1、p1.2控制液晶 显示器1602的三个控制端，P2端口接液晶1602的数据传输断，这样就构成了发送端的合理配置[12]。

3.3接收端的设计 

3.3.1接收端的选择：

本次毕设，我开始准备了两种接收装置：

第一是专门用于通信的光敏二极管，第二个是HS0038。

前者的输出信号微弱且不稳定，但是我们可以设计后面的带通滤波器调解中心频率并且加上放大电路和整形电路获取相对较好的波形。

适合各种频率的通信。

考虑到我设计电路的复杂性并不是我们这次毕业设计的重点，我选择了后者，一个集成的接收装置。

这个接受装置内部集成了上述电路，但是将重心频率订在一个固定值37.9KHZ。

不过这个频率对于我此次毕业设计是完全够用的。

因此我选择了一个内部集成的HS0038作为我们的接收装置。

 3.3.2 HS0038的介绍 

（1）概述 

HS0038是一种用于红外遥控接收或慢速通信、传感器等方面的一体化接收装置,其中心频率为37.9kHz，可改善自然光等光源的干扰独立的PIN二极管同前置放大器集成在同一封装上，使放大效果更好，放大稳定更强[11]。

HS0038的封装提供一个特殊的红外滤光器，因此是可以防止自然光等普通光源的干扰的。

 HS0038在抗自然光的干扰方面有极好的性能,并且还可防止无用脉冲输出[11]。

（2）器件特性 

    a）前置放大器和光电检测集成在同一封装中。

     b）内自带PCM 频率、滤波器。

    c）对自然光有较强的抗干扰性，可以防止自然光的干扰。

     d）改进并且强化了对电场干扰的防护特性。

    e）电源电压5V，常用且低功耗，和单片机兼容性好。

    f）输出的电平兼容TTL和CMOS器件，很多款单片机可以直接识别、使用。

（3） 封装尺寸

（4）HS0038内部框图

（5）测试方法 

测试方法比较简单：

其实就是用单片机的一个IO端口接红外LED，让其发射出38KHZ的波形，而让HS0038的输出端接示波器，如果发送的波形时间和示波器显示的时间正好一致（发送时为低电平，未发送时为高电平）代表测试成功。

具体的测试方法如下图所示：

3.3.3红外接收装置HS0038的设计 

红外接收装置HS0038由三个端口。

一个VCC，一个GND还有一个输出端口。

这个输出端口接单片机的外部中断。

这要注意，因为只有接外部中断我们才能利用进入中断来开启定时器，计算时间。

具体设计图如图3-4所示[18]。

3.3.4接收电路整体的设计 

接收端的硬件电路比较简单，只有一个HS0038装置接在P3.2外部中断口，然后是一个液晶1602。

用p1.0、p1.1、p1.2控制液晶 显示器1602的三个控制端，P2端口接液晶1602的数据传输断。

当然通信的难点不在于硬件电路而在于编程。

接受装置电路图如图3-5所示 ，其中包括一个HS0038和1602显示。

3.4温度传感器DS18b20的介绍和使用 

DSl8b20数字温度计：

提供9位二进制温度读数指示器件的温度信息，经过单线接口送入DSl8b20或从DSl8b20送出因此从主机CPU到DSl8b20仅需一条线和地线DSl8b20的电源可以由数据线本身提供，不需要外部电源。

因为每一个DSl8b20在出厂前已经配置了唯一的序列号。

因此任意多个DSl8b20可以存放在同一条单线总线上使用。

这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl8b20的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s的时间内把温度变换成数字信号。

每只Ds18b20都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式采取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快[16]。

DS18b20 温度寄存器如表2-12所示。

DSl8b20工作过程中的协议如下：

初始化ROM操作命令存储器操作命令处理数据 

（1）初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始  

（2）ROM操作品令 总线主机检测到DSl8b20的存在便可以发出ROM操作命令之一这些命令如 时序如下：

 主机使用时间隙来读写DSl8b20的数据位和写命令字的位 

（1）初始化 时序见图2-13主机总线to时刻发送一个复位脉冲（至少为480us的低电平信号）接。

在t1时刻释放总线并进入接收状态DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15-60us接着DS18b20在t2时刻发出存在脉冲（低电平持续60-240 us）如图中虚线所示 

（2）写时间隙 

当主机总线t0时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙从to时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上DSl820在t后15-60us间对总线采样若低电平写入的位是0。

若高电平写入的位是1连续写2位