光纤通信毕业设计论文.docx
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光纤通信毕业设计论文
学位论文
基于光纤通信实验平台的
计算机数据传输实现
作者姓名：
学科专业：
学号：
指导教师：
完成日期：
诚信申明
本人申明：
本人所提交的毕业设计（论文）《基于光纤通信实验平台的计算机数据传输实现》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计（论文）中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并为我在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本设计（论文）和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
年月日
基于光纤通信实验平台的计算机数据传输实现
摘要
随着计算机技术和光纤通信技术各自的进步，以及社会对于将计算机结成网络以实现资源共享的要求日益增长，计算机技术与光纤通信技术也已紧密地结合起来，成为了社会的强大物质技术基础。
现代社会，计算机光纤通信已经越来越多地应用到了社区及办公局域网中。
光纤通信系统最重要的部分是光发射机、信道和光接受机三个模块。
串口通信的关键是电路和通信协议。
在实验室条件下，虽然串口的通信速度不高，但是用作实验研究计算机之间的光纤通信的工具已经足够。
因此，本设计选定串口作为通信口，设计了光线通信系统的部分重要电路，并着重编写了一个用来调试和监控串口工作状态的串口调试工具。
最后在实际的实验电路中验证了系统的合理性。
关键词：
光纤通信技术，计算机通信技术，接口技术，RS-232
Therealizationofcomputerdataexchangebasedonopticalfibercommunicationexperimentalplatform
ABSTRACT
WiththedevelopmentofComputerTechnologyandOptical-fiberCommunicationTechnologyandthegreatneedofcomputernetworkingandsharingresources,thesetwotechshavedynamicallycombinedtogetherandbecomethevitalmaterialfundamentalofthesociety.Inmoderntimes,computer-optical-fibercommunicationiswidelyappliedintothelocalareanetworkofcommunitiesandoffices.
ThemostimportantmodulesofanOptical-fiberCommunicationSystemareopticaltransmitter,tunnelandopticalreceiver.AndthekeytoSerialPortCommunicationisthecircuitsandprotocols.Thoughthespeedofserialportisnotfast,it’sstillenoughforexperimentalresearch.Sothisdesignchoseserialportasthecommunicationport,andwedesignedthekeycircuitsofthosethreemodules,andthenfocusedonprogrammingsoftwarewhichwoulddebugandmonitortheserialportinVBlanguage.Atlastverifiedthesysteminrealcircuits.
Keywords:
Optical-fibercommunicationtech,computercommunicationtech,
Interfacetechnology,RS-232
1.引言
1.1课题背景
光纤通信技术光纤通信自从问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率、大容量的通信成为可能。
光纤通信由于具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。
在现代社会，光纤通信越来越多地与另一种通信方式—计算机通信联系在了一起，二者一同成为办公自动化，局域网办公，网络资源共享，社区网络通信甚至是建设信息高速公路的核心技术。
这两种技术也成了当下的热门研究课题。
计算机可以通过串行接口进行通信，虽然这样的通信方式传输距离短，速度慢。
但是，串口通信简单易行，容易在实验平台上与通信系统进行通信，对于研究计算机通过光纤进行的通信有非常好的指导意义。
因此，本文考虑通过设计一个能够收发字符串和文本文件的串口调试工具，使用现有的实验设备，通过串口连接来实现进行计算机的数据交换。
1.2光纤通信技术
1.2.1光纤通信概念
所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。
要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。
然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式（IM-DD）。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件（LED），则LED就会发出携带信息的光波。
即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。
光波经光纤传输后到达接收端。
在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。
就这样完成了一次通信的全过程。
1.2.2光纤通信发展简史
伴随社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容量，长距离的方向发展已经是必然的发展趋势。
由于光波具有极高的频率（大约3亿兆赫兹），也就是说是具有极高的宽带从而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年来追求的目标所在。
在六十年代中期以前，人们虽然历经苦心研究过光圈波导、气体透镜波导、空心金属波导管等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因它们或者衰耗过大或者造价昂贵而无法实用化。
也就是说历经几百年人们始终没有找到传输光波的理想传送媒体。
一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao）在PIEE杂志上发表了一篇十分著名的文章《用于光频的光纤表面波导》，该文从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。
更重要的是科学地语言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km以下。
而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在1000dB/km以上。
对于制造衰耗在20dB/km以下的光纤，被认为是可望不可及的。
以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆预言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。
1970年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相沉积法（MCVD法）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索。
虽然当时康宁玻璃公司制造出的光纤只有几米长，衰耗约20dB/km，而且几个小时之后便损坏了。
但它毕竟证明了用当时的科学技术与工艺方法制造通信用的超低耗光纤是完全有可能的，也就是说找到了实现低衰耗传输光波的理想传输媒体，是光通信研究的重大实质性突破。
自1970年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。
从光纤的衰耗看：
从70年的20dB/km降至90年的0.14dB/km，这个数值已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。
从光器件看：
1970年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。
后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条形激光器和现在的分布反馈式单纵模
激光器（DFB）以及多量子阱激光器（MQW）。
光接收器件也从简单的硅PIN光二极管发展到量子效率达90％的Ⅲ-Ⅴ族雪崩光二极管APD。
从光纤通信系统看：
正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制（PDH）到新体制（SDH）的迅猛发展。
1976年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。
码率为45Mb/s，中继距离为10km。
1980年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。
1990年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散移位光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定数字同步体系（SDH）的技术标准。
1993年，SDH产品开始商用化（622Mb/s以下）。
1995年，2.5Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。
1996年，10Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。
1997年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s和40Gb/s的SDH产品试验取得重大突破。
此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。
总之，从1970年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。
用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。
然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。
因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。
1.3光纤通信的优点
光纤通信之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它通信手段相比，具有
无以伦比的优越性。
1.通信容量大
从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000亿个话路。
虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输24万个话路的试验已经取得成功，它比传统的明线、同轴电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上。
一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。
2.中继距离长
由于光纤具有极低的衰耗系数（目前商用化石英光纤已达0.19dB/km以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。
这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。
因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。
据报导，用一根光纤同时传输24万个话路、100公里无中继的试验已经取得成功。
此外，已在进行的光孤子通信试验，已达到传输120万个话路、6000公里无中继的水平。
因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。
3.保密性能好
光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，因此其保密性能极好。
4.适应能力强
适应能力强是指，不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，可挠性强（弯曲半径大于25厘米时其性能不受影响）等。
5.体积小、重量轻、便于施工维护
光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。
6.原材料来源丰富，潜在价格低廉
制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。
因此其潜在价格是十分低廉的。
1.4光纤通信技术的发展前景
光纤通信从1970年真正起步，迄今为止虽然仅有近三十年的时间，但光纤通信的技术无论是光纤制造技术还是光电器件的制造技术，以及光纤通信系统的水平都取得了极其惊人的进展，它已经成为现代通信最主要的传输手段。
光纤的衰耗从刚开始的20dB/km,而现在已经低达0.14dB/km，它已经十分接近石英光纤的理论衰耗极限0.1dB/km,光纤的带宽也从刚开始的10MHZ·km发展到现在1000GHZ·km以上。
光源器件从刚开始的结构十分简单、发光功率只有几十微瓦、寿命仅几小时的GaAs激光器发展到现在的发光功率在1毫瓦以上、寿命达几十万小时的分布反馈式和多量子阱的单纵模激光器。
光纤通信系统的水平也在不断地提高，从一九七六年的45Mb/S发展到现在的10Gb/S。
一九八五年多模光纤通信商用化，一九九0年单模光纤通信又迅速商用化，而现在技术更加先进的SDH光纤通信已经席卷世界各地。
但是，光纤通信的潜力是巨大的，我们目前的光纤通信应用水平据分析仅仅是其能力的1～2％左右。
因此光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高层次的方向发展。
1.波分复用技术（WDM）
所谓波分复用，就是用一根光纤同时传输几种不同波长的光波以达到扩大通信容量的目的。
在系统的发送端，由各个分系统分别发出不同波长的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波进入光纤进行传输，而在接收端用分波器把几种光波分离开，分别输入到各个分系统的光接收机。
可以看出波分复用的关键技术是光波的合波器与分波器。
近几年已经出现几种形式的合波器与分波器，如半透镜与滤光片、自聚焦棒与滤光片以及平面光栅与偏振光栅等。
2.相干光通信
迄今为止我们所应用的光纤通信都是采用强度调制与直接检波的工作方式，它只相当于原始的无线通信所使用的调制与解调技术。
在此方式下，光源器件的调制速率、光接收机的灵敏度受到局限而难以再提高，适应不了超大容量、超长距离通信的要求。
所谓相干光通信，就是在发端由激光器发出谱线极窄、频率稳定、相位恒定的相干光，并用先进的调制方法如FSK、ASK和PSK对之进行调制。
在收端，把由光纤传输来的相干光载波与本振光源发出的相干光，经光耦合器后加到光混频器上进行混频与差频，然后把差频后的中频光信号进行放大、检波。
相干光通信技术一则可以增大光纤的传输容量，二则可以大大提高光接收机的灵敏度（可提高10～20dB）。
相干光通信的关键技术是光源器件、光波的匹配。
由发送端的光源和接收端的本振光源所发出的光，必须谱线十分狭窄（接近单频）、频率十分稳定、相位也非常恒定，否则无法进行混频与差频。
此外，本振光和从光纤传输来的光载波必须具有良好的匹配，这就要求光纤应该是偏振保持光纤。
3.超长波长光纤通信
石英光纤的衰耗目前已接近理论极限值，再无多大潜力可挖。
经研究发现，氟化物光纤在波长3.4微米处的衰耗理论极限，可低达10－3dB/km;而金属卤化物光纤的衰耗理论极限可低达10－2～10－5dB/km，若真的实现光纤衰耗小于10－3dB/km，中继距离可达三万多公里，那么实现全球无中继的光纤通信就会成为现实。
人们把波长大于2微米的通信称为超长波长光纤通信。
4.光集成技术
它和电子技术中的集成电路相类似，是把许多微型光学元件如光源器件、光检测器件、光透镜、光滤波器、光栅等集成在一块很小的芯片上，构成具有复杂性能的光器件；还可以和集成电路等电子元件集成在一起形成功能更复杂功能的光电部件如光发送机与光接收机等。
采用光集成技术，不仅使设备的体积、重量大大减少，而且提高了稳定性与可靠性。
5.光孤子通信
我们知道，通信容量越大，要求光脉冲越窄，如2.5Gb/s系统的光脉冲宽度约为400ps。
窄光脉冲经光纤传输后因光纤的色散作用而出现脉冲展宽现象而引起码间干扰，因此脉冲展宽一直是制约大容量、长距离传输的关键因素。
经研究发现，当注入光强密度足够大时会引起光脉冲变窄的奇特现象，其光脉冲宽度可低达几个ps，即所谓光孤子脉冲。
因此用孤子脉冲可以实现超大容量的光纤通信。
2.串口通信及RS2-32简介
2.1串口通信的概念
所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线（另外需要地线,可能还需要控制线）,数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。
这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。
由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。
在数据输入过程中，数据一位一位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。
CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。
（并行读取，即D7~D0同时被读至累加器中）。
“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时钟”确定。
在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据一位一位地送到外设。
“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。
接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。
“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。
例如，用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。
能够完成上述“串<-->并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UART：
UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter），典型的芯片有：
Intel8250/8251。
2.2通信协议
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。
约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。
因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于ISO'SOSI七层参考模型中的数据链路层。
目前，采用的通信协议有两类：
异步协议和同步协议。
同步协议又有面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。
其中，面向字节计数的同步协议主要用于DEC公司的网络体系结构中。
2.2.1物理接口标准
1.串行通信接口的基本任务
（1）实现数据格式化：
因为来自CPU的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。
在异步通信方式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。
在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。
（2）进行串－并转换：
串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理数据是并行数据。
所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为并行数才能送入计算机处理。
因此串并转换是串行接口电路的重要任务。
（3）控制数据传输速率：
串行通信接口电路应具有对数据传输速率——波特率进行选择和控制的能力。
（4）进行错误检测：
在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码。
在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否发生传送错误。
（5）进行TTL与EIA电平转换：
CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。
（6）提供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线：
远距离通信采用MODEM时，需要9根信号线；近距离零MODEM方式，只需要3根信号线。
这些信号线由接口电路提供，以便与MODEM或终端进行联络与控制。
2.有关串行通信的物理标准
为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：
传输率，电特性，信号名称和接口标准。
1、传输率：
所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。
国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率系列为110、300、600、1200、4800、9600和19200。
大多数CRT终端都能够按110到9600范围中的任何一种波特率工作。
打印机由于机械速度比较慢而使传输波特率受到限制，所以，一般的串行打印机工作在110波特率，点针式打印机由于其内部有较大的行缓冲区，所以可以按高达2400波特的速度接收打印信息。
大多数接口的接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且，可以通过编程来指定。
2、RS-232-C标准：
RS-232-C标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。
RS-232－C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，RS-232-C将-5V～-15V规定为“1”，+5V～+15V规定为“0”。
图2.1所示是TTL标准和RS-232-C标准之间的电平转换。
图2.1电平转换
2.2.2软件协议
1.OSI协议和TCP/IP协议
（1）OSI协议
OSI七层参考模型不是通讯标准，它只给出一个不会由于技术发展而必须修改的稳定模型，使有关标准和协议能在模型定义的范围内开发和相互配合。
一般的通讯协议只符合OSI七层模型的某几层，如EIA-RS-232-C：
实现了物理层；IBM的SDLC（同步数据链路控制规程）：
数据链路层；ANSI的ADCCP（先进数据通讯规程）：
数据链路层；IBM的BSC（二进制同步通讯协议）：
数据链路层；应用层的电子邮件协议SMTP只负责寄信、POP3只负责收信。
（2）TCP/IP协议
实现了五层协议。
（1）物理层：
对应OSI的物理层。
（2）网络接口层：
类似于OSI的数据链路层。
（3）Internet层：
OSI模型在Internet网使用前提出，未考虑网间连接。
（4）传输层：
对应OSI的传输层。
（5）应用层：
对应OSI的表示层和应用层。
图2.2OSI七层网络模型
2.串行通信协议
串行通信协议分同步协议和异步协议。
（1）异步通信协议的实例——起止式异步协议
特点与格式：
起止式异步协议的特点是一个字符一个字符传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。
其格式如图3所示。
每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值0），字符本身有5～7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位（也可以没有校验位），最后是一位，或意味半，或二位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。
停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。
（2）面向字符的同步协议
特点与格式：
这种协议的典型代表是IBM公司的二进制同步通信协议（BSC）。
它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫做通信控制字。
由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的协议。
2.3RS-232简介
RS232是串行通信接口
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