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论文光纤线路编码设计与实现正文

第1章　绪论

1.1　光纤通信简介

1.1.1　光纤通信的发展状况

我国从20世纪70年代初开始光通信的研究，到1976年研制出了可用于通信的多模光纤；1979年，多模光纤在短波长窗口的损耗已低于50dB/km，长波长窗口的损耗已低于1.0dB/km。

1987年底，中国建成了从武汉至荆州全长约250km的第一条长距离架空光缆，使用国产长途光纤通信系统，传送34Mblt/s的数字信号。

1990年利用国产设备建成了兰州至乌鲁木齐的直埋式长途光缆通信干线。

“六五”期间，中国公用邮电通信网建设光缆线路331.5km，“七五”期间建设光缆线路7310.5km，“八五”期间完成22条光缆干线的建设任务，使国内光缆总长度达到14.5万公里。

1994年以后，除极少数干线采用622Mbit/s系统外，大多数干线直接采用2.5Gbit/s系统、10Gbit/s系统和波分复用系统。

截止到1998年底，中国公用邮电通信网已完成了连接全国31个省（自治区、直辖市）的“八纵八横”骨干光缆传输网建设，铺设的长途和本地中继光缆（不包括接入网）总长度为100万公里。

到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器（OpticalAmplifier,OA）增加中继距离和采用波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing,WDM）增加传输容量为特征的第四代系统。

单信道商用速率（采用电时分复用ETDM）可以做到10Gbit/s，实验室速率可高达40Gbit/s，几乎到达了电子器件的极限速率。

320Gbit/s（32×10Gbit/s）波分复用系统已开始大批量装备网络。

1.1.2　光纤通信的优点与缺点

光纤通信在短短的几十年中发展如此迅速，并使得世界80%以上的电信业务在光纤通信网中传送，是与其无可比拟的优越性分不开的。

它的主要优点有：

1、光纤的容量大

光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。

其载波具有很高的频率（约1014Hz），因此光纤具有很大的通信容量。

目前商用系统单信道速率可达10Gbit/s（相当于一对光纤上同时传送12万多路电话），多信道总容量可达1.6Tbit/s（相当于1920多万路电话）。

即便如此，使用的带宽也大概只有光纤带宽的1%。

2、损耗低中继距离长

目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长（＞2μm），光纤的理论损耗系数可以下降到10-3~10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。

3、抗电磁干扰能力强

高压电线辐射出的电磁波，开动的电气列车产生的电火花，它们都会干扰电话线里和电缆里传送的电信号。

但是光导纤维是石英玻璃丝，是一种非导电的介质，交变电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。

就是把它平行铺设到高压电线和电气铁路附近，也不会受到电磁干扰。

4、保密性能好

对通信系统的重要要求之一就是保密性好。

电通信方式很容易被人窃听，而光纤通信与电通信不同，由于光纤的特殊设计，光纤中传送的光波被限制在光纤的纤芯和芯包界面附近传送，很少会跑到光纤之外。

即使在弯曲半径很小的位置，泄漏光功率也是十分微弱的。

并且成缆以后光纤的外面包有金属做的防潮层和橡胶材料的护套，这些均是不透光的，因此，泄漏到光缆外的光几乎没有。

光纤通信还有体积小、重量轻、节省有色金属等优点。

它的主要缺点有：

1、抗拉强度低

光纤的理论抗拉强度要大于钢的抗拉强度。

但是光纤在生产过程中表面存在或产生微裂痕，光纤受拉时应力全都加于此，从而使光纤的实际抗拉强度非常低，这就是裸光纤很容易折断的原因。

2、光纤连接困难

要使光纤的连接损耗小，两根光纤的纤芯必须严格对准。

由于光纤的纤芯很细（只有几个微米），加之石英的熔点很高，因此连接很困难，需要有昂贵的专门工具[8]。

1.1.3　光纤通信的线路编码

在数字通信中，传输码型的选择是一个必须考虑的问题。

由于光纤通信有很多优点，所以研究光纤信道的码型变换有重要的实际意义。

在数字光纤通信系统中，所传的信号是数字信号。

然而，根据原国际电报、电话咨询委员会（CCITT）的建议，在脉码调制（PCM）通信系统中，接口码速率与接口码型如表1.1所示。

表1.1中，HDB3称为三阶高密度双极性码，这种码型的特点之一是具有双极性，亦即具有+1、-1、0三种电平。

这种双极性码由于采取了一定措施，使码流中的+1和-1交替出现，因而没有直流分量。

同时，这种码型又可利用其正、负极性交替出现的规律进行自动误码监测等。

CMI为传号反转码，它是一种两电平不归零码，它的码型变换原则是将原来的二进制码的“0”编为“01”；将原来二进制的“1”编为“00”或“11”。

若前一次用“00”，则后一次用“11”，即“00”和“11”是交替出现的，从而使“0”，“1”在码流中是平衡的，并且它不出现“10”，作为禁字使用。

因此，一旦码流中出现“10”就知道前面产生了误码，因而具有误码监测功能。

表1.1　接口码速率与接口码型

基群

二次群

三次群

四次群

接口码速率（Mb/s）

2.408

8.448

34.368

139.264

接口码型

HDB3

CMI

然而，PCM系统中HDB3码有+1、0、-1三种状态，而在光纤数字通信系统中，光源只有发光和不发光两种状态。

所以在光纤系统中无法传输HDB3码。

简单的单极性非归零码（NRZ码）却有产生长连“0”和长连“1”的情况，会影响信号的传输所以需要重新编码。

线路编码又称信道编码，其作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便于在光纤中传输、接收及监测。

大体可归纳为三类：

扰码二进制、字变换码、插入型码[10]。

1.2　CMI编码器的设计思路

1.2.1　CMI编码的原因与原则

在光纤信道传输中，简单的单极性非归零码（NRZ码）有产生长连“0”和长连“1”的情况，当产生长连“0”时，在其持续时间内没有触发脉冲供给定时提取电路，当产生长连“1”时，可能由于码间干扰使传输波形变坏。

这两种情况，不能保证提供足够的定时信息，都会严重影响信息的正确传输，因此在光传输之前要对NRZ码进行重新编码，使其信号序列中“0”和“1”的出现几率近似相等，并且限制长连的情况产生。

CMI码是CCITT建议的PCM基带传输的码型。

编码原则是：

NRZ码中的“1”码交替地变换为“00”和“11”码，NRZ码中的“0”码变换为“01”码。

CMI码属于二电平的不归零（NRZ）的1B2B码型，这种码的特点是：

1、不出现连续4个以上的“0”码或“1”码，有频繁的波形变换，易于定时提取；

2、电路简单，易于实现；

3、有一定的纠错能力。

当编码规则被破坏后，即意味着误码产生，便于中继监测。

CMI码在一个周期里不能出现“10”组合；

4、有恒定的直流分量，且低频分量小，频带较宽；

5、传输速率为编码前的2倍，适用于低速率的光纤传输系统。

我们基于CMI码能防止长连“0”和长连“1”的情况出现，便于提取时钟信息，有检错能力，并且电路具有便于实现、成本低等优点，因此，我选择用CMI码实现线路编码。

1.2.2　CMI编码器的基本原理和方框图

首先，需要将NRZ码中的“1”码和“0”码分开，再分别进行编码处理，编码处理后再用迭加器合在一起就可以了。

迭加器可以用异或门，整个设计中需要有一个码型发生器来提供NRZ码，并且NRZ码中要有至少3个长连“1”码或者“0”码，还需要一个时钟信号要求25KHz左右，这个时钟信号可以用555定时器产生，它便于信号频率的调整。

对于时钟信号产生器和码型发生器的设计将在第2章中详细讲解。

图1.1　CMI编码器原理方框图

根据CMI编码器的编码原理，编码器可共分为五部分，方框图如图1.1所示。

1.2.3　CMI编码器预期设计指标

编码器输入波形要求：

输入为二进制NRZ码和半占空方波时钟，速率为25Kb/s。

编码器输出波形要求：

输出为CMI码，速率为2×25Kb/s，幅度为5V左右。

1.2.4　辅助设计

为了使CMI编码电路能便于调试、测量，设计者认为需要另外设计适合CMI编码电路的时钟信号产生器、码型发生器、光发射机电路。

这几部分的具体实现电路将在后几章做详细分析设计。

整体方框图如图1.2所示。

图1.2　整体方框图

1.2.5　电路仿真

设计电路的仿真使用Multisim2001仿真软件。

Multisim2001软件是EWB软件的最新版本，专门用于电路仿真，是迄今为止使用最方便、最直观的仿真软件。

具体仿真过程将在第3章中详细讲解。

第2章　电路设计

2.1　CMI编码器电路的设计

2.1.1　CMI码的编码原则

数字光纤通信与数字电缆通信一样，在其传输信道中，通常不直接传送终端机（例如PCM终端机）输出的数字信号，而需要经过码型变换，使之变换成为适合于传输信道传输的码型,称之为线路码型.在数字光纤通信中由于光源不可能发射负的光脉冲，只能采用“0”“1”二电平码。

但简单的二电平码的直流基线会随着信息流中“0”“1”的不同的组合情况而随机起伏，而直流基线的起伏对接收端判决不利，因此需要进行线路编码以适应光纤线路传输的要求。

线路编码还有另外两个作用：

其一是消除随机数字码流中的长连“0”和长连“1”码，以便于接收端时钟的提取。

其二是按一定规则进行编码后，也便于在运行中进行误码监测，以及在中继器上进行误码遥测。

CMI码属于二电平的不归零（NRZ）的1B2B码型，这种码的特点是：

1、不出现连续4个以上的“0”码或“1”码，易于定时提取；

2、电路简单，易于实现；

3、有一定的纠错能力。

当编码规则被破坏后，即意味着误码产生，便于中继监测；

4、有恒定的直流分量，且低频分量小，频带较宽；

5、传输速率为编码前的2倍，适用于低速率的光纤传输系统[12]。

CMI码是原CCITT建议的PCM基带传输的码型。

它的编码原则是：

NRZ码中的“1”码交替地变换为“00”码和“11”码输出，NRZ码中的“0”码变换为“01”码输出。

变换的波形如图2.1所示。

图2.1　CMI码变换波形图

2.2.2　CMI编码器设计指标

1、编码器输入波形要求：

输入为二进制NRZ码和半占空方波时钟，速率为25Kb/s。

2、编码器输出波形要求：

输出为CMI码，速率为2×25Kb/s，幅度为5V左右。

3、发射的光信号功率要求：

功率达到0.05mW。

2.2.3　编码器设计过程

1、编码器整体方框图

根据CMI编码器的编码原理，编码器共分为五部分，整体方框图如图2.2所示。

NRZ码和时钟信号CP由后面设计的码型发生器和时钟信号产生器提供。

（1）波形识别器：

将输入二进制码的“1”和“0”识别出来，分别送入“1”码转换器和“0”码转换器。

（2）“1”码转换器：

将“1”码变换成为宽度为T的电平“A1”（0）或电平“A2”

（1）。

当信号是连续“1”时，保证两个电平交替出现。

（3）“0”码转换器：

将“0”码变换成两个电平“A1A2”（01），其中A1和A2的宽度各为T/2。

（4）倍频器：

将时钟脉冲倍频，得到码宽为T/2的矩形脉冲，以便为“0”码转换提供“A1A2”信号。

（5）异或门：

将二进制NRZ码“1”和“0”信号变换后的代码相迭加并输出。

图2.2　CMI编码器整体方框图

2、波形识别器和“1”码转换器的设计

（1）根据设计要求画出状态的转换图

根据CMI码的编码原则，输入和输出的关系要求编码器应有四个状态，即S0、S1、S2、S3：

若初态为S0，输入“0”时，保持原态S0，输出“01”；

若初态为S0，输入“1”时，状态变为S1，输出“00”；

若初态为S1，输入“0”时，状态变为S2，输出“01”；

若初态为S1，输入“1”时，状态变为S3，输出“11”；

若初态为S2，输入“0”时，保持原态S2，输出“01”；

若初态为S2，输入“1”时，状态变为S3，输出“11”；

若初态为S3，输入“0”时，状态变为S0，输出“01”；

若初态为S3，输入“1”时，状态变为S1，输出“00”。

按此画出状态转换图如图2.3所示。

其中x/z表示输入/输出。

从状态图不难看出S0与S3和S1与S2分别是等价状态，所以状态图可以化简为图2.4所示。

图2.3　状态转换图

图2.4　状态转换简图

（2）状态分配

因为电路只有两个状态，用一个触发器即可。

取S0状态为“1”，S1状态为“0”。

此时状态编码转换表见表2.1所示：

表2.1　状态编码转码转换表

输入X

现态Qn

次态Qn+1

输出Z

（3）选定触发器，求输出方程、状态方程和驱动方程

选用D触发器，其特性方程为：

Qn+1=D（2.1）

从状态转换表2.1可以看出，输出虽然是两位码，但对“1”码转换转器，只要求在X=1时，输出转换成“11”或“00”并且要求“11”和“00”交替输出。

这时的输出却相当于持续时间为T的1或0。

而在X=0时，“1”码转换器输出永远是“0”。

所以这时的“01”可以写作“0”。

因此它的输出函数卡诺图可画成如图2.5所示。

所以得到输出方程为：

（2.2）

图2.5　Z的卡诺图

为了得到触发器的驱动方程，首先需要求出状态方程。

从表2.1我们不难画出触发器次态Qn+1的卡诺图，如图2.6所示。

图2.6　Qn+1的卡诺图

所以，

（2.3）

将上式状态方程与D触发发器的特性方程对比，即可求出驱动方程为：

（2.4）

（4）画出电路图

从输出方程、驱动方程不难画出“1”状态转换器的电路图。

但考虑到“0”码转换器的需要输入X的反相信号，所以多加一级D触发器，以便从

端取得“0”码转换器的开门信号。

电路图如图2.7所示。

图2.7　识别器和“1”码转换器电路图

3、倍频器的设计

倍频器由一个反相器，两个积分型单稳态触发器与一个半加器组成[5]。

单稳态触发器只有一种稳定状态。

当外加触发脉冲时，电路就从稳态翻转到暂稳态。

经过一定时间后，它又自动返回稳态。

积分型单态触发器如图2.8所示。

其工作原理是：

在A端无触发信号时，非门1输出为“1”与非门2输出为“1”，经反相器非门3输出为“0”，这是触发器的稳定状态。

此时B、C两点均为高电位。

当正触发脉冲由A端输入时（由0→1），非门1的输出立即变为“0”，与非门2的输出从“1”变为“0”，进入触发器的暂稳态。

在暂态时，B点变为低电位，所以电容C1电压通过R1放电，使C点电位按指数规律下降。

当下降到与非门2的阈值电压时，与非门2输出由“0”变为“1”，恢复到稳态时的高电平。

由此可见，在触发脉冲的作用下，与非门2输出一个负窄脉冲，经非门3反相输出一个正窄脉冲。

这种触发器是脉冲前沿进行触发的，输出脉冲宽度与R1C1时间常数有关。

显然这种触发器的输入脉冲宽度要大于单稳态触发器输出的脉冲宽度才行。

否则触发脉冲后沿将使门2由“0”变“1”，单稳态电路提前恢复到稳定状态。

图2.8　积分型单稳态电路

用两个积分型单稳态电路，其输入分别为两个相位相反，频率均为25KHz的信号，并将两个输出迭加，调节R1、R2使其迭加后的频率达到2×25KHz即可。

倍频器的电路如图2.9所示。

为了在后面的调试过程中有调节的余地，我选择R1、R2用100KΩ的电位器，C1、C2选择0.01μF电容。

根据

，

计算。

图2.9　倍频器电路

4、“0”码转换器和迭加电路的设计

根据CMI码编码原理，输入为“0”时，输出“01”，所以只要有一个波形识别器和一个

触发器即可解决。

“0”码转换器如图2.10所示。

其工作原理是：

当X=0时，输出为“01”；当X=1时，输出保持原状态不变，即输出总是“1”。

最后将“1”码转换器与“0”码转换器的输出迭加起来，便可得到CMI码输出。

图2.10　“0”码转换器电路

5、整体电路

根据上述设计结果综合前面三个部分的电路便可以组成总的CMI编码器电路。

CMI码编码电路见图2.11。

其工作原理是：

首先将电路置0，当输入NRZ=0时，“1”码转换器的输出总是0，编码器输出由“0”码转换器控制；当输入NRZ=1时，“0”码转换器保持原状态“1”不变，编码器输出由“1”码转换器控制。

然后将“1”码转换器的输出和“0”码转换器的输出迭加在一起得到CMI码。

电路图中的元器件都选择用74LS系列的。

其中，U6A、U6B、R1、C5、U3D、U3E是整形、延迟电路。

C1、C2是滤波电容用来去掉波形边缘的毛刺，它们选择几百皮法的电容，就可以克服电路中的竞争冒险现象。

到这里就完成了CMI编码器电路的设计。

2.3　时钟信号产生器的设计

本设计需要用到时钟信号，我选择用555定时器来完成。

555定时器是一种多用途的数字与模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。

它的应用还可以组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。

图2.11　CMI编码器电路图

正因为如此，自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司也都相继地生产了各自的555定时器产品。

尽管产品

型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555。

而且它们的功能和外部引脚的排列完全相同。

后来为了提高集成度，随后又生产了双定时器产品556（双极型）和7556（CMOS型）。

555定时器的引脚图如图2.12所示。

图2.13为TTL集成定时器NE555的电路结构图。

从图中可知，它有8个引出端：

1、接地端，8、正电源端，4、复位端，6、高触发端，2、低触发端，7、放电端，3、输出端，5、电压控制端。

NE555是双列直插式组件，

图2.12　555定时器引脚图

它由电压比较器、电阻分压器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲级几个基本单元组成。

A1和A2是两个电压比较器。

由图可知，A1的同相输入端接参考电压2Vcc/3，A2的反相输入端接参考电压Vcc/3，在高触发端和低触发端输入电压的作用下，A1和A2的输出为高或低电平，它们作为基本RS触发器的输入信号。

基本RS触发器的输出Q经过一级与非门控制放电三极管，再经过一级反相驱动门作为输出信号。

555组件接上适当的R、C定时元件就可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器电路[4]。

图2.13　定时器NE555的电路结构图

2.3.1　555定时器接成施密特触发器

用555定时器可以很方便地接成施密特触发器。

只要将555的高电平触发端和低电平触发端连接起来，作为触发信号的输入端，就可构成施密特触发器，如图2.14所示。

由于TH、

是555中电压比较器的输入，输入信号的大小直接决定了电压比较器和整个电路的输出状态。

当TH、

连接在一起时，整个电路的状态由输入电压的大小决定，并在输入电压作用下，电路

图2.14　555定时器构成的施密特触发器电路

状态能快速变换，且有两个稳定状态。

现以输入电压u1为如图2.15所示的三角波为例，来说明图2.14电路的工作过程。

在u1上升期间，当u1

当u1由高于2Vcc/3值下降达到TH端（6管脚）的触发电平时，电路输出不变。

直到u1下降到略小于Vcc/3时，输出u0跃变为高电平。

根据上述过程可得出u1是三角波时，输出电压变为上升沿和下降沿都很陡峭的矩形波。

如图2.15所示。

此图进一步说明：

u1上升时电路改变状态的输入电压UT+和u1下降时电路改变状态的输入电压UT-不同。

图2.15　u1的输入波形和u0的输出波形

2.3.2　555构成的多谐振荡器

555外接定时电阻R1、R2和电容C构成的多谐振荡器，电路如图2.16所示。

将高电平触发端TH和低电平触发端TR相连，且放电回路中还串接了一个定时电阻R2。

图2.16　多谐振荡器电路

电路工作过程分析：

当接通电源Vcc时，如电容C上的初始电压为0，u0处于高电平，放电管T截止，电源通过R1、R2向C充电，经过t1时间后，uc达到高触发电平为2Vcc/3，u0由1变为0，这时放电管T导通，电容C通过电阻R2放电，到

时，uc下降到低触发电平为Vcc/3，u0又翻回到1状态，随即T又截止，电容C又开始充电。

如此周而复始，重复上述的过程。

就可以在输出端（3管脚）得到矩形波电压。

如图2.17所示。

图2.17　振荡器的输入、输出波形

现在我们来计算此电路的振荡周期。

为了简单起见，设组件内运放A1、A2的输入电阻为无穷大，并近似地认为放电管T截止时，DIS端对地的等效电阻为无穷大，而放电管T导通时，管压降为零。

现以

为起始点，可得充电时间T1为：

（2.5）

若以t3为起始点，可得电容C的放电时间为：

（2.6）

由此可得方波的周期为

，频率为：

（2.7）

振荡频率主要取决于时间常数R和C，改变R和C参数可改变振荡频率，幅度则由电源电压Vcc来决定。

但是，输出的矩形波是不对称的，如果

，则占空比接近于1，此时，uc近似地为锯齿波。

本设计中需要产生25KHz左右的方波，根据公式2.7可计算出一组R1、R2和电容C的值。

我选择Vcc=5V、R1=130KΩ、R2=4.3KΩ、C=200PF输出的方波基本能满足设计要求，频率为25KHz左右，幅度为5V左右。

为码型发生器和CMI编码器提供时钟信息。

其输出波形可以用数字示波器观察，频率也可以用数字示波器测量。

2.4　码型发生器的设计

2.4.1　m序列

m序列是目前广泛应用的一种伪随机序列。

通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器，它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两大类。

由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，通常简称为m序列。

所谓伪随机序列，是指具有随机特性的确定序列，又称伪噪声（PN）码。

m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，是由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的一种序列。

m序列是一种很实用的正交码，由于各码组间相关性很弱，因而具有很强的抗干扰能力。

m序列的特性使其在保密通信、码分多址通信、计算误码率及延时测距等方面有着广泛的应用。

而且m序列的理论比较成熟、实现比较简单，所以在实际中有广泛的应用[1]。

2.4.2　方案比较

方案一：

用单片机生成一个固定的循环序列。

该方案可以人为设定所需的序列输出，但是实现起来相对复杂，而且本设计所需要的码型发生器在产生一定的输出码后不需要改变输出码的序列，因此不予采用。

方案二：

由于我们需要生成有长连“1”或者长连“

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