光纖數(shù)據(jù)通信模塊研制和課程設(shè)計(jì)

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前言

傳統(tǒng)的電信號傳輸方法是采用雙絞線分別將各采樣信號送到控制端，這種方法線路密集復(fù)雜，抗干擾能力差，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。而實(shí)時數(shù)字化光纖傳輸方案將各采樣信號處理為一路光信號，并通過光纖進(jìn)行隔離傳輸，線路簡單、抗干擾性能好，適合遠(yuǎn)距離傳輸，尤其適合復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)對多點(diǎn)、多路采樣數(shù)據(jù)實(shí)時、可靠及遠(yuǎn)距離傳輸。如在液體火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)地面測試中，被測點(diǎn)處于高低溫、高壓和強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境中，需要將測試信號通過遠(yuǎn)距離實(shí)時傳輸?shù)娇刂贫?，以便于對系統(tǒng)地面環(huán)境的監(jiān)測；又如對礦井下電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)電流信號的傳輸；對橋梁、大壩等重大設(shè)施的健康安全監(jiān)測等。數(shù)字光纖傳輸將數(shù)字化技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)相結(jié)合，具有更佳的抗干擾抗雜波能力，并且無噪聲累計(jì)，是多路信號遠(yuǎn)距離高品質(zhì)傳輸?shù)谋厝悔厔?。光的發(fā)射和接收模塊主要有兩種方式。第一種是用單獨(dú)的激光器和控制芯片完成電-光轉(zhuǎn)換；用獨(dú)立的PIN組件和放大器完成光-電轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點(diǎn)是LD的發(fā)射功率大，適合遠(yuǎn)距離傳輸，成本較低，缺點(diǎn)是集成度低。第二種方法是采用集成的光發(fā)射模塊和光接收模塊。其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，生產(chǎn)方便，缺點(diǎn)是遠(yuǎn)距離傳輸時成本較高。但隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，光收發(fā)模塊的價(jià)格越來越低，應(yīng)用也將越來越廣泛。在光纖傳輸中低壓差分信號傳輸技術(shù)（LowVoltageDifferentialSignaling，LVDS）具備許多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高速、低功耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行緩健鴥?nèi)很多院校設(shè)立了專門的科研教學(xué)機(jī)構(gòu)，我校（南京航空航天大學(xué)）電子信息工程學(xué)院“雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開展了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。本文將介紹光纖數(shù)據(jù)通信模塊的開發(fā)、實(shí)驗(yàn)平臺及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置。通過巧妙構(gòu)思和靈活設(shè)置，使學(xué)生理解并熟悉光纖數(shù)據(jù)通信的工作原理和相關(guān)技術(shù)，提高本專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力。

一、教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

點(diǎn)對點(diǎn)光纖數(shù)據(jù)通信模塊主要是數(shù)字光發(fā)送機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)，之間由單模光纖連接，安裝在測試主板上。為了實(shí)現(xiàn)信號在光纜中的傳輸，需要先將電信號轉(zhuǎn)化成為適合在光纜中傳輸?shù)墓庑盘?，之后再轉(zhuǎn)化成電信號發(fā)送到接收端進(jìn)行傳輸。數(shù)字光收發(fā)一體機(jī)由數(shù)字光發(fā)送模塊和數(shù)字光接收模塊組成，4路LVDS差分信號從光發(fā)送次模塊（TransmittingOpticalSubassembly，TOSA）輸入端輸入之后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和半導(dǎo)體激光器調(diào)制，輸出調(diào)制光信號；光信號經(jīng)光接收次模塊（ReceiverOpticalSubassembly，ROSA）轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、前置放大、限幅放大和串并轉(zhuǎn)換，輸出4路LVDS電信號。其中，LVDS低電壓差分信號是一種電平標(biāo)準(zhǔn)，核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點(diǎn)。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)

（一）數(shù)字光發(fā)送機(jī)包括并串轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、自動功率控制（APC）、激光器以及信號接口并串轉(zhuǎn)換電路輸入信號為傳輸速率為622Mbps的4路LVDS差分信號，4路LVDS電信號為1路時鐘信號（PCLKI+、PCLKI-）和3路數(shù)據(jù)信號（LVDS0~2+、LVDS0~2-），LVDS信號接口為SFP接口。通過并串轉(zhuǎn)換芯片MAX3892轉(zhuǎn)換為2.5GbpsCML信號輸出串行數(shù)據(jù)（TD+、TD-）給光模塊驅(qū)動電路。激光器驅(qū)動電路激光器驅(qū)動及自動功率控制芯片MAX3865，適合于工作在傳輸速率為2.5Gbps的光纖網(wǎng)絡(luò)中，在激光管的正常使用期內(nèi)，能始終保持恒定的輸出功率和消光比。MAX3865內(nèi)部主要包括高速調(diào)制電路和控制電路。高速調(diào)制電路包括輸入級和輸出級，主要功能是對輸入信號進(jìn)行調(diào)制，并為外部激光管提供激勵信號；控制電路包括：邏輯控制電路、調(diào)制電流控制電路和偏置電流控制電路。邏輯控制電路主要為用戶提供驅(qū)動器的工作狀態(tài)信息和傳輸控制信息；調(diào)制電流控制電路用于自動調(diào)制控制（AMC），偏置電流控制電路用于自動功率控制。以AMC工作模式為例說明工作過程。當(dāng)MAX3865正常工作時，數(shù)據(jù)從DATA+端和DATA-端輸入，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器重新定時同步后，控制差分調(diào)制器輸出以實(shí)現(xiàn)調(diào)制，調(diào)制后的信號從MODN端和MODQ端輸出，驅(qū)動外接激光管。當(dāng)電路故障時，邏輯控制電路起作用，關(guān)閉輸出，同時故障端輸出低電平。當(dāng)輸出功率變化或調(diào)制電流峰峰值變化，APC電路和AMC電路發(fā)生作用，反饋信號輸入，在比較器中與穩(wěn)態(tài)工作時的監(jiān)控反饋電流參考值進(jìn)行比較，所得差值經(jīng)積分放大電路處理后，分別控制激光器（APC電路）的偏置電流和差分調(diào)制器（AMC電路）的調(diào)制電流，達(dá)到自動維持輸出功率穩(wěn)定的目的。半導(dǎo)體激光器中由半導(dǎo)體激光二極管組成，所以在對其應(yīng)用中，需要考慮溫度補(bǔ)償或控制。溫度探測器將激光二極管的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)量，作為溫度預(yù)補(bǔ)償模塊的輸入，溫度預(yù)補(bǔ)償模塊對電流幅值調(diào)節(jié)后，由脈沖發(fā)生器控制裝置產(chǎn)生電流脈沖，作用于激光二極管，使半導(dǎo)體激光器輸出功率在不同溫度下保持恒定。激光器主要參數(shù)：傳輸波長1310nm；單模傳輸；輸出功率2mW；工作溫度-40度~85度。

（二）數(shù)字光接收機(jī)包括串并轉(zhuǎn)換電路、光電轉(zhuǎn)換PINTIA、前置放大、限幅放大以及信號接口串并轉(zhuǎn)換電路串并轉(zhuǎn)換利用MAX3882完成將1路2.5Gbps的串聯(lián)輸入CML信號轉(zhuǎn)換為4路622Mbps的LVDS信號。為保證“0”、“1”信號判別有效性，LVDS輸出信號差分峰峰值電壓VP-P范圍250~400mV，高電平電壓VOH=1.475V，低電平電壓VOL=0.925V，滿足幅度要求。PIN光電二極管和前置放大電路直接相連，處在最前端位置，組成第一級有源電路。當(dāng)激光照射到光電二極管上產(chǎn)生的信號微弱時，有用的信號可能被噪聲淹沒，無法有效輸出。根據(jù)噪聲系數(shù)計(jì)算公式：Np=Np1+Np1-1G1+Np2-1G1G2+…，由此可得，NP主要由第一級放大器來決定，因此對于設(shè)定整個探測器系統(tǒng)的噪聲系數(shù)來說前置放大電路十分重要。本電路選用低功耗限幅放大器MAX3747搭建放大電路。

（三）測試板測試板上電路包括5V電源接口，5V轉(zhuǎn)3.3V芯片、電源電路、LED燈、連接主板的SFP接口和連接外部信號的SFP接口。測試板為主板提供電源的同時，還會對數(shù)字光收發(fā)一體機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行指示。

三、實(shí)驗(yàn)科目設(shè)計(jì)

所示光纖數(shù)據(jù)通信模塊教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置充分采用模塊化設(shè)計(jì)思想與組件架構(gòu)原則。測試板部分作為母板，數(shù)字光發(fā)送機(jī)和數(shù)字光接收機(jī)均設(shè)計(jì)為可插拔的獨(dú)立電路模塊，既可分開單獨(dú)調(diào)試，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；也可進(jìn)行多種組合，完成綜合性功能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)科目設(shè)置遵循先易后難、先局部后整體、使得學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地鍛煉；各實(shí)驗(yàn)均給出清晰的原理說明、統(tǒng)一的指標(biāo)要求與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，不限定解決辦法，鼓勵不同的解決思路，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性與創(chuàng)造性；實(shí)驗(yàn)既有基礎(chǔ)部分也有提高部分，既顧及學(xué)生的平均水平，達(dá)到普遍鍛煉的目的，也充分調(diào)動能力突出學(xué)生的積極性，具有一定挑戰(zhàn)性。參照以上實(shí)驗(yàn)科目設(shè)計(jì)原則，我們制訂了適合本實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。首先安排一個簡單的并串-串并轉(zhuǎn)換特性測試，旨在熟悉并行信號和串行信號的特點(diǎn)、了解并串、串并轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)置方法信號的測試方法。第二部分進(jìn)行數(shù)字光發(fā)送機(jī)測試，主要是驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)和動手制造，包括邏輯控制電路、調(diào)制電流控制電路和偏置電流控制電路。第三部分為數(shù)字光接收機(jī)測試，包括光電轉(zhuǎn)換PINTIA、前置放大、限幅放大等。第四部分為綜合實(shí)驗(yàn)，包括數(shù)字光收發(fā)一體機(jī)的整體調(diào)試。各實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)手冊均包括預(yù)習(xí)知識、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)條件、基礎(chǔ)部分、提高部分、測試表格和實(shí)驗(yàn)記錄等項(xiàng)。

四、總結(jié)

光纖數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是一種電子技術(shù)、光子技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)載體。我們設(shè)計(jì)了一套光纖數(shù)據(jù)通信教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大量涉及光電和通信類本科的多門基礎(chǔ)課程，包括模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子、光通信、通信原理等。本實(shí)驗(yàn)裝置可為學(xué)生提供較豐富的實(shí)驗(yàn)科目，能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新品質(zhì)、綜合運(yùn)用能力等，鼓勵學(xué)生發(fā)揮主觀能動性與創(chuàng)造性去解決問題。該光纖數(shù)據(jù)通信裝置及其課程設(shè)計(jì)具有很好的教學(xué)功效。

作者：周玉斐 洪峰 王成華 單位：南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院