光纖通信課程設(shè)計(jì)---直接光強(qiáng)激光調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　直接光強(qiáng)激光調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　光發(fā)射機(jī)</b></p><p><b>　　1.1光發(fā)射機(jī)概念</b></p><p>　　光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并用耦合

2、技術(shù)吧把信號(hào)的最大限度的注入光線路。</p><p>　　1.2數(shù)字光發(fā)射機(jī)的功能</p><p>　　電端機(jī)輸出的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；用耦合技術(shù)注入光纖線路；用數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制：調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。</p><p>　　1.3. 光發(fā)送機(jī)的基本組</p><p>　　數(shù)字光發(fā)送機(jī)的基本組成包括均衡放大、碼型變換

3、、復(fù)用、擾碼、時(shí)鐘提取、光源、光源的調(diào)制電路、光源的控制電路（ATC和APC）及光源的監(jiān)測(cè)和保護(hù)電路等。</p><p><b>　　1.3.1均衡放大</b></p><p>　　補(bǔ)償由電纜傳輸所產(chǎn)生的衰減和畸變。</p><p><b>　　1.3.2碼型變換</b></p><p>　　將HD

4、B3碼或CMI碼變化為NRZ碼。 </p><p><b>　　1.3.3復(fù)用</b></p><p>　　用一個(gè)大傳輸信道同時(shí)傳送多個(gè)低速信號(hào)的過(guò)程。</p><p><b>　　1.3.4擾碼</b></p><p>　　使信號(hào)達(dá)到“0”、“1”等概率出現(xiàn)，利于時(shí)鐘提取。</p>

5、<p><b>　　1.3.5時(shí)鐘提取</b></p><p>　　提取PCM中的時(shí)鐘信號(hào)，供給其它電路使用。</p><p>　　1.3.6調(diào)制（驅(qū)動(dòng)）電路</p><p>　　完成電/光變換任務(wù)。</p><p><b>　　1.3.7光源</b></p><p&g

6、t;　　產(chǎn)生作為光載波的光信號(hào)。</p><p>　　1.3.8溫度控制和功率控制</p><p>　　穩(wěn)定工作溫度和輸出的平均光功率。</p><p>　　1.3.9其他保護(hù)、監(jiān)測(cè)電路</p><p>　　如光源過(guò)流保護(hù)電路、無(wú)光告警電路、LD偏流（壽命）告警等。</p><p><b>　　2 光調(diào)制原理

7、</b></p><p><b>　　2.1.光調(diào)制作用</b></p><p>　　把隨發(fā)送數(shù)據(jù)變化的電信號(hào)加到光上去，使光隨數(shù)據(jù)的變化而以一定規(guī)律變化，這一過(guò)程就叫做光的調(diào)制。調(diào)制后的光束就是光信號(hào)。</p><p>　　2.2 光調(diào)制方式分類(lèi)</p><p>　　2.2.1 按照光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系分類(lèi)

8、</p><p>　　根據(jù)光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系，可以將光源的調(diào)制方式分為直接（或內(nèi)部）調(diào)制方式和間接(或外部)調(diào)制方式。</p><p><b>　　2.2.2直接調(diào)制</b></p><p><b>　　基本概念及調(diào)制原理</b></p><p>　　直接調(diào)制就是將調(diào)制信號(hào)（電信號(hào)）直接施加在光源

9、上，使其輸出的光載波信號(hào)的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，又稱(chēng)為內(nèi)調(diào)制。</p><p>　　特點(diǎn)：調(diào)制簡(jiǎn)單、損耗小、成本低。但存在波長(zhǎng)(頻率)的抖動(dòng)。</p><p>　　2.1直接光強(qiáng)度數(shù)字調(diào)制原理</p><p>　　2.2．3按照已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)</p><p>　　根據(jù)已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)，可以將光源的調(diào)制方式分為模擬調(diào)制方式和數(shù)字調(diào)制

10、方式。</p><p>　　模擬調(diào)制方式是指已調(diào)制信號(hào)屬于模擬信號(hào)，這種調(diào)制方式主要包括強(qiáng)度調(diào)制(Intensity Modulation，IM)方式、振幅調(diào)制(Amplitude Modulation，AM)方式、雙邊帶抑制載波(Double Sideband/Suppressing Carrier，DSB/SC)調(diào)制方式、單邊帶(Single Sideband，SSB)調(diào)制方式及殘余邊帶(Vestigial

11、Sideband，VSB)調(diào)制方式。</p><p>　　2.2.4數(shù)字調(diào)制方式</p><p>　　數(shù)字調(diào)制方式是指已調(diào)制信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，這種調(diào)制方式主要包括幅移鍵控(Amplitude-shifted Keying，ASK)調(diào)制方式、頻移鍵控(Frequency-shifted Keying，F(xiàn)SK)調(diào)制方式及相移鍵控(Phase-shifted Keying，PSK)調(diào)制方式等。&

12、lt;/p><p>　　2.3已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式</p><p>　　由于其他調(diào)制方式應(yīng)用極少，因此我們?cè)谶@里僅僅給出用電場(chǎng)表示的、常用強(qiáng)度調(diào)制方式的已調(diào)制信號(hào)表達(dá)式：</p><p>　　eT（t）=KT*m（t）1/2*cos（ωcx（t）+φ0）</p><p>　　式中：KT為與發(fā)送光功率有關(guān)的正常數(shù)；m為調(diào)制系數(shù)(0＜m≤1)；x(t)為

13、歸一化幅度的調(diào)制信號(hào)波形；ωc為光載波角頻率，φ0為初相位。</p><p><b>　　2.4 調(diào)制特性</b></p><p>　　2.2.1電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象</p><p>　　半導(dǎo)體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖2.2所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個(gè)初始延遲時(shí)間，稱(chēng)為電光延遲時(shí)間td，其數(shù)量級(jí)一般為n

14、s。當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會(huì)出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱(chēng)為張弛振蕩。張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。</p><p>　　2.2光脈沖瞬態(tài)響應(yīng)波形 </p><p><b>　　2.2.2碼型效應(yīng)</b></p><p>　　電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)。當(dāng)電光延遲時(shí)間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時(shí)間T/2為相同數(shù)量級(jí)時(shí)，會(huì)使“0”碼過(guò)

15、后的第一個(gè)“1”碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴(yán)重時(shí)可能使單個(gè)“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“碼型效應(yīng)”，如圖2.3（a）、（b）所示。用適當(dāng)?shù)摹斑^(guò)調(diào)制”補(bǔ)償方法，可以消除碼型效應(yīng)，如圖2.3（c）所示。</p><p><b>　　2.3碼型效應(yīng)</b></p><p><b>　　3光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)</b></p><p>　

16、　3.1 光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)</p><p>　　光發(fā)送機(jī)的指標(biāo)很多，我們僅從應(yīng)用的角度介紹其主要指標(biāo)。包括平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度、光功率發(fā)射和耦合效率、消光比等。</p><p>　　3.1.1 平均發(fā)送光功率及其穩(wěn)定度</p><p>　　平均發(fā)送光功率又稱(chēng)為平均輸出光功率，通常是指光源“尾纖”的平均輸出光功率。</p><p>　　3

17、.1.2 耦合效率</p><p>　　耦合效率用來(lái)度量在光源發(fā)射的全部光功率中，能耦合進(jìn)光纖的光功率比例。耦合效率定義為：</p><p>　　偶和效率=PF/PS</p><p>　　式中，PF為耦合進(jìn)光纖的功率，PS為光源發(fā)射的功率。發(fā)射效率取決于光源連接的光纖類(lèi)型和耦合的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。</p><p><b>　　3.1.3消光

18、比</b></p><p>　　消光比定義為最大平均發(fā)送光功率與最小平均發(fā)送光功率之比，通常用符號(hào)EX表示：</p><p>　　EX=最大平均發(fā)射功率/最小平均發(fā)射功率</p><p>　　3.2對(duì)光發(fā)送機(jī)的要求</p><p>　?。?）有合適的輸出光功率</p><p>　　光源應(yīng)有合適的光功率輸出，

19、一般為0.01mW～5mW。</p><p>　　（2）有較好的消光比</p><p>　　一般要求EX≥10dB。</p><p><b>　?。?）調(diào)制特性要好</b></p><p>　　所謂調(diào)制特性好，是指光源的P ?I曲線在使用范圍內(nèi)線性特性好，否則在調(diào)制后將產(chǎn)生非線性失真。</p><p&

20、gt;<b>　?。?）其他</b></p><p>　　除此之外，還要求電路盡量簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、光源壽命長(zhǎng)等。</p><p>　　4 驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路</p><p><b>　　4.1 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　4.1.1 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求</p><

21、p>　　一個(gè)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件：</p><p>　　(1) 能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流；</p><p>　　(2) 有足夠快的響應(yīng)速度，最好大于光源的驅(qū)動(dòng)速度；</p><p>　　(3) 保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。</p><p>　　4.1. 2. 驅(qū)動(dòng)電路的工作原理</p><p>

22、　?。?）共發(fā)射極LED驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　能夠滿(mǎn)足上述要求的、最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路是共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路，如圖4.1所示。</p><p>　　4.1共射極驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如下所述：當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“0”時(shí)，晶體三極管VT處于截止?fàn)顟B(tài)，LED中沒(méi)有電流流過(guò)，因此LED不發(fā)光；當(dāng)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)為“1”時(shí)，晶體三極管VT工作于飽

23、和狀態(tài)，LED中有較大的電流流過(guò)，所以LED發(fā)光。</p><p>　　這種驅(qū)動(dòng)電路主要用于以LED作為光源的數(shù)字光發(fā)射機(jī)。 適用于10 Mbit/s以下的低速率系統(tǒng)。</p><p>　?。?）射極耦合跟隨器LD驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖4.2是射極耦合跟隨器LD驅(qū)動(dòng)電路，適合于LD系統(tǒng)使用。這種電路為恒流源，電流噪聲小，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，功耗較大。<

24、/p><p>　　4.2射極耦合LD驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　?。?）反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖4.3是利用反饋電流使輸出光功率穩(wěn)定的LD驅(qū)動(dòng)電路，其控制過(guò)程如下： </p><p>　　4.3反饋穩(wěn)定LD驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　4.2輔助電路</b></p&

25、gt;<p>　　4.2.1. 自動(dòng)功率控制電路</p><p>　　(1) 自動(dòng)功率控制電路的分類(lèi)</p><p>　　能夠完成自動(dòng)功率控制功能的電路很多，主要包括普通電參數(shù)控制電路和光電反饋控制電路。在光發(fā)送機(jī)中，光電反饋控制電路應(yīng)用最多。</p><p>　　(2) 自動(dòng)功率控制電路的工作原理</p><p>　　圖4.4

26、所示是一個(gè)典型LD自動(dòng)功率控制電路，其自動(dòng)功率控制電路的工作原理如下所述：當(dāng)由于溫度原因使LD輸出光功率降低時(shí)，流過(guò)PD(通常為PINPD)的電流減小，A1放大器反向輸入端電位增大，A1放大器輸出端電位降低(即A2放大器反向輸入端電位降低)。</p><p>　　4.4典型的APC電路</p><p>　　4.2.2 自動(dòng)溫度控制電路</p><p>　　從前面的內(nèi)

27、容可以知道，LD的輸出特性與溫度有著密切的關(guān)系。為了保證光發(fā)送機(jī)具有穩(wěn)定的輸出特性，對(duì)LD的溫度特性進(jìn)行控制是非常必要的，而且對(duì)LD的溫度控制也是保護(hù)LD的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。</p><p>　?。?）光源的自動(dòng)溫度控制（ATC）</p><p>　　溫度控制裝置由致冷器、熱敏電阻和控制電路組成，圖4.5示出了溫度控制裝置的方框圖。</p><p>　　4.5自動(dòng)溫度控

28、制原理方框圖</p><p>　　（2）自動(dòng)溫度控制（ATC）原理</p><p>　　ATC電路主要由R1、R2、 R3和熱敏電阻RT組成“換能”電橋，通過(guò)電橋把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。運(yùn)算放大器A的差動(dòng)輸入端跨接在電橋的對(duì)端，用以改變?nèi)龢O管V的基極電流。 </p><p>　　4.6ATC電路原理</p><p>　　4.3. 其他保

29、護(hù)、監(jiān)測(cè)電路</p><p>　?。?）LD保護(hù)電路：使激光器的偏流慢啟動(dòng)，以防損壞激光器。</p><p><b>　?。?）無(wú)光告警電路</b></p><p>　?。?）激光器壽命告警電路</p><p><b>　　5 光纖線路耦合</b></p><p>　　從多種

30、類(lèi)型的發(fā)光光源將光功率發(fā)射進(jìn)一個(gè)特定的光纖。它與光源的尺寸、輻射強(qiáng)度和光功率的角分布、光纖的數(shù)字孔徑、光纖的纖芯尺寸、光纖的折射率均有關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)透鏡來(lái)提高光源-光纖的耦合效率。</p><p>　　通過(guò)光源供應(yīng)商提供的“跳線”或“尾纖”，將光功率從一根光纖耦合進(jìn)另一根光纖。它與光纖位置偏差、不同的纖芯尺寸、光纖的數(shù)字孔徑、光纖的折射率剖面有關(guān)系。</p><p>　　5.1改善耦合的透

31、鏡結(jié)構(gòu)</p><p>　　對(duì)于給定的光纖端面，如果光源的面積大于光纖端面，則最終耦合入纖的功率可以達(dá)到最大值；如果光源的面積小于光纖端面，則耦合效果要大打折扣。一種增大發(fā)射面的辦法就是在光源和光纖中使用透鏡。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)本次直接光強(qiáng)激光調(diào)制的數(shù)字光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)，使我更加深刻的理解了數(shù)字

32、發(fā)射記得工作原理和電路的組成以及發(fā)射機(jī)的功能。怎樣設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)使其正常乃至最好的運(yùn)行，采用直接數(shù)字調(diào)制使信號(hào)低損耗，高功率，低成本的把電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào)；怎樣消除電光延遲要產(chǎn)生碼型效應(yīng)；驅(qū)動(dòng)電路和輔助電路的電路設(shè)計(jì)等等。通過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)和了解能有了深刻的理解。把我整體的設(shè)計(jì)思想，然后將所需的部件詳細(xì)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字發(fā)射機(jī)工作和運(yùn)行。最后還要考慮的怎樣實(shí)現(xiàn)調(diào)制好的光信號(hào)可以通過(guò)光纖得到有效地傳送到光纖上 ，這就涉及到有效耦合。</p

33、><p>　　這次課程設(shè)計(jì)自己也確實(shí)進(jìn)一步學(xué)習(xí)了理論知識(shí)，對(duì)以前的理論知識(shí)有了更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，也提高了自己的理論技能和操作能力，得到了很好的提高，擴(kuò)充了知識(shí)面，為以后的工作學(xué)習(xí)進(jìn)一步打下的良好的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]張?bào)闳A，石方文.通信英語(yǔ).北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.262 <

34、;/p><p>　　[2]徐澄圻.21世紀(jì)通信發(fā)展趨勢(shì).北京：人民郵電出版社，2002.224 </p><p>　　[3] (美)韋爾斯(Wells, R.B.).工程應(yīng)用編碼與信息理論：英文版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1305 </p><p>　　[4](美)布萊克(Black,U.).圖解通信辭典.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2001.539 <