1、光纖通信系統課程設計報告題 目： 音頻傳輸光纖通信系統的設計 系 別：專業班級： 光信0802學生姓名： 胡亞京指導教師： 周向陽（課程設計時間：2012年1月4日2012年1月10日）華中科技大學武昌分校前言伴隨社會的進步與發展，以及人們日益增長的物質與文化需求，光通信向大容量、長距離的方向發展已經是必然的發展趨勢。由于光波具有極高的頻率¨ (大約3億兆赫茲 ，也就是說是具有極高的寬帶，從而可以容納巨大的通信信息，所以用光波作為載體來進行通信一直是人們幾百年來追求的目標所在。目前，全球數據業務量幾乎半年就翻一翻，電信網、因特網和電視有線網(三網 合一的步伐正在加快，面對廣大用戶對通

2、信網絡容量提出的迫切要求，世界上許多國家的新建語音通信系統均采用光纖作為傳輸媒介，并且光纖語音通信亦正從低速系統向高速系統發展。 隨著光纖通信技術的發展，一個以微電子技術，激光技術，計算機技術和現代通信技術為基礎的超高速寬帶信息網將使遠程教育、遠程醫療、電子商務、智能居住小區越來越普及。光纖通信以其諸多優點將成為現代通信的主流，未來信息社會的一項基礎技術和主要手段。光纖通信的發展依賴于光纖通信技術的進步。目前，光纖通信技術已有了長足的發展，新技術也不斷涌現，進而大幅度提高了通信能力，并不斷擴大了光纖通信的應用范圍。1. 波分復用技術CWDM （Coarse Wavelength Divisio

3、n Multiplexing）系統，即稀疏波分復用系統，或稱粗波分復用技術，作為一種經濟實用的短距離WDM 傳輸系統，在城域網應用中越來越受到大家的認可并已經實用化。CWDM 可應用于大都市和城域接入網，同時還可以應用于中小城市的城域核心網，在我國的實際應用中應該非常有前途。2. 光纖接入技術光纖接入網是信息高速公路的“最后一公里”。實現信息傳輸的高速化，滿足大眾的需求，不僅要有寬帶的主干傳輸網絡，用戶接入部分更是關鍵，光纖接入網是高速信息流進千家萬戶的關鍵技術。在光纖寬帶接入中，由于光纖到達位置的不同，有FTTB 、FTTC 、FTTCab 和FTTH 等不同的應用，統稱FTTx 。目 錄1

4、. 課程設計的目的 . 12. 課程設計題目描述和要求 . 13. 課程設計報告內容 . 13.1方案基本原理 . 13.1.1半導體發光二極管結構、工作原理、特性及驅動、調制電路.23.1.2光導纖維的結構及傳光原理.33.1.3 CWDM光纖通信系統的基本傳輸原理.43.2 系統的整體框圖 . 53.3 調試和驗證 . 63.3.1 調試 . 63.3.2 驗證 . 64總結 . 7參考文獻 . 8附錄1：電路原理圖 . 9附錄2：PCB 圖 . . 10音頻傳輸光纖通信系統的設計1. 課程設計的目的通過對光纖通信系統電路的安裝調試，學習掌握以下知識：（1） 設計的整體流程及調試方法。（2

5、） 熟悉半導體電光/光電器件的基本性能及主要特性的測試方法。（3） 掌握光功率計的設計思想。（4） 了解音頻信號光纖傳輸系統的結構及選配各主要部件的原則。（5） 學習分析音頻信號集成運放電路的基本方法。（6） 訓練音頻信號光纖傳輸系統的調試技術。（7） Protel 繪制電路原理圖及PCB 印刷電路板圖。（8） 各種常見元器件的選擇及使用。（9） 了解CWDM 視頻傳輸的主要原理及操作方法。（10） 了解視頻傳輸光纖傳輸系統的調試技術。2. 課程設計題目描述和要求題目描述：音頻信號光纖傳輸要求：能夠正確安裝和焊接。熟悉光收發模塊的工作原理及調測方法。安裝調測完成后將原理電路的工作過程、測試數據

6、及遇到的問題與處理情況、體會等寫出課設報告。拿到元器件后，用萬用表對電子元器件進行參數測量、檢察。安裝之前畫好布局、布線圖，老師審查通過后才能焊接，焊接時，要焊點飽滿、光潔，無虛焊、漏焊、錯焊。題目描述：CWDM 視頻傳輸系統的設計要求：能夠基本掌握CWDM 系統的使用方法和調試能力，了解基本的CWDM 系統傳輸原理及工作方法、安裝調試測試完成之后將工作過程、測試數據及遇到的問題與處理情況、體會等寫出課設報告。3. 課程設計報告內容3.1 方案基本原理要保證接收信號與發送信號一樣(不失真 ，要求各種傳輸變換（光/電和電/光）都必須是線性變換。對于語音信號，頻譜在3003400Hz 范圍. 整個

7、系統的幅頻特性主要決定于發送器和接收器。 圖3-1 系統整體框圖 3.1.1半導體發光二極管結構、工作原理、特性及驅動、調制電路光纖通訊系統中，對光源器件在發光波長、電光效率、工作壽命、光譜寬度和調制性能等許多方面均有特殊要求。所以不是隨便哪種光源器件都能勝任光纖通訊任務，目前在以上各個方面都能較好滿足要求的光源器件主要有半導體發光二極管（LED ）、半導體激光二極管（LD ），本實驗采用LED 作光源器件。圖3-2 半導體發光二極管及工作原理光纖傳輸系統中常用的半導體發光二極管是一個如圖所示的N-P-P 三層結構的半導體器件，中間層通常是由GaAs （砷化鎵）p 型半導體材料組成，稱有源層，

8、其帶隙寬度較窄，兩側分別由GaAlAs 的N 型和P 型半導體材料組成，與有源層相比，它們都具有較寬的帶隙。具有不同帶隙寬度的兩種半導體單晶之間的結構稱為異結。在圖（1）中，有源層與左側的N 層之間形成的是p-N 異質結，而與右側P 層之間形成的是p-P 異質結，故這種結構又稱N-p-P 雙異質結構。當給這種結構加上正向偏壓時，就能使N 層向有源層注入導電電子，這些導電電子一旦進入有源層后，因受到右邊p-P 異質結的阻擋作用不能再進入右側的P 層，它們只能被限制在有源層與空穴復合，導電電子在有源層與空穴復合的過程中，其中有不少電子要釋放出能量滿足以下關系的光子：h = E 1-E 2 = Eg

9、其中h 上普朗克常數，是光波的頻率，E 1是有源層內導電電子的能量，E 2LED是導電電子與空穴復合處于價健束縛狀態時的能量。兩者的差值 E g 與DH 結構中各層材料及其組份的選取等多種因素有關，制做LED 時只要這些選取和組份的控制適當，就可便得LED 發光中心波長與傳輸光纖低損耗波長一致。 圖3-3 HFRB-1424型LED 的正向伏安特性本實驗采用HFBR-1424型半導體發光二極管的正向特性如圖23-3所示與普通的二極管相比，在正向電壓大于1V 以后，才開始導通，在正常使用情況下，正向壓降為1.5V 左右。半導體發光二極管輸出的光功率與其驅動電流的關系稱LED 的電光特性。為了使傳

10、輸系統的發送端能夠產生一個無非線性失真、而峰-峰值又最大的光信號，使用LED 時應先給它一個適當的偏置電流，其值等于這一特性曲線線性部分中點電流值，而調制電流的峰-峰值應盡可能大地處于這電光特性的線性范圍內。 圖3-4 LED的驅動和調制電路音頻信號光纖傳輸系統發送端LED 的驅動和調制電路如圖3-4所示，以BG1為主構成的電路是LED 的驅動電路，調節這一電路中的W2可使LED 的偏置電流在0-50mA 的范圍內變化。被傳音頻信號由IC1為主構成的音頻放大電路放大后經電容器C4耦合到基極，對LED 原工作電流進行調制，從而使LED 發送出光強隨音頻信號變化的光信號，并經光導纖維把這一信號傳至

11、接收端根據理想運放電路開環電壓增益大（可近似為無限大）、同相和反相輸入阻抗大（也可近似為無限大）和虛地等三個基本性質，可以推導出圖6所示音頻廣大閉環增益為：G(j = v0/v1 = 1+Z2/Z1其中Z 1、Z 2分別為放大器反饋阻抗和反相輸入端的接地阻抗，只要C 3選得足夠小，C 2選得足夠大，則在要求帶寬的中頻范圍內，C 3 阻抗很大，它所在支路可視為開路，而C 2的阻抗很小，它可視為短路。在此情況下，放大電路的閉環增益G （j）=1+ R2/R1。C 3 的大小決定了高頻端的截止頻率f 2, 而C 2的值決定著低頻端的截止頻率f 1。故該電路中的R 1、 R 2、R 3和C 2、C 3

12、是決定音頻放大電路增益和帶寬的幾個重要參數。3.1.2 光導纖維的結構及傳光原理光纖按其模式性質通?？梢苑殖蓛纱箢悊文９饫w多模光纖。無論單模或多模光纖，其結構均由纖芯和包層兩部分組成。纖芯的折射率較包層折射率大，對于單模光纖，纖芯直徑只有510m，在一定的條件下，只允許一種電磁場形態的光波在纖芯內傳播，多模光纖的纖芯直徑為50m或62.5m，允許多種電磁場形態的光波傳播；以上兩種光纖的包層直徑均為125m。按其折射率沿光纖截面的徑向分布狀況又分成階躍型和漸變型兩種光纖，對于階躍型光纖，在纖芯和包層中折射率均為常數，但纖芯一包層界面處減到某一值后，在包層的范圍內折射率保持這一值不變，根據光射線在

13、非均勻介質中的傳播理論分析可知：經光源耦合到漸變型光纖中的某些光射線，在纖芯內是沿周期性地彎向光纖軸線的曲線傳播。本設計采用階躍型多模光纖作為信道，現應用幾何光學理論進一步說明這種光纖的傳光原理。階躍型多模光纖結構如圖所示，它由纖芯和包層兩部分組成，芯子的半徑為a ，折射率為1n ，包層的外徑為b ，折射率為2n , 且1n >2n 。 圖3-5 階型多模光纖的結構示意圖當一光束投射到光纖端面時，進入光纖內部的光射線在光纖入射端面處的入射面包含光纖軸線的稱為子午射線，這類射線在光纖內部了行徑，是一條與光纖軸線相交、呈“Z”字型前進的平面折線；若藉合到光纖內部的光射線在光纖入射端面處的入射

14、面不包含光纖軸線，稱為偏射線，偏射線在光纖內部不與光纖軸線相交；其行徑是一條空間折線。3.1.3 CWDM光纖通信系統的基本傳輸原理波分復用(WDM是將兩種或多種不同波長的光載波信號(攜帶各種信息 在發送端經復用器(亦稱合波器，Multiplexer 匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸的技術；在接收端，經解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，Demultiplexer 將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復原信號。這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術，稱為波分復用。通信系統的設計不同，每個波長之間的間隔寬度也有不同。按照通道間隔的不同，WDM 可

15、以細分為CWDM （稀疏波分復用）和DWDM （密集波分復用）。CWDM 的信道間隔為20nm ，而DWDM 的信道間隔從0.2nm 到1.2nm ，所以相對于DWDM ，CWDM 稱為稀疏波分復用技術。CWDM 和DWDM 的區別主要有二點：一是CWDM 載波通道間距較寬，因此，同一根光纖上只能復用5到6個左右波長的光波，“稀疏”與“密集”稱謂的差別就由此而來；二是CWDM 調制激光采用非冷卻激光，而DWDM 采用的是冷卻激光。冷卻激光采用溫度調諧，非冷卻激光采用電子調諧。由于在一個很寬的波長區段內溫度分布很不均勻，因此溫度調諧實現起來難度很大，成本也很高。CWDM 避開了這一難點，因而大幅

16、降低了成本，整個CWDM 系統成本只有DWDM 的30%。CWDM 是通過利用光復用器將在不同光纖中傳輸的波長結合到一根光纖中傳輸來實現。在鏈路的接收端，利用解復用器將分解后的波長分別送到不同的光纖，接到不同的接收機。實現光波分復用和傳輸的設備種類很多，各個功能模塊都有多種實現方法，具體采用何種設備應根據現場條件和系統性能的側重點來決定?？傮w上看，在DWDM 系統當中有光發送/接收器、波分復用器、光放大器、光監控信道和光纖五個模塊。3.2系統整體框圖圖3-6示給出了一個音頻信號直接光強調制光纖傳輸系統的結構原理圖，它主要包括由LED 及其調制、驅動電路組成的光信號發送器、傳輸光纖和由光電轉換、

17、I V 變換及功放電路組成的光信號接收器的三個部分。 圖3-6 音頻信號光纖傳輸系統原理圖音頻信號經過前置放大電路：本實驗采用中心波長0.85m附近的GaAs 半導體發光二極管（LED ）作光源、峰值響應波長為0.80.9m的硅光二極管（SPD ）作光電檢測元件。由于光導纖維對光信號具有很寬的頻帶，故在音頻范圍內，整個系統的頻帶寬度主要決定于發送端調制放大電路和接收端功放電路的幅頻特性。 圖3-7 系統的整體框圖3.3 調試和驗證3.3.1 調試（1）、確定電路方案，進行理論上的分析和計算。（2）、估算參考點信號值。（3）、確定電路焊接沒有錯焊、漏焊、虛焊。3.3.2 驗證（1）、用萬用表測得

18、模塊的電源、地連接正確，各部分連接點正確（2）、用示波器或者萬用表測量歌連接點電壓值正確，用示波器測量光發送端和光接收端型號。（3）、將光發送端、光接收端分開測試。（4）、電路測試完全正確。4總結 從 1 月 4 日到 1 月 9 日， 我們進行了為期二周的課程設計終于結束了，這次的課程設計給 我們很大的收獲，從對模擬電路的理論分析，和基本音頻電路的調制與設計。 在設計的初期由于我們的失誤， 沒有充分的認識到光模塊的使用方法和注意事項。導致我 們在設計初期的考慮過于簡單， 然后在調試的時候無法出現任何的現象。在這里我想感謝我們 的輔導老師， 在他不斷的解釋和點撥下我們才漸漸的了解到光模塊在整個電路設計中的地位和 作用. 調試是整個電路中最復雜的，