[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品] 基于usb接口的光纖圖像通信系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)論文</b></p><p>　　基于USB接口的光纖圖像通信系統(tǒng)</p><p><b>　　總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系 （部）：電子與通信工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p&

2、gt;<p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 教授 </p><p>　　2009 年 6 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要研究的是

3、圖像由計(jì)算機(jī)發(fā)出，經(jīng)過USB接口、數(shù)字圖像處理模塊、光纖傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)收發(fā)軟件又傳回到計(jì)算機(jī)中的整個(gè)過程中的模塊設(shè)計(jì)。本文中詳細(xì)進(jìn)行了數(shù)字圖像處理模塊、USB接口的方案設(shè)計(jì)已及計(jì)算機(jī)收發(fā)軟件的方案設(shè)計(jì)。在USB接口設(shè)計(jì)中分別進(jìn)行了軟件與硬件的設(shè)計(jì)，USB軟件方面我們要求接口能夠成功完成編譯碼，在本文中我們采用的是CMI編譯碼，在硬件方面設(shè)計(jì)了接口電路，以及接口芯片與驅(qū)動(dòng)的選擇。在計(jì)算機(jī)收發(fā)軟件方面我們用VB或者C++編一個(gè)接口控制程序

4、以及收發(fā)界面，在光纖傳輸模塊研究光纖收發(fā)系統(tǒng)。USB接口、計(jì)算機(jī)收發(fā)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)由項(xiàng)目的其他成員完成，我負(fù)責(zé)總體方案設(shè)計(jì)與光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過其他成員設(shè)計(jì)所的結(jié)果顯示圖像能夠無(wú)失真的傳輸，證時(shí)了此方案的可行。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光纖通信實(shí)驗(yàn)，USB接口，圖像傳輸</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>

5、;　　This paper is issued by a computer image through USB interface, digital image processing module, optical transmission systems, computer software to send and receive images in order to achieve the transfer. In this pap

6、er, a detailed digital image processing module, USB interface of the program design and program computer software designed to send and receive. USB interface in the design of a separate software and hardware design, USB

7、interface software, we ask the codec can be successfully comple</p><p>　　Keywords: Optical fiber communication experiment, USB interface, and image transmission</p><p><b>　　目 錄</b>&

8、lt;/p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1USB簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.2 光纖通信介紹2</p><p>

9、;　　1.3 項(xiàng)目的研究及意義3</p><p>　　1.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章總體方案設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 光纖圖像傳輸系統(tǒng)圖4</p><p>　　2.2計(jì)算機(jī)圖像收發(fā)軟件設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　2.2.1需求分析5</p><p>

10、;　　2.2.2設(shè)計(jì)所要達(dá)到效果6</p><p>　　2.3 USB接口設(shè)計(jì)方案6</p><p>　　2.3.1需求分析6</p><p>　　2.3.2 設(shè)計(jì)所要達(dá)到的效果8</p><p>　　2.3.3 USB編碼與譯碼方式9</p><p>　　第3章光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)11</p>

11、<p>　　3.1光纖通信基本原理11</p><p>　　3.2光纖發(fā)送系統(tǒng)11</p><p>　　3.2.1光源LD12</p><p>　　3.2.2光發(fā)送端機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制原理13</p><p>　　3.3光纖接收系統(tǒng)14</p><p>　　3.4光纖系統(tǒng)性能指標(biāo)介紹16</p&g

12、t;<p>　　3.5光纖線路編碼及實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　3.5.1 光纖線路編碼原理18</p><p>　　3.6 編譯碼器原理及實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　3.6.1 編碼器原理19</p><p>　　3.6.2 解碼器原理19</p><p>　　3.6.3 CMI編譯碼2

13、0</p><p><b>　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><

14、b>　　1.1 USB簡(jiǎn)介</b></p><p>　　USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是”通用串行總線”。 通用串行總線USB是用于將適用USB的外圍設(shè)備連接到主機(jī)的外部總線結(jié)構(gòu)。它不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。早在1995年，就已經(jīng)有PC機(jī)帶有USB接口了，但由于缺乏軟件及硬件設(shè)備的支持，這些PC機(jī)的USB接口都閑置未用。1998

15、年后，隨著在Windows 98中內(nèi)置對(duì)USB接口的支持模塊，加上USB設(shè)備的日漸增多，USB接口才逐步走進(jìn)了實(shí)用階段。USB接口的優(yōu)點(diǎn)是支持熱插拔，在開機(jī)情況下，可以安全的連接或斷開設(shè)備，達(dá)到真正的即插即用。計(jì)算機(jī)硬件很少有機(jī)會(huì)從頭開始。任何新東西都要和它前面的東西保持兼容，這對(duì)計(jì)算機(jī)本身和它們要連接的外社是必須滿足的。目前個(gè)人計(jì)算機(jī)的外接規(guī)格十分混亂，每個(gè)周邊外設(shè)都是單獨(dú)與計(jì)算機(jī)連接，無(wú)疑從成本和配置的問題上看都是不利的，而這正是U

16、SB要解決的一個(gè)問題。要有效地解決上述存在的問題，保證新舊設(shè)備的兼容性這就需要實(shí)現(xiàn)USB與常規(guī)的串口之間的轉(zhuǎn)換。目前，在接口的轉(zhuǎn)換方案上從USB到串口的轉(zhuǎn)換技術(shù)趨向成熟，所以本文要討論的是如何在保證其可行性上實(shí)現(xiàn)USB</p><p>　　USB的基本構(gòu)架可以分為3個(gè)部分：USB主機(jī)控制器/根集線器，USB集線器以及USB設(shè)備[1]。USB是通過PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。USB同時(shí)又是一

17、種通信協(xié)議，支持主機(jī)和USB的外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前較多設(shè)備支持的是USBl. 0，最新的USB2. 0在2000年4月已正式發(fā)布。目前 USB3. 0還未正式普及。USB2. 0有全速和低速兩種方式，低速方式的速率為1. 5Mpbs，全速模式為12Mpbs。在USB2. 0中增加了一種高速方式，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)480 Mpbs，可以滿足更加高速的外設(shè)需要。USB一個(gè)接口適合多種設(shè)備，自動(dòng)識(shí)別、配置，不需要用戶設(shè)定，并為其它設(shè)備空出了

18、硬件資源。USB接口易于連接、從總線上得到電源，而不需要自己提供電源、低成本、低功耗。對(duì)于使用帶有通用串行總線(USB)結(jié)PC的用戶，不需要打開機(jī)蓋手工配置系統(tǒng)I/0及為不同的外設(shè)接口而發(fā)愁，只需極其簡(jiǎn)單地安裝與配置即可使用外設(shè)。USB提供即插即用(Plug&Play)和熱插拔功能，可以在不斷電的情況下直接將外設(shè)連接到USB上，且馬上就可以被系統(tǒng)識(shí)別使用。所有USB外設(shè)接口“One</p><p>　　1

19、.2 光纖通信介紹</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的更新速度不斷提高，人們的思想文化素質(zhì)也不斷提高，對(duì)圖像的要求也越來越高。Visual Basic與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言一樣，具有很強(qiáng)的數(shù)字圖像處理功能，并具有其獨(dú)特的圖形環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)就是初步設(shè)計(jì)了這么一個(gè)方案，利用USB接口與光纖傳輸圖像。</p><p>　　我國(guó)光纖通信技術(shù)發(fā)展速度之快令世界矚目，目前,敷設(shè)光纖

20、總長(zhǎng)度達(dá)2 500萬(wàn)km、投資近20條海底光纜，已基本上掌握了100 Gb/s的同步數(shù)字體系高速光通信系統(tǒng)技術(shù)、288芯和648芯帶狀光纜生產(chǎn)技術(shù)以及應(yīng)用到同步數(shù)字體系高速光通信系統(tǒng)中的光放大器生產(chǎn)技術(shù)等；可以說，我國(guó)已成為少數(shù)幾個(gè)能夠自行研制大容量高速光傳輸系統(tǒng)并投入商業(yè)開發(fā)應(yīng)用的國(guó)家之一。但應(yīng)該看到的是我國(guó)光纖通信設(shè)備所需的一些關(guān)鍵技術(shù)、元器件、材料仍部分依賴進(jìn)口[2]。所以，今后光傳輸仍應(yīng)是信息產(chǎn)業(yè)建設(shè)發(fā)展的重點(diǎn)。日漸成熟的光纖通

21、信技術(shù)已經(jīng)和正在為信息的擴(kuò)容和IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，而21世紀(jì)的光纖通信技術(shù)必將迎來一個(gè)飛速發(fā)展的新高潮，向著高速率、大容量、性能價(jià)格比合理的全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。所以用光纖傳輸圖像更有發(fā)展?jié)摿?，順?yīng)了發(fā)展的要求。</p><p>　　現(xiàn)階段，光纖通信網(wǎng)絡(luò)在逐漸取代原先的電纜網(wǎng)絡(luò)，信息傳遞的容量也日益劇增。在資源共享的趨勢(shì)下，越來越多的用戶希望把信息上傳與大家共享，例如圖像。</p><p

22、>　　光纖傳輸與電纜傳輸相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(l)損耗極低，中繼距離很長(zhǎng)。商品石英光纖現(xiàn)已達(dá)到的損耗水平是在1.3刀m波長(zhǎng)處損耗是0.35dB/kln，在1.55刀m波長(zhǎng)處損耗是0.20dB/km，這比最好的同軸電纜的損耗的百分之一還要低。</p><p>　　(2)頻帶極寬，傳輸容量很大。光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，理論上一對(duì)單模光纖可傳2.5億個(gè)話

23、路，是同軸電纜的幾百倍。若采用多個(gè)光源的波分復(fù)用，則帶寬更大。</p><p>　　(3)抗電磁干擾性能好。光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場(chǎng)的干擾和閃電雷擊的損壞。</p><p>　　(4)保密性能好。在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無(wú)法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。</p><p>　　

24、(5)溫度穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)。與銅線和同軸電纜相比，光纖的溫度系數(shù)極小，其傳輸特性基本不隨溫度而變，故光纖傳輸系統(tǒng)十分穩(wěn)定可靠，而且不易老化。由于光纖通信具有以上獨(dú)特的優(yōu)越性，它已成為圖像傳輸系統(tǒng)中不可取代的傳輸介質(zhì)。</p><p>　　而另一方面，計(jì)算機(jī)接口的統(tǒng)一化成為現(xiàn)在討論的重點(diǎn)話題?，F(xiàn)在，USB接口以其各種優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的人所接受，按這種趨勢(shì)發(fā)展，我們大膽猜想，將來可能大部分接口將被USB接口所取代。所

25、以我的選題從小的方面能為教學(xué)用光纖圖像傳輸實(shí)驗(yàn)的發(fā)展提供條件。</p><p>　　1.3 項(xiàng)目的研究及意義</p><p>　　本項(xiàng)目主要是設(shè)計(jì)出USB接口、光纖傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)收發(fā)軟件系統(tǒng)的方案，為具體設(shè)計(jì)這幾個(gè)模塊提供依據(jù)，通過具體設(shè)計(jì)后保證圖像能在此系統(tǒng)中傳輸不失真。本項(xiàng)目選題為“基于USB接口的光纖圖像通信系統(tǒng)”從實(shí)際的方面來看它能作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)推廣。這個(gè)項(xiàng)目從一定程度上可用于實(shí)驗(yàn)

26、室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將其完成后可向同學(xué)演示信號(hào)在光纖中的傳輸情況，在實(shí)驗(yàn)中使更多的同學(xué)了解USB接口與光纖通信。</p><p>　　1.4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容</p><p>　　本文主要完成整體方案設(shè)計(jì)，包括計(jì)算機(jī)收發(fā)界面以及接口程序所要達(dá)到的效果，USB接口設(shè)計(jì)的具體要求、所達(dá)到的效果以及它所滿足的特性，光纖傳輸所具備的條件以及光纖圖像傳輸系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)。并利用課題組其他成員的設(shè)計(jì)成果給出最

27、后結(jié)果，證明該方案的可行性即圖像能夠正常傳輸。</p><p><b>　　第2章總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 光纖圖像傳輸系統(tǒng)圖</p><p>　　圖像數(shù)據(jù)信號(hào)從外接的PC機(jī)上經(jīng)過USB接口送入數(shù)字圖像傳輸模塊，由該模塊的USB（USB301）的接口進(jìn)入，經(jīng)過編譯碼送到光發(fā)送端機(jī)進(jìn)行電光交換，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)光纖信

28、道傳輸再由光接收端機(jī)完成光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)恢復(fù)，再送回到數(shù)字圖像傳輸模塊恢復(fù)成原始圖像信號(hào)，再傳回到外接的PC機(jī)上進(jìn)行顯示[6]。初步設(shè)計(jì)外接PC機(jī)采用的USB口為USB301，控制芯片為U302，其型號(hào)為AT89C2051。圖2.1為基于USB接口進(jìn)行光纖圖像傳輸總體系統(tǒng)圖。開關(guān)K301的作用是決定圖像信號(hào)是由1310波長(zhǎng)的光纖進(jìn)行傳輸還是由1550波長(zhǎng)的光纖進(jìn)行傳輸。</p><p>　　圖2.1光纖圖像傳輸?shù)目?/p>

29、體圖</p><p>　　設(shè)計(jì)中采用的是比較普遍使用的1 310nm/1 550nm波分復(fù)用，其中光發(fā)射/接收模塊1工作波長(zhǎng)為1 310nm，光發(fā)身打接收模塊2工作波長(zhǎng)為1 550nm，采用波分復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)了圖像信息的傳輸。光纖傳輸模塊中采用波分復(fù)用方式將經(jīng)光發(fā)射模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，由光纖進(jìn)行信息傳輸。在信息的接收端首先由光接收模塊將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過密集波分復(fù)用方式將信息還原為原有的圖像信

30、息。整個(gè)系統(tǒng)傳輸過程中主要包括3個(gè)模塊，計(jì)算機(jī)收發(fā)模塊、USB模塊、光纖傳輸模塊。</p><p>　　2.2 計(jì)算機(jī)圖像收發(fā)軟件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　圖像通過光纖接口傳到計(jì)算機(jī)上，需要有個(gè)收發(fā)軟件，以便使圖像在計(jì)算機(jī)上能夠精確的傳播。此模塊我的設(shè)計(jì)理念是用Visual Basic或者C++設(shè)計(jì)出一款光纖圖像通信系統(tǒng)中控制圖像收發(fā)的軟件。用計(jì)算機(jī)通過USB接口與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接后，在計(jì)

31、算機(jī)上運(yùn)行圖像收發(fā)軟件，完成圖像的光纖傳輸全過程。</p><p><b>　　2.2.1需求分析</b></p><p>　　此模塊所實(shí)現(xiàn)的圖像收發(fā)是以光纖為介質(zhì)而進(jìn)行的通信系統(tǒng)，利用VB[9]或者C++和Winsock為編程環(huán)境來實(shí)現(xiàn)制作和開發(fā)過程，通過對(duì)光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析，需求分析和設(shè)計(jì)逐步將一個(gè)圖像收發(fā)的開發(fā)過程呈現(xiàn)出來。整個(gè)過程中沒有刻意追求專業(yè)性和

32、商品化軟件的華麗包裝，而是本著簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，既在功能上滿足用戶的需求，又力求操作簡(jiǎn)便，使本系統(tǒng)容易掌握和使用。</p><p>　　對(duì)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的計(jì)算機(jī)環(huán)境如下：</p><p>　?。?）計(jì)算機(jī)軟件配置：</p><p>　　操作系統(tǒng)，Windows 2000中文版或者Windows XP中文版或者Windows Vistal中文版。采用Visual Bas

33、ic 6.0或者C++[3]軟件開發(fā)環(huán)境。</p><p>　?。?）計(jì)算機(jī)硬件配置：</p><p>　　CPU，PentiunII266或更高</p><p>　　內(nèi)存，512MB或以上</p><p><b>　　硬盤，10GB以上</b></p><p>　　顯示器，VGA或更高</

34、p><p>　　大體將此軟件分為三個(gè)部分：界面設(shè)計(jì)；圖形建模；網(wǎng)絡(luò)接受。設(shè)計(jì)時(shí)也主要從此三方面考慮。</p><p>　　界面設(shè)計(jì)須考慮到用戶的各種狀況，制定出一個(gè)適合使用者使用的軟件，使用者的腦力是必須被考慮的，由于人的生理特性，記憶力是有限的，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)界面時(shí)要結(jié)合提示等等，不要給用戶太大的壓力。</p><p>　　軟件的界面要求：將圖形組件化，并且鼠標(biāo)操作，

35、能夠僅僅在鼠標(biāo)動(dòng)作下，實(shí)現(xiàn)對(duì)容器中的圖形拖動(dòng)，縮放。另外轉(zhuǎn)動(dòng)也是必不可少的一個(gè)基本動(dòng)作，再者需要能對(duì)圖形做標(biāo)注。</p><p>　　從上面簡(jiǎn)單的需求看來，鍵盤就是輸入地址，現(xiàn)在需要重點(diǎn)考慮的鼠標(biāo)事件以及系統(tǒng)內(nèi)部事件響應(yīng)。為了操作上的方便，我們選用用框架結(jié)構(gòu)，這樣子基本保證了鼠標(biāo)操作的完整性。將需要插入的圖形組件化，然后對(duì)應(yīng)給一個(gè)菜單命令。</p><p>　　當(dāng)然，在容器中我們要對(duì)鼠標(biāo)位

36、置進(jìn)行捕獲，然后還要開辟一個(gè)空間用于顯示從網(wǎng)絡(luò)上獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此將容器分為三大塊是由必要的，一塊工作區(qū)，第二塊做參數(shù)顯示區(qū)，第三塊做鼠標(biāo)位置和標(biāo)簽區(qū)。這些當(dāng)然還不是最終的方案，比如參數(shù)顯示的問題，為了方便用戶和獲得注意力，我們可能又需要專門為之做個(gè)框架。</p><p>　　2.2.2設(shè)計(jì)所要達(dá)到效果</p><p>　　應(yīng)用程序操作界面需美觀，并且能夠盡可能的實(shí)現(xiàn)多樣化功能，例如：能

37、夠顯示圖像的基本信息，能夠自動(dòng)控制接收時(shí)間，界面大方、美觀，隨時(shí)獲知圖像的傳輸動(dòng)態(tài)且要求所傳的圖像不失真、傳輸速率快等要求。還要有負(fù)責(zé)加載菜單，對(duì)窗口動(dòng)作做響應(yīng)，加載工作容器；要有各種菜單，用于添加各種菜單命令；要有各種容器，添加彈出菜單。波形顯示也要要求清晰，穩(wěn)定性也需強(qiáng)些。</p><p>　　2.3 USB接口設(shè)計(jì)方案</p><p>　　目前市場(chǎng)上USB有兩個(gè)規(guī)范，即USB1.1和

38、USB2.0。USB1.1是目前較為普遍的USB規(guī)范，其高速方式的傳輸速率為12Mbps，低速方式的傳輸速率為1.5Mbps。由于我們此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要為學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用，所以在傳輸速率上要求沒那么嚴(yán)格，綜合考慮采用USB1.1就能滿足要求了。</p><p>　　此模塊設(shè)計(jì)，分為軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面需要設(shè)計(jì)出硬件的電路圖，并詳細(xì)研究各個(gè)板塊的功能并用proteus軟件進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與仿真。軟件方面

39、需要開發(fā)一個(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序以及需要有編譯碼模塊。</p><p><b>　　2.3.1需求分析</b></p><p>　　在USB硬件電路的設(shè)計(jì)中，本著節(jié)約材料和器件以及價(jià)格方面等方面的考慮我們需盡量簡(jiǎn)化些。</p><p>　　在選擇芯片時(shí)，用戶一般考慮的是芯片含有的功能、價(jià)位、是否容易取得以及是否容易開發(fā)等因素。一個(gè)芯片是否容易開

40、發(fā)與開發(fā)工具是否容易取得及其品質(zhì)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，有無(wú)示例程序代碼，以及對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)等的了解而定。所以我們需綜合考慮其信價(jià)比，選擇出合適的芯片。目前，市場(chǎng)上可供選擇的USB接口芯片很多，按照功能基本上分為兩類:一類是純粹的USB接口芯片或通用USB外設(shè)接口芯片(也稱USB設(shè)備器件)；另一類是帶有USB接口芯片的單片機(jī)(也稱USB主控制器)。</p><p>　?。?）帶USB接口的單片機(jī)(USB主控制器)</

41、p><p>　　這類芯片主要有Cypress公司的CY7C63xxx/CY7C64xxx系列和EZ-USB， Intel公司的8X930/8x931, Philips公司的ISP 1161 (USB 1.1) / ISP I 561 (USB2.0 ), Scanlogic的SL11R以及Motorola的MC68HC908JB8系列等。這種方案的最大好處在于開發(fā)難度較小，因?yàn)榇蠖鄶?shù)這樣的單片機(jī)芯片都是基于8051結(jié)

42、構(gòu)或者其它常見的結(jié)構(gòu)，有自己的精簡(jiǎn)指令集，與單片機(jī)類似，熟悉單片機(jī)開發(fā)的開發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令集非常熟悉，但其開發(fā)一般需要專用的仿真器，對(duì)于簡(jiǎn)單或低成本系統(tǒng)，價(jià)格高將會(huì)是最大的障礙。</p><p>　?。?）純粹的USB外設(shè)接口芯片(USB設(shè)備器件)</p><p>　　這類芯片主要有NS公司的USBN9602/9603/9604, Scan logic的SUIT以及Philips公司的

43、PDIUSBD11/PDIUSBD12 (USB1.1) /ISP1581 (USB2.0)等。純粹的USB外設(shè)接口芯片僅處理USB總線相關(guān)事務(wù)，必須有一個(gè)外部微處理器來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。這種方案的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口形式多樣、可靠性高、靈活性大，尤其適合于產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是開發(fā)者需要非常熟悉USB協(xié)議，還必須用微處理器來控制USB外設(shè)接口芯片的工作[5]。</p><p>　　通過綜合考慮我們初步

44、決定選擇PDIUSBD 12芯片。因?yàn)镻DIUSBD 12是一款性價(jià)比很高的USB器件，可使設(shè)計(jì)者選擇最合適的微控制器，減少開發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)及費(fèi)用，是最實(shí)用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的USB外設(shè)的方案。該芯片支持一個(gè)控制端點(diǎn)以及4個(gè)額外的端點(diǎn)地址。一個(gè)端點(diǎn)的緩沖區(qū)可以儲(chǔ)存到128個(gè)字節(jié)，而雙緩沖區(qū)可以到256個(gè)字節(jié)。PDIUSBD 12通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用接口，并支持本地DMA傳輸。PDIUSBD 12完全符

45、合USB1.1規(guī)范，并符合大多數(shù)器件的分類規(guī)格:成像類、海量存儲(chǔ)器件、通信器件、打印設(shè)備以及人機(jī)接口設(shè)備。同樣地，PD12還適用于打印機(jī)、掃描儀、外部存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)等等。另外，該芯片還集成了許多特性，包括SoftConnect, GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器集合，簡(jiǎn)化USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用。當(dāng)然在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中對(duì)于芯片的我們可以有其他選擇。PD12共有28個(gè)管腳，具有S028和TSSOP28兩種封裝形式

46、，管腳圖如圖4具體的管腳功能如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 PD12管腳圖</p><p>　　在選擇USB總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須遵循由Microsoft為Windows 98及其以后版本所定義的Win32驅(qū)動(dòng)程序模型。這些驅(qū)動(dòng)程序就是WDM(Windows Driver Model),其擴(kuò)展名一般為.sys(當(dāng)然其他文件類型也可以使用.sys擴(kuò)展名)。它與VXD和NT式的驅(qū)

47、動(dòng)程序不同，它是內(nèi)核態(tài)程序，采用了分層處理的方式，不需要直接和硬件打交道。</p><p>　　在此次USB總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的選擇中使用標(biāo)準(zhǔn)Windows系統(tǒng)USB類驅(qū)動(dòng)程序訪問USBDI(USB驅(qū)動(dòng)程序接口)。USBD.sys文件就是Windows系統(tǒng)中的USB類驅(qū)動(dòng)程序，它使用UHCD.sys來訪問通用的主控制器接口設(shè)備，或使用OHCI.sys訪問開放式主控制器接口設(shè)備。USBHUB.sys是根集線器和外部集

48、線器的USB總線驅(qū)動(dòng)程序。</p><p>　　2.3.2 設(shè)計(jì)所要達(dá)到的效果</p><p>　　我對(duì)此模塊設(shè)計(jì)好后能夠達(dá)到的要求如下：</p><p>　?。?）USB接口要能夠保證圖像不失真的傳輸，并且能夠傳輸大容量的圖像，傳輸速度要快，能夠傳輸多種格式的圖片。</p><p>　?。?）USB一個(gè)接口要適合多種設(shè)備，自動(dòng)識(shí)別、配置，不

49、需要用戶設(shè)定，并為其它設(shè)備空出硬件資源，不需要自己提供電源、低成本、低功耗，傳輸速率要盡量大，設(shè)想傳輸率達(dá)480 Mpbs以上。</p><p>　?。?）USB要能夠有全速和低速兩種方式，且提供即插即用和熱插拔功能，反應(yīng)速率要快。</p><p>　?。?）USB要能夠與光纖接口很好的吻合，能夠自動(dòng)識(shí)別靈敏度高。并支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。</p><p>　

50、?。?）USB要有穩(wěn)定的特性，能夠抗高溫與低溫，同時(shí)要能保證外圍環(huán)境的改變其物理特性不能改變。</p><p>　?。?）USB外形要輕巧、美觀。</p><p>　?。?）USB要能保證圖像數(shù)據(jù)在其中傳輸時(shí)使用NRZI編碼和NRZ編碼的差分信號(hào)，這樣能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾。</p><p>　?。?）USB要能夠使用4根線：5V電源線(Vbus)，差分

51、數(shù)據(jù)線負(fù)(D-)，差分?jǐn)?shù)據(jù)線正(D+)。</p><p>　　（9）USB總線能夠提供SV、soon1A的直流電源，外圍設(shè)備能夠直接通過總線進(jìn)行供電。</p><p>　?。?0）不需占用系統(tǒng)資源與IsA、PCI設(shè)備不同，USB設(shè)備不需占用內(nèi)存和1/0</p><p>　　地址空間，而且也不需要中斷請(qǐng)求。</p><p>　?。?1）能夠支持

52、四種傳輸方式USB協(xié)議定義了四種不同的傳輸方式來滿足不同設(shè)</p><p>　　備的要求，這些傳輸方式包括:控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。</p><p>　　2.3.3 USB編碼與譯碼方式</p><p>　　在USB模塊中有個(gè)編譯碼過程。當(dāng)PC主機(jī)對(duì)設(shè)各發(fā)出控制信號(hào)時(shí)，所有連接的設(shè)各都通過根集線器收到同樣的信號(hào)，但是經(jīng)過對(duì)比所配置的設(shè)各地址后，只能有

53、一個(gè)設(shè)備作出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，這跟網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)有點(diǎn)類似。因此對(duì)一個(gè)設(shè)各而言，不僅要無(wú)誤地接收主機(jī)端所送來的數(shù)據(jù)，又要正確地發(fā)出響應(yīng)的信號(hào)。因此，在D＋與D-的差動(dòng)數(shù)據(jù)線上就必須采用一種特別的編號(hào)方式再加以傳送出去，以解決在USB纜線所產(chǎn)生信號(hào)延遲以及誤差等問題。</p><p>　　在此，USB采用了NRZI（Non Return to Zero Invert，不歸零就反向）的編碼方式，無(wú)須同步的時(shí)鐘信號(hào)也能產(chǎn)生同步的

54、數(shù)據(jù)存取。NRZI的編碼規(guī)則是，當(dāng)數(shù)據(jù)位為“1”時(shí)不轉(zhuǎn)換，為“0”時(shí)再作轉(zhuǎn)換。如圖2.3所示，顯示了NRZI編碼的范例。位傳輸?shù)捻樞蛞訪SB（最低位）為優(yōu)先。</p><p>　　圖2.3 NRZI編碼的范例說明</p><p>　　NRZI編碼的數(shù)字再生回路的數(shù)字邏輯電路如圖2.4所示。這樣，接收與傳輸器兩端的機(jī)制中，就無(wú)須先送出分離的時(shí)鐘信號(hào)，或者在每一個(gè)字節(jié)中添加起始或結(jié)束位（如RS

55、 － 232）。如果用戶使用示波器來觀察這種USB數(shù)據(jù)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)它不像其他的接口，可以以邏輯準(zhǔn)位來讀取這些傳送或接收的位。</p><p>　　圖2.4 NRZI編碼的數(shù)字邏輯電路</p><p>　　這樣的編碼方式會(huì)遇到一個(gè)很嚴(yán)重的問題：若重復(fù)相同的“1”信號(hào)一直進(jìn)入時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法轉(zhuǎn)換，逐漸地累積而導(dǎo)致“塞車”的狀況，使得讀取的時(shí)序就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤。因此，在NRZI編碼之間

56、，還需執(zhí)行所謂的位填塞（bits-tuffing）的工作。因此在發(fā)送端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，須先執(zhí)行位填塞和NRZi編碼的工作。相對(duì)的，在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收之前，就必須先執(zhí)行NRZI譯碼，然后再做位反填（unbit-tuffing）的工作。這一部分的電路會(huì)通過USB芯片中的SIE（串行接口引擎）來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　第3章光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 光纖通信基本原理&

57、lt;/p><p>　　光纖通信是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。在通信系統(tǒng)中，發(fā)送信息端叫信源，接收端叫信宿。信源的信號(hào)通過調(diào)制通過電纜和電磁波發(fā)送到信宿端，在信宿端將接收信號(hào)解調(diào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的恢復(fù)，從而完成信號(hào)的傳輸。光纖通信是在信源端需要將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)叫潘薅?，再將光信?hào)轉(zhuǎn)化為原始的電信號(hào)的一個(gè)過程。實(shí)現(xiàn)光纖通信除了需要將傳統(tǒng)多樣的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的裝置即圖所示的電端機(jī)，還需要

58、有傳輸光信號(hào)的介質(zhì)以及將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，所以在光纖通信中有三個(gè)主要的技術(shù)問題:便于應(yīng)用且性能優(yōu)良的光源;能長(zhǎng)距離傳輸光信號(hào)的傳輸介質(zhì)；靈敏的接收光信號(hào)并能把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的光檢測(cè)器。</p><p>　　3.2 光纖發(fā)送系統(tǒng)</p><p>　　光發(fā)送系統(tǒng)由信號(hào)源、信號(hào)選擇開關(guān)、接口電路和光發(fā)送模塊五部分組成，如圖3.2所示。</p><p>　　圖3

59、.2光發(fā)送系統(tǒng)圖</p><p>　　光發(fā)送模塊的主要器件是光發(fā)射機(jī)。</p><p>　　光發(fā)射機(jī)主要由光源、驅(qū)動(dòng)電路、輸入電路、保護(hù)報(bào)警電路、自動(dòng)偏置控制電路、控溫電路以及數(shù)據(jù)模式控制電路等幾部分組成，如圖3.3所示。</p><p><b>　　圖3.3光發(fā)射機(jī)圖</b></p><p>　　電信號(hào)首先進(jìn)入輸入電路

60、，在這里將輸入電信號(hào)進(jìn)行整形并完成非歸零／歸零變換。源驅(qū)動(dòng)電路給光源一個(gè)預(yù)偏置電流，以便提高工作速度，為穩(wěn)定輸出平均光功率和工作溫度，設(shè)置自動(dòng)偏置控制電路和控溫電路，輸入電信號(hào)通過調(diào)制光源工作電流的辦法，將電信號(hào)調(diào)制在光波上。</p><p><b>　　3.2.1光源LD</b></p><p>　　光源是把電信號(hào)變成光信號(hào)的器件，在光纖通信中占有重要的地位。性能好

61、壽命長(zhǎng)、使用方便的光源是保證光纖通信系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵。光纖通信對(duì)光源的基本要求有如下幾個(gè)方面:</p><p>　　首先，光源發(fā)光的峰值波長(zhǎng)應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，要求材料色散較小。</p><p>　　其次，光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應(yīng)在10微瓦到數(shù)毫瓦之間。</p><p>　　第三，光源應(yīng)具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬(wàn)小時(shí)以上才能滿足光纖通

62、信工程的需要。</p><p>　　第四，光源的輸出光譜不能太寬以利于傳輸高速脈沖。</p><p>　　第五，光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。</p><p>　　第六，電光轉(zhuǎn)換效率不應(yīng)太低，否則會(huì)導(dǎo)致器件嚴(yán)重發(fā)熱和縮短壽命。</p><p>　　第七，光源應(yīng)省電，光源的體積、重量不應(yīng)太大。光纖通信系統(tǒng)中，幾乎無(wú)例外采用半導(dǎo)體激

63、光器(LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)作為光源。LED是自然發(fā)光，光輸出功率小，發(fā)射角較大，與光纖的禍合效率低;但其受溫度影響較小，光輸出功率恒定且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，因而在模擬光纖傳輸系統(tǒng)和中、小距離數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。LD是受激發(fā)光，入纖光功率大，調(diào)制速率高，主要用于大容量、中長(zhǎng)距離數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中;其缺點(diǎn)是受溫度影響大，需加自動(dòng)功率控制電路以保證輸出光功率的恒定?？紤]到在本光纖通信系統(tǒng)所需的無(wú)中繼傳輸距離是50公里，傳輸

64、距離較長(zhǎng)，因而選用入纖光功率大的LD作為系統(tǒng)光源。</p><p>　　LD的輸出特性受環(huán)境溫度變化和老化效應(yīng)的影響變化較大，這些變化主要表現(xiàn)在LD的閡值和微分量子效率的變化上，隨著溫度的升高，LD的閩值減小，微分量子效率下降，溫度越高，曲線斜率就變得越小，即LD的電光轉(zhuǎn)換效率越為了穩(wěn)定LD的輸出光功率不變，簡(jiǎn)單有效的控制方法是調(diào)整驅(qū)動(dòng)LD的直流偏置電流，即當(dāng)閩值電流發(fā)生變化時(shí)，其直流偏置電流隨即發(fā)生相應(yīng)的變化，

65、以保證在LD的調(diào)制電流不變的條件下，保持LD的輸出光功率恒定不變。通過調(diào)整LD的直流偏置電流從而達(dá)到穩(wěn)定其輸出光功率恒定不變的自動(dòng)光功率控制的方法很多，目前在光纖通信系統(tǒng)中普遍采用平均光功率反饋控制法，這種控制方法比較簡(jiǎn)單，而且其控制效果也比較好。</p><p>　　3.2.2光發(fā)送端機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制原理</p><p>　　光源的驅(qū)動(dòng)部分和自動(dòng)功率控制部分是光端機(jī)的核心部分，它們決定著光發(fā)

66、射機(jī)的輸出光信號(hào)的有無(wú)及輸出光功率的穩(wěn)定與否。可以說驅(qū)動(dòng)電路和自動(dòng)功率控制電路是整個(gè)通信系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是決定系統(tǒng)性能優(yōu)劣的首要因素。</p><p><b>　?。?）驅(qū)動(dòng)電路原理</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路的作用是將電功率轉(zhuǎn)換成光功率，并將要傳輸?shù)碾娦盘?hào)調(diào)制到光源的輸出上。因?yàn)長(zhǎng)D是一個(gè)閡值器件，當(dāng)工作電流低于閩值時(shí)，LD發(fā)射自然光，超過閉值時(shí)，LD

67、發(fā)射激光，因此驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能對(duì)LD同時(shí)提供偏置電流和隨信號(hào)而變化的調(diào)制電流。本通信系統(tǒng)中，光源受脈沖調(diào)制，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求是：</p><p>　　第一，輸出的光脈沖峰值始終保持恒定；</p><p>　　第二，“l(fā)”碼和“0”碼光脈沖的比值，即消光比大于等于10；</p><p>　　第三，光脈沖與電脈沖的暫態(tài)張弛振蕩必須加以阻尼，使其對(duì)系統(tǒng)性能不發(fā)生不良影

68、響。</p><p>　　為了滿足上面三個(gè)基本要求，首先必須給LD加上一個(gè)適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b。一般LD的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在稍低于閡值的區(qū)域內(nèi)，這樣LD便于高速工作，且導(dǎo)通和截止的功耗接近，延長(zhǎng)了LD的使用壽命。而且更為重要的是由于偏置電流是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)電流，用低速反饋電路就可控制其升高和降低，從而保持預(yù)計(jì)的輸出光穩(wěn)定。圖3.4是一個(gè)典型常用的LD驅(qū)動(dòng)電路，其原理如下。</p><p>　　圖3

69、.4LD驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　在傳輸速率較高的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，一般采用這種電路。由圖可見它為雙端信號(hào)反相輸入，其輸入數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)相應(yīng)速率的集成元件整形以后，一般能達(dá)到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形要求，因此調(diào)整起來比較容易。同時(shí)由于Tl與TZ的基極所加的信號(hào)大小相等，相位相反，這樣可以進(jìn)一步提高電路的開關(guān)速度。這種驅(qū)動(dòng)電路的溫度穩(wěn)定性、抗電源干擾的性能都比較好。因?yàn)檫@些因素引起的變化等于驅(qū)動(dòng)的共模輸入。T3為恒流源電

70、路，它能加強(qiáng)對(duì)共模輸入信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，提高了這種LD驅(qū)動(dòng)電路的共模抑制比，使LD調(diào)制電流的穩(wěn)定性工作有了更有效的保證。</p><p>　　3.3 光纖接收系統(tǒng)</p><p>　　發(fā)射機(jī)發(fā)射的光信號(hào)，在光纖中傳輸時(shí)，不僅幅度被衰減，而且脈沖的波形被展寬。光接收機(jī)的作用，是探測(cè)經(jīng)過傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)，并放大、再生成原傳輸?shù)男盘?hào)。對(duì)強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，在接收端采用直接檢測(cè)(DD)方式。<

71、/p><p>　　光接收系統(tǒng)光接收模塊、信號(hào)接收選擇開關(guān)、接口電路組成，如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5光接收系統(tǒng)圖</p><p>　　光接收模塊中最重要的器件是光接收機(jī)。在光接收機(jī)中，首先需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即對(duì)光進(jìn)行解調(diào)，這個(gè)過程是由光電檢測(cè)器(光電二極管或雪崩光電二極管)來完成的。光電檢測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)送入前置放大器。前置放大器的噪

72、聲對(duì)整個(gè)放大器的輸出噪聲影響甚大，因此，它應(yīng)該是精心設(shè)計(jì)和制作的低噪聲放大器。主放大器的作用除提供足夠的增益外，它的增益還受AGC電路控制，傳輸出信號(hào)的幅度在一定的范圍那不受輸入信號(hào)幅度的影響。均衡濾波器的作用是保證判決時(shí)不存在碼間干擾。判決器和時(shí)鐘恢復(fù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行再生。如果在發(fā)射端進(jìn)行了線路編碼(或擾碼)，那么，在接收端需要有響應(yīng)的譯碼(或解擾)電路。</p><p>　　光接收機(jī)的主要功能是將接收的光信號(hào)變

73、換為原電信號(hào)，并且用自動(dòng)增益控制電路（AGC）保證穩(wěn)定的輸出，光接收機(jī)最主要的性能指標(biāo)是接收機(jī)靈敏度。在接收機(jī)的理論中，中心的問題也是如何降低輸入端的噪聲、提高接受靈敏度。靈敏度主要取決于光電檢測(cè)器的響應(yīng)度以及檢測(cè)器和放大器引入的噪聲。</p><p>　　光接收機(jī)方框圖如圖3.6所示，它由光檢測(cè)模塊、隔離器、主放大器和輸出接口組成。</p><p>　　3.6光接收機(jī)基本組成框圖<

74、/p><p>　　光檢測(cè)模塊主要用來完成光電的變換，它由接收光口、光檢測(cè)管及低噪聲放大電路等組成。光檢測(cè)管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是原子吸收一個(gè)光子的能量產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，這個(gè)電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)形成電流。光檢測(cè)器是它之中的核心。</p><p>　　光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心器件，它將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電脈沖信號(hào)。光纖通信中常用的光電檢測(cè)器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD

75、)。PIN光電二極管沒有倍增，使用簡(jiǎn)單，工作偏壓低，而且可以固定不變，不需要任何控制。APD具有很高的內(nèi)部倍增因子，它與合理設(shè)計(jì)的電子放大器結(jié)合，可以使APD工作在最佳倍增工作狀態(tài)。這樣的數(shù)字光接收機(jī)能夠得到比采用PIN光電檢測(cè)器的光接收機(jī)高10dB以內(nèi)的接收靈敏度。但由于APD需要較高的工作偏壓(幾十伏至兩百伏)以及其倍增特性受溫度的影響較嚴(yán)重，因此使用起來也比較復(fù)雜。</p><p>　　光纖通信系統(tǒng)對(duì)光電檢

76、測(cè)器的要求包括：</p><p>　　(l)對(duì)光纖通信系統(tǒng)光信號(hào)的工作波長(zhǎng)有較高的響應(yīng)度或靈敏度。</p><p>　　(2)響應(yīng)速度要快，即要求光電檢測(cè)器有足夠快的響應(yīng)速度或足夠?qū)挼膸?，使光電檢測(cè)器盡可能沒有失真或小失真地將接收到的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。</p><p>　　(3)引入的附加噪聲要小。光信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后到達(dá)接收端，由于各種衰耗，信號(hào)已變

77、的十分微弱，噪聲已相對(duì)較大，所以光電檢測(cè)器引入的噪聲電流應(yīng)越小越好。因?yàn)樵诠怆娹D(zhuǎn)換過程中引入的附加噪聲都必然會(huì)被后面的放大電路放大而不可能被消除。如果噪聲電流大到可以與光電轉(zhuǎn)換輸出電流相比擬時(shí)，信號(hào)被噪聲所淹沒，接收機(jī)無(wú)法從噪聲電流與信號(hào)電流的混雜中正確的判決再生出有用的信號(hào)，就會(huì)發(fā)生失真。所以光電轉(zhuǎn)換過程引入的噪聲大小，直接決定光接收機(jī)的性能指標(biāo)。噪聲的主要來源是暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲、倍增噪聲、量子噪聲和信號(hào)起伏噪聲等。在設(shè)計(jì)和使用時(shí)

78、應(yīng)盡可能根據(jù)噪聲的來源，把噪聲降到最小，從而提高信噪比。</p><p>　　(4)溫度特性要好。光電檢測(cè)器的特性受環(huán)境溫度的變化影響很大，特別是APD器件，溫度對(duì)其倍增因子和暗電流的影響十分嚴(yán)重。在工程應(yīng)用中，根據(jù)具體的光電檢測(cè)器溫度特性參數(shù)，一方面可以選用受溫度影響較小的APD器件或?qū)囟炔幻舾械腜IN光檢測(cè)器，另一方面可以采用溫度控制電路。其它的要求還有體積要小、壽命要長(zhǎng)、對(duì)電源要求低，以及要穩(wěn)定、可靠、便

79、宜。對(duì)兩種檢測(cè)器PIN和APD比較可知，PIN的電路簡(jiǎn)單，溫度穩(wěn)定性好，而且可以提供足夠的接收靈敏度，所以選用PIN光電檢測(cè)器。</p><p>　　根據(jù)以上對(duì)光電檢測(cè)器的要求，選擇相應(yīng)參數(shù)的PIN光電檢測(cè)器。本系統(tǒng)選用的是LS0型PIN集成光電接收組件，它是由工nGaASPIN管與GaASIC跨阻抗放大器經(jīng)薄膜集成技術(shù)組合而成的。靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬。適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)或其它光電接收裝置的光電檢測(cè)與前置放

80、大級(jí)中。</p><p>　　LSO型PIN集成光電接收組件特性參數(shù)如下:</p><p><b>　　(1)響應(yīng)度角</b></p><p>　　響應(yīng)度是表征光電轉(zhuǎn)換效率高低的物理量，是指光電檢測(cè)器的平均輸出電流I，與其平均入射光功率Po之比。</p><p><b>　?。?.1）</b><

81、;/p><p><b>　　(2)響應(yīng)時(shí)間</b></p><p>　　光電檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間是指從它接收到光子的時(shí)間起到它能夠有光生電流輸出的這段時(shí)間。目前，國(guó)產(chǎn)的PIN光電二極管的響應(yīng)時(shí)間一般小于Ins。</p><p>　　LS0型的響應(yīng)時(shí)間小于7ns。</p><p><b>　　(3)暗電流Id</b

82、></p><p>　　衡量光接收機(jī)性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是信噪比，尤其在模擬傳輸系統(tǒng)中，光接收機(jī)噪聲主要來源于光電檢測(cè)器及其后面的前置放大器。就光電檢測(cè)器而言，產(chǎn)生噪聲的原因之一是其暗電流的起伏。暗電流是指光電檢測(cè)器在無(wú)光照射時(shí)產(chǎn)生的電流。它主要是由熱激發(fā)而產(chǎn)生的載流子引起的。因此，暗電流與溫度有關(guān)。溫度越高，暗電流越大。暗電流隨溫度變化形成了噪聲。LSO型光電檢測(cè)器的暗電流小于InA。</p>

83、;<p>　　3.4 光纖系統(tǒng)性能指標(biāo)介紹</p><p>　?。?）誤碼率和靈敏度</p><p>　　在光纖數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖且幌盗袉螛O性“1”碼和“0”碼的脈沖碼元。每個(gè)碼元都代表一定信息。由于系統(tǒng)通道存在噪聲，噪聲電壓和信號(hào)電壓疊加往往造成誤碼，即接收端應(yīng)出現(xiàn)“1”碼時(shí)出現(xiàn)“0”碼，或者應(yīng)為“0”碼時(shí)出現(xiàn)“1”碼。衡量誤碼程度用誤碼率這一概念。產(chǎn)生的誤碼總數(shù)與總的發(fā)

84、送碼數(shù)目之比就是誤碼率。具體表達(dá)式如下:</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　上式中，Q是與誤碼率相對(duì)應(yīng)的參量，當(dāng)誤碼率為Pr=10-9時(shí)，對(duì)應(yīng)的值為Q=6；當(dāng)=10-5，時(shí)，則得Q=7.9。在本光纖通信系統(tǒng)中，誤碼率選</p><p>　　為Pr=10-5所以選Q=6作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。bmax和bmin。分別為發(fā)“

85、l”、“0”碼時(shí)的信號(hào)電壓；和。分別為“1”碼和“0”碼在各自的判決時(shí)刻的均方根噪聲電壓的平均值，即噪聲功率值。為了減小在判決中的誤碼率，可以從兩個(gè)不同的角度采取措施，即加大其輸入光功率，或者減小數(shù)字光接收機(jī)的輸出噪聲。但是加大輸入光功率的方法會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng)。所以要根據(jù)實(shí)際情況來制定切實(shí)可行的辦法。由此我們知道，數(shù)字光接收機(jī)的輸入光功率和誤碼率兩者是互相矛盾的。因此必須對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行人為的規(guī)定，即一般規(guī)定誤碼率為10-9這要求，

86、就可以找到數(shù)字光接收機(jī)所接收到的最小光功率作為其性能指標(biāo)，即接收靈敏度?？梢姅?shù)字光接收機(jī)在保證特定誤碼率的條件下，其輸出噪聲越小，接收所需要的光功率也就越小，其靈敏度也就越高。</p><p>　　光接收機(jī)的光接收機(jī)靈敏度用下式表示</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中，是在隨機(jī)碼情況下的接收平均光功率。它表

87、示光接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)，能夠接收微弱光信號(hào)的能力。提高靈敏度意味著能接收更微弱的光信號(hào)。</p><p>　　（2）自動(dòng)增益控制和動(dòng)態(tài)范圍</p><p>　　主放大器是一個(gè)普通的寬帶高增益放大器，由于前置放大器輸出信號(hào)幅度較大，所以主放大器的噪聲通常不必考慮。主放大器一般由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其功能是提供足夠的增益A，以滿足判決所需的電平。主放大器的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制(AG

88、C)，使光接收機(jī)具有一定的動(dòng)態(tài)范圍，以保證在入射光強(qiáng)度變化時(shí)輸出電流基本恒定。</p><p>　　動(dòng)態(tài)范圍(DR)的定義是:在限定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能承受的最大平均接收光功率Pmax和所需最小平均接收光功率Pmin的比值，用dB表示。根據(jù)定義</p><p>　　DR= (3.4)</p><p>　　動(dòng)

89、態(tài)范圍是光接收機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示光接收機(jī)接收強(qiáng)光的能力，數(shù)字光接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般應(yīng)大于15dB。由于使用條件不同，輸入光接收機(jī)的光信號(hào)大小要發(fā)生變化，如果傳輸數(shù)據(jù)速率很高的話，為實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用直流運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋控制電路來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于APD光接收機(jī)，AGC控制光檢測(cè)器的偏壓和放大器的輸出;對(duì)于PIN光接收機(jī)，AGC只控制放大器的輸出。 </p>&

90、lt;p>　　主放大器是一個(gè)低噪聲放大器，它將來自隔離器的弱電信號(hào)進(jìn)行放大，并輸出一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)電平到輸出接口。主放大器的增益可調(diào)，以適應(yīng)在不同的輸入信號(hào)情況下仍能保證輸出電平的穩(wěn)定。</p><p>　　3.5 光纖線路編碼及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.5.1 光纖線路編碼原理</p><p>　　在光纖通信中，線路編碼是必要的，因?yàn)殡姸藱C(jī)輸出的數(shù)字圖像信

91、號(hào)是適合電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合于光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。線路碼型變換是把原始的數(shù)字圖像比特流轉(zhuǎn)換成適合于傳輸煤質(zhì)傳輸?shù)男问?。因此，?duì)于不同的傳輸煤質(zhì)，有不同類型的線路碼型。在光纖通信系統(tǒng)中，既要考慮到光纖的傳輸特性又要考慮到光源器件和光檢測(cè)器的特性。</p><p>　　在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)采用二進(jìn)制二電平碼，即用光脈沖的“有”和“無(wú)”來表示數(shù)據(jù)的“1”和“0”碼線路編碼的作用，是將

92、傳送碼流轉(zhuǎn)換成便于在光纖中傳輸、接收及監(jiān)測(cè)的線路碼型。由于光源不可能有負(fù)光能，往往采用“0”，“1”二電平碼。但簡(jiǎn)單的二電平碼具有隨信息隨機(jī)起伏的直流和低頻分量，在接收端對(duì)判決不利，因此需要進(jìn)行線路編碼以適應(yīng)光纖線路傳輸?shù)囊蟆?lt;/p><p>　　一般說來，對(duì)光纖傳輸線路碼型的選擇主要考慮如下要求:</p><p>　　(l)序列獨(dú)立。這是對(duì)線路碼型最基本的要求，既無(wú)論對(duì)光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)

93、輸入什么樣序列的二進(jìn)制碼流，在接收端進(jìn)行碼型反變換時(shí)，能唯一正確的恢復(fù)原信號(hào)。</p><p>　　(2)能提供足夠的定時(shí)信息。</p><p>　　由于在光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)的傳輸中，只傳送信碼，而不傳送時(shí)鐘，因此在接收端，必須從收到的碼流中提取出定時(shí)信息，以利于上述的定時(shí)提取。必須限制線路碼流中同符號(hào)連續(xù)數(shù)不能過大，也就是說，應(yīng)避免長(zhǎng)連“0”及長(zhǎng)連“1”的出現(xiàn)，提高電平跳變的密度，是定時(shí)提

94、取較為簡(jiǎn)單。</p><p>　　(3)減少功率譜密度中的高低頻分量。</p><p>　　線路碼的功率譜密度中的低頻分量是由碼流中的“0”、“1”分布狀態(tài)來決定的，低頻分量小，說明“0”、“1”分布比較均勻，直流電平比較恒定，也就是信號(hào)基線浮動(dòng)小，有利于接收端判決電路的正常工作。高頻分量是由線路碼的速率決定的，這在帶寬(色散)限制系統(tǒng)中特別值得注意，在這種系統(tǒng)中，中繼距離主要由光纖線路的

95、總帶寬(總色散)決定，如果線路碼速率提高的太多，會(huì)使中繼距離大大縮短。</p><p><b>　　(4)誤碼倍增小。</b></p><p>　　線路傳輸中發(fā)生的一個(gè)誤碼，往往使接收端的解碼(反變換)發(fā)生多個(gè)錯(cuò)誤，這就是誤碼倍增，也叫誤碼擴(kuò)展或誤碼增值。由于誤碼倍增，使光接收機(jī)要達(dá)到原要求的誤碼性能指標(biāo)，必須付出光功率代價(jià)，即光接收機(jī)靈敏度劣化。因此誤碼倍增系數(shù)越小

96、越好。</p><p>　　(5)所選擇的線路碼型應(yīng)盡可能使設(shè)備簡(jiǎn)單，降低系統(tǒng)的成本。</p><p>　　當(dāng)然還有其它一些要求，但對(duì)于本課題來說，主要考慮的就是這些因素。另外從己在各種系統(tǒng)中采用的光線路碼型來看，大多數(shù)考慮了光源器件的特點(diǎn)及光調(diào)制的方便還有接收端的簡(jiǎn)易型，采用了單極刑碼或者說兩電平碼。</p><p>　　3.6 編譯碼器原理及實(shí)現(xiàn)</p&g

97、t;<p>　　3.6.1 編碼器原理</p><p>　　由于光線路碼型是用于傳輸?shù)拇a型，因此在光發(fā)送機(jī)中，必須先將輸入得普通二進(jìn)制碼流進(jìn)行碼型變換，即進(jìn)行編碼，成為線路碼去調(diào)制光源器件，變成光脈沖送到光纖中去傳輸。在光接收機(jī)中，將收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再生出線路碼流再經(jīng)過碼型反變換，即進(jìn)行譯碼還原為普通二進(jìn)制碼。由于在碼型變換、反變換前后碼流得速率是相同得，因此在編譯碼的同時(shí)，還必須進(jìn)行時(shí)鐘

98、頻率得變換。在接收端要正確譯碼，還必須考慮組同步得問題，本節(jié)將介紹各部分的原理和實(shí)現(xiàn)方法，我們此次主要是采用CMI編碼、譯碼。</p><p>　　在光發(fā)射機(jī)中，編碼器的作用就是將輸入的二進(jìn)制碼流進(jìn)行碼型變換，即把原始的數(shù)據(jù)碼流變換成成適合光纖傳輸?shù)木€路碼去調(diào)制光源器件。編碼器主要由碼變換器和時(shí)鐘變換電路組成。 </p><p>　　3.6.2 解碼器原理</p><p

99、>　　解碼是編碼的逆過程，解碼器與編碼器的結(jié)構(gòu)基本相同，解碼時(shí)要考慮兩個(gè)十分重要的問題，碼時(shí)鐘同步和分組同步即所謂的位同步和字同步。解碼時(shí)對(duì)碼流的分組必須和發(fā)送端的分組完全一致，就是編碼時(shí)和解碼時(shí)的分組完全同步，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。完成解碼時(shí)分組與編碼分組同步電路即為組同步電路。對(duì)于字母型線路碼，由于一組對(duì)應(yīng)一個(gè)碼子，因此也可稱為字同步。某些插入有幀定位碼的碼型，可以利用幀定位碼實(shí)現(xiàn)解碼時(shí)分組的同步，所以也可以叫做幀同步。在接

100、收端對(duì)接收到的線路碼進(jìn)行分組解碼恢復(fù)原始信號(hào)碼從而實(shí)現(xiàn)圖像的還原。. </p><p>　　在接收端對(duì)接收到的線路碼進(jìn)行分組解碼實(shí)現(xiàn)圖像的還原。線路工作的原理是這樣的，將線路碼進(jìn)行處理從中提取線路碼時(shí)鐘，用此碼時(shí)鐘和組同步邏輯來對(duì)時(shí)鐘變換得到信息碼時(shí)鐘，將信息碼并串轉(zhuǎn)換還原信息碼流。</p><p>　　在通信系統(tǒng)中，接收端實(shí)現(xiàn)碼流的還原要遇到兩個(gè)核心的問題，一是位同步時(shí)鐘的提取即如何利用

101、串行的線路碼攜帶的時(shí)鐘信息進(jìn)行碼元和時(shí)鐘恢復(fù);一二是組同步問題即利用線路碼自身的特性對(duì)串行的碼流進(jìn)行分組。</p><p>　　3.6.3 CMI編譯碼</p><p>　　CMI碼為信號(hào)反轉(zhuǎn)碼（Code Mark Inversion），是一種二電平不歸零碼，是PCM四次群的線路傳輸碼型，也就是四次群數(shù)字光纖通信設(shè)備與四次群PCM設(shè)備之間的接口碼型。</p><p>

102、;<b>　　CMI碼的特點(diǎn)：</b></p><p>　?。?）、CMI碼編譯電路簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)與調(diào)試。</p><p>　　（2）、CMI碼的最大連“0”和連“1”都是3個(gè)</p><p>　?。?）、具有誤碼監(jiān)測(cè)能力，當(dāng)其編碼規(guī)則被破壞，就表示有誤碼產(chǎn)生，便于線路傳輸中的誤碼監(jiān)測(cè)。</p><p>　　（4）、CM

103、I碼功率譜中的直流分量恒定，低頻分量小，fr（變換前的碼速率）頻率處有限譜，頻帶較寬，便于定時(shí)提取。</p><p>　?。?）、CMI碼的速率是編碼前信號(hào)速率的兩倍。</p><p>　　鑒于CMI碼的這些特點(diǎn)，結(jié)合光纖傳輸?shù)乃俾室螅覀冞x擇CMI碼作為編譯碼。</p><p>　　由于這種碼型有較多的電平跳躍，因此，含有豐富的定時(shí)信息。在程控?cái)?shù)字交換機(jī)中CMI

104、碼一般作為PCM四次群數(shù)字中繼接口的碼型，在光纜傳輸系統(tǒng)中也用做線路傳輸碼型。</p><p>　　CMI碼的全稱是傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼， CMI碼的編碼規(guī)則如下：當(dāng)輸入“0”碼時(shí)，編碼輸出“01”，當(dāng)輸入“1”碼時(shí)，編碼輸出則“00“和”11“交替出現(xiàn)。例如：</p><p>　　NRZ代碼： 1 1 0 1 0 0 1 0

105、</p><p>　　CMI碼： 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1</p><p>　　其相應(yīng)的波形比較如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 編碼前與編碼后波形圖</p><p>　　根據(jù)此規(guī)則輸出CMI碼元的速率應(yīng)為輸入基帶信號(hào)的2倍。編碼的總體

106、思想是對(duì)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行采樣判斷，如果‘0’則轉(zhuǎn)化為“01”，如果為“1”則交替轉(zhuǎn)化為“11”或“00”?！?”的轉(zhuǎn)化結(jié)果只有一種可以直接轉(zhuǎn)化為“01”，而“1”的轉(zhuǎn)化結(jié)果有兩種“11”和“00”，因此需要一個(gè)信號(hào)作為判斷，當(dāng)前面一個(gè) “1”碼編碼轉(zhuǎn)換的是“00”時(shí)，判斷編碼轉(zhuǎn)化為“11”，當(dāng)前一個(gè)“1”碼編碼轉(zhuǎn)換的是“11”時(shí)，則判斷編碼轉(zhuǎn)化為“00”。</p><p>　　CMI碼解碼的方案設(shè)計(jì)：根據(jù)CCI

107、TT推薦，由于這種碼型有較多的電平跳躍，因此，含有豐富的定時(shí)信息，在程控?cái)?shù)字交換機(jī)中CMI碼一般作為PCM四次群數(shù)字中繼接口的碼型。</p><p>　　CMI碼的編碼規(guī)則如下：當(dāng)輸入“0”碼時(shí)，編碼輸出“01”，當(dāng)輸入“1”碼時(shí)，編碼輸出則“00”和“11”交替出現(xiàn)[1]。根據(jù)此規(guī)則，在CMI的解碼模塊中：如果接收到“01”碼，則可解碼成“0”碼；如果接收到“00”碼或“11”碼，則可解碼還原為基帶信號(hào)“1”，