光纤传输的设计与实现要点.pdf

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1、合 肥 学 院 课 程 设 计 报 告 题 目：光纤传输的设计与实现 系 别：电子信息与电气工程系 专 业：通信工程专业 班 级：10 级通信 (2) 班 学 号：1005072010/1005076002/1005071044 姓 名：钟先锋郭振京许鹤 导 师：张倩 2013 年十二月八号 1 现代通信技术课程设计 论文 题目 数字图像光纤传输的设计与实现 设计 类型 工程应用 导师 姓名 张倩 主 要 内 容 及 目 标 设计一个数字图像光纤传输系统，要求： 1、了解计算机数字图像光传输的原理； 2、设计计算机数字图像的光纤传输框图； 3、给出计算机数字图像光传输工作流程图； 4、试实现一

2、台 PC机发送 ,两台 PC机同时接收； 具 有 的 设 计 条 件 根据设计要求提供相关的试验环境： 1光纤通信实验箱 220M双踪示波器 3FC-FC单模尾纤 4USB连接线 5PC机 6信号连接线 2根 计 划 学 生 数 及 任 务 计划学生数 3 人 1人主要进行系统方案设计； 1人主要进行系统搭建； 1人主要进行系统调试和数据分析 计 划 设 计 进 程 第 14周 查资料了解计算机数字图像光传输的原理，设计计算机数字图像的光纤 传输实现方案 第 15 周 实现计算机数字图像的光纤传输，同时完成课程设计报告 参 考 文 献 1马丽华 .光纤通信系统北京邮电大学出版社2009-09.

3、 2胡庆.光纤通信系统与网络（修订版） 电子工业出版社2010-08. 2 目录 数字图像光纤传输系统设计与实现. 3 摘要： 3 关键字： . 3 正文： 3 1 光纤传输原理以及相关知识 3 1.1 传输过程图 . 3 1.2 光纤传输的特点优势及传输原理. 3 1.3 光纤传输特性. 4 2 光纤传输系统和步骤 5 2.1 光纤传输系统. 5 2.2 光纤传输拓展. 6 2.2.1向超高速系统的发展 6 2.2.2实现光联网 6 2.2.3新一代的光纤 7 2.3 设计电路图 . 7 2.4 光纤传输实验步骤. 7 3软件安装与光纤传输数据与分析. 8 3.1USB 驱动安装 . 8 3

4、.2 光纤传输图片过程. 9 3.3 数据分析 . 12 4.结束语 12 5 参考文献 13 3 数字图像光纤传输系统设计与实现 摘要： 光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式，是现代通信网的 主要传输手段，本文主要根据光纤通信的的发展，了解计算机数字图像光传输 的原理，掌握计算机数字图像光传输的基本结构。 关键字：光纤传输，电光转换，计算机数字图像 正文： 1 光纤传输原理以及相关知识 1.1 传输过程图 计算机数据信号从USB的接口进入，送到光发送端机进行电光转换，转换 成光信号，光信号经光纤信道传输再由光接收端机完成光电转换和信号恢复， 再送回 PC机上进行显示，其传输过程的

5、方框图如图1 所示： 图 1 计算机数字图像的光纤传输框图 1.2 光纤传输的特点优势及传输原理 光缆传输的实现与发展形成了它的几个优点。相对于铜线每秒1.54MHZ 的 速率光纤网络的运行速率达到了每秒2.5GB 。从带宽看，很大的优势是：光 纤具有较大的信息容量，这意味着能够使用尺寸很小的电缆，将来就不用更新 光电电光 光纤 1310nmLD+ 单模 数字 图像 发送 数字 图像 接收 光发射光接收 TX1310 RX1310 PC 4 或增强传输光缆中信号。光纤电缆对诸如无线电、电机或其他相邻电缆的电磁 噪声具有较大的阻抗，使其免于受电噪声的干扰。从长远维护角度来看，光缆 最终的维护成本

6、会非常低。光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电 脉冲沿电缆传输信息。在系统的一端是发射机，是信息到光纤线路的起始点。 发射机接收到的已编码电子脉冲信息来自于铜线电缆，然后将信息处理并转换 成等效的编码光脉冲。使用发光二极管或注入式激光器产生光脉冲，同时采用 透镜，将光脉冲集中到光纤介质，使光脉冲沿线路在光纤介质中传输。由内部 全反射原理可知，光脉冲很容易眼光纤线路运动，光纤内部全反射原理说明了 当入射角超过临界值时，光就不能从玻璃中溢出；相反，光纤会反射回玻璃 内。 光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量 轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟

7、的优势。传输介 质是决定传输损耗的重要因素，决定了传输信号所需中继的距离，光纤作为光 信号的传输介质具有低损耗的特点，光纤的频带可达到10GHz 以上，一般像 的带宽只有8MHz，一个通道的图象用一芯光纤传输绰绰有余，在传输语音控 制信号或接点信号方面更为优势，光纤传输中的载波是光波，光波是频率极高 的电磁波，远远比电波通讯中所使用的频率高，所以不受干扰。且光纤采用的 玻璃材质，不导电，不会因断路、雷击等原因产生火花，因此安全性强，在易 燃，易爆等场合特别适用。 光纤传输系统主要由三部分组成：光源(又称光发送机 )，传输介质、检测 器(又称光接收机 )。计算机网络之间的光纤传输中，光源和检测器

8、的工作一般 都是用光纤收发器完成的，光纤收发器简单的来说就是实现双绞线与光纤连接 的设备，其作用是将双绞线所传输的信号转换成能够通过光纤传输的信号(光信 号)。当然也是双向的，同样能将光纤传输的信号转换能够在双绞线中传输的信 号，实现网络间的数据传输。 我国和欧洲的标准速率为2048Mbps ，光端机的主要作用就是实现电一 光、光一电的转换。由其转换信号分为模拟式光端机和数字式光端机。因此， 光纤传输系统按传输信号可分为数字传输系统和模拟传输系统。模拟传输系统 是把光强进行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅(频率或相位 )的连续 变化。数字传输系统是把输入的信号变换成“1”，“O ”脉冲信

9、号，并以其作为传 输信号，在接受端再还原成原来的信号。当然，随着光纤传输信号的不同所需 要的设备有所不同。光纤作为传输介质，是光纤传输系统的重要因素。光线只 沿光纤的内芯进行传输，只传输主模我们称之为单模光纤(Single Mode) 。 1.3 光纤传输特性 光缆不易分支，因为传输的是光信号，所以一般用于点到点的连接。光的 总线拓扑结构的实验性多点系统已经建成，但是价格还太贵。原则上，由光纤 功率损失小、衰减少，有较大的带宽潜力，因此，一般光纤能够支持的接头数 比双绞线或同轴电缆多得多。目前低价可靠的发送器为0.85um 波长发光二极 管 LED ，能支持 100Mbps 的传输率和1.52

10、KM 范围内的局域网。激光二极 管的发送器成本较高，且不能满足百万小时寿命的要求。运行在0.85um 波长 的发光二极管检波器PIN 也是低价的接收器。雪崩光二极管。的信号增益比 PIN 大，但要用 2050V 的电源，而 PIN 检波器只需用 5V 电源。 5 如果要达到更远距离和更高速率，则可用1.3um 波长的系统，这种系统衰 减很小，但要比0.85um 波长系统贵源。另外,与之配套的光纤连接器也很重 要，要求每个连接器的连接损耗低于25dB ，易于安装，价格较低。光纤的芯子 和孔径愈大，从发光二极管LED 接收的光愈多，其性能就愈好。芯子直径为 100um ，包层直径为140um 的光

11、纤，可提供相当好的性能。其接收的光能比 62.5/125um 光纤的多 4dB，比 50/125um 光纤多 8.5dB。运行在 0.8um 波长的 光纤衰 6dB/Km 运行在 1.3um 波长的光纤衰减为4dB/Km 。0.8um 的光纤频宽 为 150MHz/Km ，1.3um 的光纤频宽为 500MHz/Km 。 2 光纤传输系统和步骤 2.1 光纤传输系统 光纤传输系统主要由三部分组成： 光源（又称光发送机）、传输介质、检 测器( 又称光接收机 )。在安防监控系统中一般传输的信号有视频、音频和数据三 种信号，光源和检测器的工作由光端机完成，它的主要作用就是实现电一光、 光一电的转换。

12、以数字光端机为例，分为发射机和接收机，发射机首先将输入 的信号变换成“ 1”，“0”数字脉冲信号，并以其作为传输信号，接收机再将 收到的光信号还原成原来的信号。 光纤作为传输介质，是光纤传输系统的重要因素。按照传输模式来划分： 光线只沿光纤的内芯进行传输，只传输主模我们称之为单模光纤(Single Mode)。有多个模式在光纤中传输，我们称这种光纤为多模光纤（Multi- Mode ）。 图 2 单模和多模光纤 在了解了光纤传输系统的原理后，在进行设计时，我们就可以从两个方面 着手。认真分析实际需求，统筹规划，抓住光通路设计和光端机配置两个方 面。单模传输设备所采用的光器件是LD ，通常按波长

13、可分为850nm 和 1300nm 两个波长，按输出功率可分为普通LD、高功率 LD、DFB-LD （分布反 馈光器件）。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652，其线径为9 微米。 6 1310nm 波长的光在G.652 光纤上传输时，决定其传输距离限制的是衰减因 数；因为在1310nm 波长下，光纤的材料色散与结构色散相互抵消总的色散为 0，在 1310nm 波长上有微小振幅的光信号能够实现宽频带传输。 FC-SC ST-ST FCFC 图 3光纤跳线 2.2 光纤传输拓展 2.2.1 向超高速系统的发展 从过去 20 多年的电信发展史看，网络容量的需求和传输速率的提高一直是 一对主要矛

14、盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行，每 当传输速率提高4 倍，传输每比特的成本大约下降3040：因而高比特率 系统的经济效益大致按指数规律增长，这就是为什么光纤通信系统的传输速率 在过去 20 多年来一直在持续增加的根本原因。目前商用系统已从45Mbps增加 到 10Gbps ，其速率在 20 年时间里增加了2000 倍，比同期微电子技术的集成度 增加速度还快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种 各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。 2.2.2 实现光联网 上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以 点到点通

15、信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能 实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新一层的 威力。根据这一基本思路，光的分插复用器(OADM) 和光的交叉连接设备 (OXC)均 已在实验室研制成功，前者已投入商用。实现光联网的基本目的是：实现超大 容量光网络；实现网络扩展性，允许网络的节点数和业务量的不断增长；实现 网络可重构性，达到灵活重组网络的目的；实现网络的透明性，允许互连任何 系统和不同制式的信号；实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms 。鉴于光联 网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预 研。光联网已经成为继SD

16、H 电联网以后的又一新的光通信发展高潮。 7 2.2.3 新一代的光纤 近几年来随着 IP 业务量的爆炸式增长，电信网正开始向下一代可持续发展 的方向发展，而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基 础。传统的G.652 单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面 已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重 要组成部分。目前，为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了两种 不同的新型光纤，即非零色散光纤(G.655 光纤)和无水吸收峰光纤。 2.3 设计电路图 实验电路中，外接PC机用的 USB口为 USB701 ，接口芯片为U302 ，其

17、型号 为 CH372 。USB模块接收的PC机数据从 P701 串行送出，发送至PC机的数据 P702输入。图 4 为计算机光传输的工作流程图： 图 4 计算机数字图像光传输工作流程图 由发光二极管 LED 或注入型激光二极管ILD 发出光信号沿光媒体传播，在 另一端则有 PIN 或 APD 光电二极管作为检波器接收信号。 2.4 光纤传输实验步骤 1关闭系统电源，按照图4 将信号连接线、 1310nm光发射端机的TX1310法兰 接口、 FC-FC单模尾纤、 1310nm光接收端机的 RX1310法兰接口连接好；如图4 连接好信号连接线（连接P701 、P201；P702、P202 ） 。注

18、意收集好器件的防尘 帽。 2打开系统电源，在液晶菜单选择“光纤传输实验-USB 数据”的子菜单，确 认； P202P204 光发 端机 1310/1550 P701 P702 光发单元 光收单元 USB 接口 USB701 USB 接 口电路 图 像 入 P201/P203 光发 端机 1310/1550 图 像 出 8 3将 USB线连好。如果系统工作正常，PC机能检测到可使用的USB 设备。 4在 PC 机上运行图像传输软件，选择完图像后点击图像传输，可以看到发送 图像区域开始发送图像，接收图像区域开始接收图像。 5断开光纤，接收图像区域是否还能正常接收到图像数据。 6关闭系统电源，拆除各

19、光器件并套好防尘帽。 注：如果图像传输过程中，断开信道后重新接上，系统需要关电复位。 3软件安装与光纤传输数据与分析 3.1USB 驱动安装 驱动安装图 1 9 驱动安装图 2 3.2 光纤传输图片过程 点击“打开图像文件” ，弹出对话框： 10 选择一幅图像，如：Couple, 然后点击图像传输 图片传输过程图 1 11 图片传输过程图 2 图片传输过程图 3 12 图片传输过程图 4 3.3 数据分析 图片传输发射机首先将输入的信号变换成“1”，“0”数字脉冲信号，并以其作为传输信 号，接收机再将收到的光信号还原成原来的信号。发送图片经光纤传输，接收机收到图 片，若在光发射端串入光分路器，

20、可以实现一台PC机发送 , 两台 PC机同时接收 在实验中。 4.结束语 目前常用的传输方式有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、 双绞线传输以及宽频共缆传输。各种传输方式均有各自的特点及适应场合，其 中光纤传输由于具有传输距离长、传输容量大、传输质量高、保密性能好、抗 干扰能力强、安装敷设方便等优点。 随着光纤技术的不断发展，光缆价格的下降，更多的行业化应用、更大的 市场容量，必将带动光端机产品不断的更新换代，光纤传输将成为首选的方 式，应用的广阔也必将带动更多新技术的出现。 光纤技术作为信息技术的重要支撑平台, 在未来信息社会中将起到重要作 用。今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看, 光纤通 信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不 远的将来如愿到来。学习光纤技术也是将来通信的主要技术，以后工作生活 中，会接触很多光纤传输。 在实验中遇到USB线型号不对的问题，造成试验箱不能和电脑信息传输， 开始没有发现，后来找到对的型号，实验继续进行，在我们小组的商讨下，实 验最终完成了。 13 5 参考文献 1 马丽华 .光纤通信系统北京邮电大学出版社2009-09. 2胡庆.光纤通信系统与网络（修订版） 电子工业出版社2010-08. 14 通信技术综合课程设计 课程设计评语 指 导 教 师 评 语 设 计 成 绩 备 注