光纤数据通信模块研制和课程设计

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前言

传统的电信号传输方法是采用双绞线分别将各采样信号送到控制端，这种方法线路密集复杂，抗干扰能力差，不适合远距离传输。而实时数字化光纤传输方案将各采样信号处理为一路光信号，并通过光纤进行隔离传输，线路简单、抗干扰性能好，适合远距离传输，尤其适合复杂环境下系统对多点、多路采样数据实时、可靠及远距离传输。如在液体火箭发动机系统地面测试中，被测点处于高低温、高压和强辐射的恶劣环境中，需要将测试信号通过远距离实时传输到控制端，以便于对系统地面环境的监测；又如对矿井下电网监测系统电流信号的传输；对桥梁、大坝等重大设施的健康安全监测等。数字光纤传输将数字化技术和光纤传输技术相结合，具有更佳的抗干扰抗杂波能力，并且无噪声累计，是多路信号远距离高品质传输的必然趋势。光的发射和接收模块主要有两种方式。第一种是用单独的激光器和控制芯片完成电-光转换；用独立的PIN组件和放大器完成光-电转换。其优点是LD的发射功率大，适合远距离传输，成本较低，缺点是集成度低。第二种方法是采用集成的光发射模块和光接收模块。其优点是集成度高，生产方便，缺点是远距离传输时成本较高。但随着制造工艺的不断进步，光收发模块的价格越来越低，应用也将越来越广泛。在光纤传输中低压差分信号传输技术（LowVoltageDifferentialSignaling，LVDS）具备许多优点，是实现高速、低功耗数据传输的有效途径。国内很多院校设立了专门的科研教学机构，我校（南京航空航天大学）电子信息工程学院“雷达成像与微波光子技术”教育部重点实验室也开展了相关的理论与实验教学工作。本文将介绍光纤数据通信模块的开发、实验平台及相关实验课程设置。通过巧妙构思和灵活设置，使学生理解并熟悉光纤数据通信的工作原理和相关技术，提高本专业学生的实践能力、创新能力和综合应用能力。

一、教学实验装置系统设计

点对点光纤数据通信模块主要是数字光发送机和数字光接收机，之间由单模光纤连接，安装在测试主板上。为了实现信号在光缆中的传输，需要先将电信号转化成为适合在光缆中传输的光信号，之后再转化成电信号发送到接收端进行传输。数字光收发一体机由数字光发送模块和数字光接收模块组成，4路LVDS差分信号从光发送次模块（TransmittingOpticalSubassembly，TOSA）输入端输入之后进行并串转换和半导体激光器调制，输出调制光信号；光信号经光接收次模块（ReceiverOpticalSubassembly，ROSA）转换为电信号，经过光电转换、前置放大、限幅放大和串并转换，输出4路LVDS电信号。其中，LVDS低电压差分信号是一种电平标准，核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。

二、教学实验装置详细设计

（一）数字光发送机包括并串转换电路、驱动电路、自动功率控制（APC）、激光器以及信号接口并串转换电路输入信号为传输速率为622Mbps的4路LVDS差分信号，4路LVDS电信号为1路时钟信号（PCLKI+、PCLKI-）和3路数据信号（LVDS0~2+、LVDS0~2-），LVDS信号接口为SFP接口。通过并串转换芯片MAX3892转换为2.5GbpsCML信号输出串行数据（TD+、TD-）给光模块驱动电路。激光器驱动电路激光器驱动及自动功率控制芯片MAX3865，适合于工作在传输速率为2.5Gbps的光纤网络中，在激光管的正常使用期内，能始终保持恒定的输出功率和消光比。MAX3865内部主要包括高速调制电路和控制电路。高速调制电路包括输入级和输出级，主要功能是对输入信号进行调制，并为外部激光管提供激励信号；控制电路包括：逻辑控制电路、调制电流控制电路和偏置电流控制电路。逻辑控制电路主要为用户提供驱动器的工作状态信息和传输控制信息；调制电流控制电路用于自动调制控制（AMC），偏置电流控制电路用于自动功率控制。以AMC工作模式为例说明工作过程。当MAX3865正常工作时，数据从DATA+端和DATA-端输入，经数据转换器重新定时同步后，控制差分调制器输出以实现调制，调制后的信号从MODN端和MODQ端输出，驱动外接激光管。当电路故障时，逻辑控制电路起作用，关闭输出，同时故障端输出低电平。当输出功率变化或调制电流峰峰值变化，APC电路和AMC电路发生作用，反馈信号输入，在比较器中与稳态工作时的监控反馈电流参考值进行比较，所得差值经积分放大电路处理后，分别控制激光器（APC电路）的偏置电流和差分调制器（AMC电路）的调制电流，达到自动维持输出功率稳定的目的。半导体激光器中由半导体激光二极管组成，所以在对其应用中，需要考虑温度补偿或控制。温度探测器将激光二极管的实际温度转换成调节量，作为温度预补偿模块的输入，温度预补偿模块对电流幅值调节后，由脉冲发生器控制装置产生电流脉冲，作用于激光二极管，使半导体激光器输出功率在不同温度下保持恒定。激光器主要参数：传输波长1310nm；单模传输；输出功率2mW；工作温度-40度~85度。

（二）数字光接收机包括串并转换电路、光电转换PINTIA、前置放大、限幅放大以及信号接口串并转换电路串并转换利用MAX3882完成将1路2.5Gbps的串联输入CML信号转换为4路622Mbps的LVDS信号。为保证“0”、“1”信号判别有效性，LVDS输出信号差分峰峰值电压VP-P范围250~400mV，高电平电压VOH=1.475V，低电平电压VOL=0.925V，满足幅度要求。PIN光电二极管和前置放大电路直接相连，处在最前端位置，组成第一级有源电路。当激光照射到光电二极管上产生的信号微弱时，有用的信号可能被噪声淹没，无法有效输出。根据噪声系数计算公式：Np=Np1+Np1-1G1+Np2-1G1G2+…，由此可得，NP主要由第一级放大器来决定，因此对于设定整个探测器系统的噪声系数来说前置放大电路十分重要。本电路选用低功耗限幅放大器MAX3747搭建放大电路。

（三）测试板测试板上电路包括5V电源接口，5V转3.3V芯片、电源电路、LED灯、连接主板的SFP接口和连接外部信号的SFP接口。测试板为主板提供电源的同时，还会对数字光收发一体机工作状态进行指示。

三、实验科目设计

所示光纤数据通信模块教学实验装置充分采用模块化设计思想与组件架构原则。测试板部分作为母板，数字光发送机和数字光接收机均设计为可插拔的独立电路模块，既可分开单独调试，设计实验环节；也可进行多种组合，完成综合性功能实验。实验科目设置遵循先易后难、先局部后整体、使得学生能够循序渐进地锻炼；各实验均给出清晰的原理说明、统一的指标要求与检验标准，不限定解决办法，鼓励不同的解决思路，充分发挥学生的主观能动性与创造性；实验既有基础部分也有提高部分，既顾及学生的平均水平，达到普遍锻炼的目的，也充分调动能力突出学生的积极性，具有一定挑战性。参照以上实验科目设计原则，我们制订了适合本实验装置的实验指导。首先安排一个简单的并串-串并转换特性测试，旨在熟悉并行信号和串行信号的特点、了解并串、串并转换芯片的设置方法信号的测试方法。第二部分进行数字光发送机测试，主要是驱动电路的设计和动手制造，包括逻辑控制电路、调制电流控制电路和偏置电流控制电路。第三部分为数字光接收机测试，包括光电转换PINTIA、前置放大、限幅放大等。第四部分为综合实验，包括数字光收发一体机的整体调试。各实验的指导手册均包括预习知识、实验目的、实验介绍、实验条件、基础部分、提高部分、测试表格和实验记录等项。

四、总结

光纤数据通信系统是一种电子技术、光子技术和通信技术相结合，理论与实践紧密结合的教学实验载体。我们设计了一套光纤数据通信教学实验装置。实验内容大量涉及光电和通信类本科的多门基础课程，包括模拟电子技术、数字电子、光通信、通信原理等。本实验装置可为学生提供较丰富的实验科目，能够锻炼学生的实践动手能力、创新品质、综合运用能力等，鼓励学生发挥主观能动性与创造性去解决问题。该光纤数据通信装置及其课程设计具有很好的教学功效。

作者：周玉斐 洪峰 王成华 单位：南京航空航天大学电子信息工程学院