高速長(zhǎng)距離的光纖通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

摘? 要：光纖通信傳輸已成為當(dāng)前的主流通信方式，與之相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備隨之不斷完善。但從實(shí)際情況上看，仍然存在傳輸速率不高的情況。為了解決這一問(wèn)題，文章從光纖通信傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)分析入手，基于FPGA芯片，對(duì)高速長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。期望通過(guò)本文的研究能夠?qū)Υ龠M(jìn)光纖通信傳輸?shù)陌l(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：高速長(zhǎng)距離;光纖通信;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0072-02

0? 引? 言

在信息時(shí)代到來(lái)的今天，通信已成為信息交互最為重要一種形式。在各種通信方式中，光纖通信以其自身所具備的諸多特點(diǎn)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光纖通信傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，雖然信息傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性相對(duì)較高，但是，傳輸速率和傳輸距離方面卻并不十分理想。為了在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率，并使系統(tǒng)能夠滿足長(zhǎng)距離傳輸?shù)氖褂靡?，有必要設(shè)計(jì)一款傳輸速度快、傳輸距離長(zhǎng)的光纖通信系統(tǒng)。因此，下面對(duì)高速長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)分析。

1? 光纖通信傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)

光纖通信傳輸系統(tǒng)是一種以光為載波，將光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換的原理，借助光對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸?shù)膶?shí)時(shí)通信系統(tǒng)。在信息時(shí)代下，光纖通信之所以能夠成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞剑c其自身具備的諸多特點(diǎn)有著密不可分的關(guān)聯(lián)?？蓪⒐饫w通信的特點(diǎn)歸納為以下幾個(gè)方面。

1.1? 傳輸距離遠(yuǎn)

光導(dǎo)纖維是一種非常特殊的材料，損耗低是其最為突出的特點(diǎn)，如對(duì)1.31um的光進(jìn)行傳輸時(shí)，損耗情況約為0.35db/km，如果是對(duì)1.55um的光進(jìn)行傳輸，損耗更小，約為0.20db/km，如此低的損耗是大多數(shù)傳輸媒介所無(wú)法比擬的，光纖的無(wú)中繼傳輸距離可以達(dá)到數(shù)十至上百公里。

1.2? 通信容量大

通信傳輸容量的大小主要與頻帶的寬窄有關(guān)，載波的頻率越高，可傳輸信號(hào)的頻帶寬度就越大，單根光纖的潛在帶寬能夠達(dá)到20THz，由此使其具有了非常大的通信容量。

1.3? 抗干擾能力強(qiáng)

光導(dǎo)纖維的主要成分為石英，其具有不導(dǎo)電的特性，由于傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，所以基本不會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾，從而確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2? 高速長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離的傳輸目標(biāo)，系統(tǒng)的主控芯片選擇FPGA，這是一種能夠進(jìn)行反復(fù)編程的邏輯元件，具有集成度高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。下面分別從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在高速長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，芯片和模塊的選擇是重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

2.1.1? FPGA芯片

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用國(guó)外某公司自主研發(fā)的一款FPGA芯片，其具有可定制和可重復(fù)編程等功能，它的加入能夠使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本大幅度降低。同時(shí)，該芯片支持多種通信協(xié)議和串行配置器件，時(shí)序管理為嵌入式PLL，具體的特性參數(shù)如表1所示。

2.1.2? 電源模塊

為使FPGA芯片能夠正常運(yùn)行，需要為其提供相應(yīng)的電源電壓，本系統(tǒng)選用的FPGA芯片所需的電壓等級(jí)為1.5V，RAM和光電模塊的工作電壓均為3.3V，整個(gè)系統(tǒng)所需的電壓有兩類，分別是1.5V和3.3V。輸入電壓由節(jié)點(diǎn)3.3V電壓源負(fù)責(zé)提供，經(jīng)過(guò)濾波處理后，可直接供給光電模塊，經(jīng)過(guò)DC/CD后，可使輸出電壓降至1.5V，由此便能為FPGA芯片進(jìn)行供電。

2.1.3? 時(shí)鐘電路

在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)一路外部時(shí)鐘輸入，頻率為125MHz，以此來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)提供全局工作時(shí)鐘。時(shí)鐘電路的供電電壓為3.3V，其輸出的信號(hào)可作為FPGA芯片的外部時(shí)鐘輸入。

2.1.4? 外部存儲(chǔ)

選用某公司出品的RAM芯片作為外部存儲(chǔ)模塊，其特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享，該儲(chǔ)存模塊有兩套信號(hào)線和數(shù)據(jù)線，支持異步訪問(wèn)，為避免訪問(wèn)沖突，芯片具有訪問(wèn)仲裁控制功能。

2.1.5? 光電轉(zhuǎn)換

該模塊由兩個(gè)部分組合而成，一部分是接收器，另一部分是發(fā)送器，其能夠?qū)崿F(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其中接收器能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳給FPGA芯片;發(fā)送器則可將待發(fā)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)由光纖進(jìn)行高速、長(zhǎng)距離傳輸。光發(fā)射器采用的是國(guó)內(nèi)某公司出品的一款同軸尾纖激光器，波長(zhǎng)1550nm，最大傳輸速率為2.5Gbs。

2.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在高速長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，軟件程序的開(kāi)發(fā)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的發(fā)揮。因此，必須對(duì)軟件設(shè)計(jì)予以高度重視。具體包括軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及邏輯設(shè)計(jì)。

2.2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的是FPGA芯片，開(kāi)發(fā)流程大體上可分為三個(gè)部分，即準(zhǔn)備、詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。從軟件設(shè)計(jì)來(lái)看，主要是對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)以及對(duì)編程語(yǔ)言的選用，本次設(shè)計(jì)中選用了V-HDL作為編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)工具采用的是FPGA芯片廠家提供的配套工具，該工具支持V-HDL語(yǔ)言以及圖形的輸入。

2.2.2? 邏輯設(shè)計(jì)

（1）通信邏輯。在對(duì)通信進(jìn)行配置的過(guò)程中，必須對(duì)串口進(jìn)行初始化操作，隨后按照預(yù)先設(shè)定好的邏輯完成對(duì)接收波和發(fā)射波配置，本系統(tǒng)中配置的波特率為19200bps。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在高速長(zhǎng)距離光纖通信傳輸系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要作用是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，高速數(shù)據(jù)依托光纖進(jìn)行通信的過(guò)程中，以采樣數(shù)據(jù)幀的方式實(shí)現(xiàn)傳輸，換言之，通信傳輸模塊需要具備實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，從而滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)FPGA芯片中的RAM進(jìn)行調(diào)用，遵循先入先出的原則，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)接收器監(jiān)測(cè)到串行輸入信號(hào)后，會(huì)生成波特率控制器啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)波特率控制模塊便會(huì)自行啟動(dòng)進(jìn)入到工作狀態(tài)，生成時(shí)鐘信號(hào)，接收器按照該信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，從而完成轉(zhuǎn)換，波特率控制器會(huì)在數(shù)據(jù)接收后自動(dòng)關(guān)閉。此時(shí)RAM會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)幀按字節(jié)順序?qū)懭氲酱鎯?chǔ)器中。

（3）光纖通信。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，光纖通信是重中之重。由高速光纖傳輸出去的數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)，因傳輸過(guò)程中會(huì)受到時(shí)序和邏輯的限制，所以在軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集由同一個(gè)時(shí)鐘源提供時(shí)鐘，保證所有數(shù)據(jù)的采集同步進(jìn)行。FPGA芯片的全局時(shí)鐘為100M，據(jù)此可將單幀傳輸數(shù)據(jù)設(shè)定為48kb，當(dāng)光纖鏈路正常時(shí)，便可進(jìn)行高速、長(zhǎng)距離通信傳輸。

3? 結(jié)? 論

綜上所述，光纖通信傳輸系統(tǒng)以其自身所具備的諸多特點(diǎn)，成為當(dāng)前的主流通信方式。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)存在傳輸速率不高的情況。為了解決這一問(wèn)題，可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用FPGA芯片，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)，避免傳輸中丟失數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過(guò)對(duì)軟件程序進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，改善系統(tǒng)的性能，提高傳輸速率和傳輸距離。

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作者簡(jiǎn)介：但龍（1988.06-），男，漢族，湖北人，工程師，中級(jí)職稱，碩士，研究方向：新一代通信技術(shù)。