光纖數據通信模塊的研制和課程設計

周玉斐　洪峰　王成華

【摘要】光纖數據通信模塊作為光電子系統，能實現光電轉換以及電光轉換，發射驅動及接收電路相互獨立，功能合一。光纖數據通信模塊綜合運用了多種電子和光子類課程技術，同時也具有廣泛的應用和研究前景，適宜作為電子學科的教學實驗平臺。本文研制光纖數據通信實驗裝置并設置相關實驗，是理論結合實踐的優良教學環境。

【關鍵詞】光纖 通信 實驗裝置 課程設計

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0211-02

前言

傳統的電信號傳輸方法是采用雙絞線分別將各采樣信號送到控制端，這種方法線路密集復雜，抗干擾能力差，不適合遠距離傳輸。而實時數字化光纖傳輸方案將各采樣信號處理為一路光信號，并通過光纖進行隔離傳輸，線路簡單、抗干擾性能好，適合遠距離傳輸，尤其適合復雜環境下系統對多點、多路采樣數據實時、可靠及遠距離傳輸。如在液體火箭發動機系統地面測試中，被測點處于高低溫、高壓和強輻射的惡劣環境中，需要將測試信號通過遠距離實時傳輸到控制端，以便于對系統地面環境的監測；又如對礦井下電網監測系統電流信號的傳輸；對橋梁、大壩等重大設施的健康安全監測等。數字光纖傳輸將數字化技術和光纖傳輸技術相結合，具有更佳的抗干擾抗雜波能力，并且無噪聲累計，是多路信號遠距離高品質傳輸的必然趨勢。

光的發射和接收模塊主要有兩種方式。第一種是用單獨的激光器和控制芯片完成電-光轉換；用獨立的PIN組件和放大器完成光-電轉換。其優點是LD的發射功率大，適合遠距離傳輸，成本較低，缺點是集成度低。第二種方法是采用集成的光發射模塊和光接收模塊。其優點是集成度高，生產方便，缺點是遠距離傳輸時成本較高。但隨著制造工藝的不斷進步，光收發模塊的價格越來越低，應用也將越來越廣泛。在光纖傳輸中低壓差分信號傳輸技術（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）具備許多優點，是實現高速、低功耗數據傳輸的有效途徑。

國內很多院校設立了專門的科研教學機構，我校（南京航空航天大學）電子信息工程學院“雷達成像與微波光子技術”教育部重點實驗室也開展了相關的理論與實驗教學工作。本文將介紹光纖數據通信模塊的開發、實驗平臺及相關實驗課程設置。通過巧妙構思和靈活設置，使學生理解并熟悉光纖數據通信的工作原理和相關技術，提高本專業學生的實踐能力、創新能力和綜合應用能力。

一、教學實驗裝置系統設計

點對點光纖數據通信模塊主要是數字光發送機和數字光接收機，之間由單模光纖連接，安裝在測試主板上，設計框圖如圖1所示。

為了實現信號在光纜中的傳輸，需要先將電信號轉化成為適合在光纜中傳輸的光信號，之后再轉化成電信號發送到接收端進行傳輸。

數字光收發一體機由數字光發送模塊和數字光接收模塊組成，4路LVDS差分信號從光發送次模塊（Transmitting Optical Subassembly，TOSA）輸入端輸入之后進行并串轉換和半導體激光器調制，輸出調制光信號；光信號經光接收次模塊（Receiver Optical Subassembly，ROSA）轉換為電信號，經過光電轉換、前置放大、限幅放大和串并轉換，輸出4路LVDS電信號。其中，LVDS低電壓差分信號是一種電平標準，核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，可以實現點對點或一點對多點的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點。

二、教學實驗裝置詳細設計

（一）數字光發送機包括并串轉換電路、驅動電路、自動功率控制（APC）、激光器以及信號接口

并串轉換電路

輸入信號為傳輸速率為622Mbps的4路LVDS差分信號，4路LVDS電信號為1路時鐘信號（PCLKI+、PCLKI-）和3路數據信號（LVDS0～2+、LVDS0～2-），LVDS信號接口為SFP接口。通過并串轉換芯片MAX3892轉換為2.5GbpsCML信號輸出串行數據（TD+、TD-）給光模塊驅動電路。

激光器驅動電路

激光器驅動及自動功率控制芯片MAX3865，適合于工作在傳輸速率為2.5Gbps的光纖網絡中，在激光管的正常使用期內，能始終保持恒定的輸出功率和消光比。MAX3865內部主要包括高速調制電路和控制電路。高速調制電路包括輸入級和輸出級，主要功能是對輸入信號進行調制，并為外部激光管提供激勵信號；控制電路包括：邏輯控制電路、調制電流控制電路和偏置電流控制電路。邏輯控制電路主要為用戶提供驅動器的工作狀態信息和傳輸控制信息；調制電流控制電路用于自動調制控制（AMC），偏置電流控制電路用于自動功率控制。

以AMC工作模式為例說明工作過程。當MAX3865正常工作時，數據從DATA+端和DATA-端輸入，經數據轉換器重新定時同步后，控制差分調制器輸出以實現調制，調制后的信號從MODN端和MODQ端輸出，驅動外接激光管。當電路故障時，邏輯控制電路起作用，關閉輸出，同時故障端輸出低電平。當輸出功率變化或調制電流峰峰值變化，APC電路和AMC電路發生作用，反饋信號輸入，在比較器中與穩態工作時的監控反饋電流參考值進行比較，所得差值經積分放大電路處理后，分別控制激光器（APC電路）的偏置電流和差分調制器（AMC電路）的調制電流，達到自動維持輸出功率穩定的目的。

半導體激光器中由半導體激光二極管組成，所以在對其應用中，需要考慮溫度補償或控制。溫度探測器將激光二極管的實際溫度轉換成調節量，作為溫度預補償模塊的輸入，溫度預補償模塊對電流幅值調節后，由脈沖發生器控制裝置產生電流脈沖，作用于激光二極管，使半導體激光器輸出功率在不同溫度下保持恒定。激光器主要參數：傳輸波長1310nm；單模傳輸；輸出功率2mW；工作溫度-40度～85度。

（二）數字光接收機包括串并轉換電路、光電轉換PINTIA、前置放大、限幅放大以及信號接口

串并轉換電路

串并轉換利用MAX3882完成將1路2.5Gbps的串聯輸入CML信號轉換為4路622Mbps的LVDS信號。為保證“0”、“1”信號判別有效性，LVDS輸出信號差分峰峰值電壓VP-P范圍250～400mV，高電平電壓VOH=1.475V，低電平電壓VOL=0.925V，滿足幅度要求。

PIN光電二極管和前置放大電路直接相連，處在最前端位置，組成第一級有源電路。當激光照射到光電二極管上產生的信號微弱時，有用的信號可能被噪聲淹沒，無法有效輸出。根據噪聲系數計算公式：Np=Np1+…，由此可得，NP主要由第一級放大器來決定，因此對于設定整個探測器系統的噪聲系數來說前置放大電路十分重要。本電路選用低功耗限幅放大器MAX3747搭建放大電路。

（三）測試板測試板上電路包括5V電源接口，5V轉3.3V芯片、電源電路、LED燈、連接主板的SFP接口和連接外部信號的SFP接口。測試板為主板提供電源的同時，還會對數字光收發一體機工作狀態進行指示。

三、實驗科目設計

圖1所示光纖數據通信模塊教學實驗裝置充分采用模塊化設計思想與組件架構原則。測試板部分作為母板，數字光發送機和數字光接收機均設計為可插拔的獨立電路模塊，既可分開單獨調試，設計實驗環節；也可進行多種組合，完成綜合性功能實驗。

實驗科目設置遵循先易后難、先局部后整體、使得學生能夠循序漸進地鍛煉；各實驗均給出清晰的原理說明、統一的指標要求與檢驗標準，不限定解決辦法，鼓勵不同的解決思路，充分發揮學生的主觀能動性與創造性；實驗既有基礎部分也有提高部分，既顧及學生的平均水平，達到普遍鍛煉的目的，也充分調動能力突出學生的積極性，具有一定挑戰性。

參照以上實驗科目設計原則，我們制訂了適合本實驗裝置的實驗指導。首先安排一個簡單的并串-串并轉換特性測試，旨在熟悉并行信號和串行信號的特點、了解并串、串并轉換芯片的設置方法信號的測試方法。第二部分進行數字光發送機測試，主要是驅動電路的設計和動手制造，包括邏輯控制電路、調制電流控制電路和偏置電流控制電路。第三部分為數字光接收機測試，包括光電轉換PINTIA、前置放大、限幅放大等。第四部分為綜合實驗，包括數字光收發一體機的整體調試。各實驗的指導手冊均包括預習知識、實驗目的、實驗介紹、實驗條件、基礎部分、提高部分、測試表格和實驗記錄等項。

四、總結

光纖數據通信系統是一種電子技術、光子技術和通信技術相結合，理論與實踐緊密結合的教學實驗載體。我們設計了一套光纖數據通信教學實驗裝置。實驗內容大量涉及光電和通信類本科的多門基礎課程，包括模擬電子技術、數字電子、光通信、通信原理等。本實驗裝置可為學生提供較豐富的實驗科目，能夠鍛煉學生的實踐動手能力、創新品質、綜合運用能力等，鼓勵學生發揮主觀能動性與創造性去解決問題。該光纖數據通信裝置及其課程設計具有很好的教學功效。

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作者簡介：

周玉斐（1984—），女，江蘇南京人，講師，博士，研究方向：功率電子變換技術，功率集成技術。