強電磁干擾下光纖網絡的數據傳輸系統(tǒng)改進設計

摘 要： 在電磁干擾較強的環(huán)境下，光纖網絡數據傳輸可靠性降低，當前傳輸系統(tǒng)忽略了強電磁干擾的影響，在此設計了一種強電磁干擾下光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結構。在硬件板卡上設計實現硬件部分，主要包括光纖收發(fā)器、光纖通信時鐘、FC ENDEC控制器、濾波電路，通過系統(tǒng)軟件程序實現數據接收、數據預處理、數據存儲等功能，對來源于光纖網絡的數據進行接收和處理，保存得到的結果和原始數據。給出光纖網絡數據傳輸部分代碼。實驗結果表明，不管是在傳輸數據量不同、傳輸距離相同還是在傳輸距離不同、傳輸數據量相同的情況下，所提系統(tǒng)均能保持很高的傳輸速率，而且誤比特率較低，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

關鍵詞： 強電磁干擾； 光纖網絡； 數據傳輸； 系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN926?34； TP336 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0053?04

Abstract： The current systems′ reliability of optical fiber network data transmission is low in the environment of strong electromagnetic interference， because the effect of strong electromagnetic interference is ignored. Therefore， a kind of optical fiber network data transmission system working in strong electromagnetic interference is designed. In this paper， the overall structure of the system is given. The hardware part was designed and realized on the hardware interface card. The hardware part is mainly composed of optical transceiver， optical fiber communication clock， FC ENDEC controller， filtering circuit. The data receiving， data preprocessing， data storage and other functions are realized by means of system software program. The data coming from optical fiber network is received and processed， and the received results and original data is restored. The data transmission code of the fiber network is given. The experimental results show that the system can keep its high transmission rate and low bit error rate in the situation that no matter the transmission distance is the same while the transmitted data size is different， or the transmission distance is different while the transmitted data size is same.

Keywords： strong electromagnetic interference； optical fiber network； data transmission； system design

0 引 言

近年來，隨著通信技術的迅猛發(fā)展，數據傳輸也越來越關鍵[1?2]。然而在條件較差的工業(yè)現場，電磁干擾較強，數據傳輸的精度和可靠程度受到很大的影響[3?4]。光纖網絡無電流通過，且?guī)捪鄬^寬，抗干擾性能強，強電磁干擾下也可保證數據傳輸的性能。因此，光纖網絡的應用越來越廣泛，對其研究具有重要意義[5?6]。

目前，有關光纖網絡數據傳輸的研究有很多，文獻[7]介紹了光纖通信的理論基礎，在光纖通信網絡拓撲結構和分布式數據傳輸系統(tǒng)的基礎上，提出一種基于交換技術的光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)選用星型網絡拓撲結構，由數據節(jié)點、通信網絡與監(jiān)控管理中心構成，分析了系統(tǒng)中光纖、光電轉化模塊和第三層交換機的硬件選型，但該系統(tǒng)實現過程復雜，不適用于實際應用。文獻[8]介紹了FC?AE幀的基本原理和運行過程，為系統(tǒng)的設計提供理論支持，對系統(tǒng)總體設計方案進行分析，依據 FPGA 開發(fā)過程對各模型進行設計，并對系統(tǒng)進行了測試和仿真，結果表明該系統(tǒng)數據傳輸效率高，但準確率較低，結果不可靠。文獻[9]提出一種基于LabVIEW的光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)將分布式拉曼系統(tǒng)和光纖法珀（F?P）傳感系統(tǒng)作為實例進行遠程光纖網絡傳輸。通過C/S 模式實現一對多網絡傳輸，將光纖網絡模塊MC509和服務器結合在一起，共同構建TCP/IP 連接，通過光纖網絡實現遠程通信和數據傳輸，但系統(tǒng)的誤碼率較高，數據傳輸結果不佳。文獻[10]采用速率模擬的設計方案，通過多種復用技術對各種信號進行處理，復用至單根光纖上進行傳輸，將QuartusⅡ 4.0作為編譯環(huán)境，用VHDL語言完成CMI和HDB3編譯碼，從而實現數據傳輸，但該系統(tǒng)所需時間過長，浪費資源較多。針對上述系統(tǒng)的弊端，設計了一種強電磁干擾下光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結構，在硬件板卡上設計實現硬件部分，通過系統(tǒng)軟件程序實現數據接收、數據預處理、數據存儲等功能，給出光纖網絡數據傳輸部分代碼。實驗結果表明，所提系統(tǒng)具有很高的傳輸速率，而且誤比特率較低，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

1 強電磁干擾下光纖網絡的數據傳輸系統(tǒng)改進

設計

1.1 傳輸系統(tǒng)的總體設計

因為光纖網絡相較于通信網絡在數據傳輸方面具有高帶寬、獨享總線帶寬的優(yōu)勢，所以對光纖網絡的數據傳輸系統(tǒng)進行設計，為了避免強電磁干擾，引入過濾電路對系統(tǒng)進行改進，所設計的強電磁干擾下光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

由圖1可知，整個系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構成，其中系統(tǒng)硬件的設計是整個系統(tǒng)的關鍵，硬件是在一個硬件板卡上設計實現的，也就是高速光纖網絡通信數據傳輸卡。該傳輸卡主要包括光纖收發(fā)器、光纖通信時鐘、FC ENDEC控制器、濾波電路。

1.2 信號光纖收發(fā)器的設計

光纖收發(fā)器是整個光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)和外部設備相連的物理接口。在光纖通信協議的基礎上，可提供達4.25 Gb/s的數據帶寬。在光纖網絡中，將由安捷倫公司提供的HFYR?14XX系列作為光纖收發(fā)器，其電路如圖2所示。

圖2中，通過電容C1和電容C2減少電源的紋波，利用NPN型開關管2N3901使通信達到1 Mb/s的速率需求。若光纖中存在光則是顯性，若不存在光則是隱形，在TX發(fā)出的信號電平是“0”的情況下，三極管Q1停止運行，發(fā)光二極管存在電流，光纖中存在光傳輸，這時接收三極管呈工作狀態(tài)，接收端獲取的信號電平是“0”。類似的，在TX發(fā)出的信號電平為“1”的情況下，接收端得到的信號電平為“1”，從而實現光纖收發(fā)。

1.3 光纖通信時鐘的設計

光纖通信時鐘是高速光纖網絡通信數據傳輸卡一個不可缺少的關鍵部分，因為數據的傳輸一定會伴隨著時鐘頻率。這里選擇ntegrated Circuit Systems 公司的數字頻率控制芯片ICS843001?21形成光纖網絡所需的時鐘。ICS843001內部電路圖如圖3所示。

圖3中，芯片ICS843001的分頻倍頻由管腳M2，M0，N2，N0調控，通過FPGA可直接對上述管腳電平的高低進行調控，以獲取所需的分頻倍頻系數，詳細實現過程如下：首先從計算機主板上直接取時鐘，其頻率是100 MHz，可直接傳輸至控制器，或利用時鐘頻率合成器形成250 MHz 的時鐘傳輸至控制器，再將25 MHz 高精度晶體看作是頻率合成器的基準時鐘，利用頻率合成器得到光纖網絡數據傳輸所需的不同時鐘頻率。

1.4 FC ENDEC可編程控制器設計

FC ENDEC控制器是系統(tǒng)的核心，主要負責實現光纖網絡中關鍵的編解碼功能，采用QuickLogi公司提供的QL80FC光纖通道可編程邏輯芯片，其電路圖如4所示。

圖4中，時鐘信號將接收到的20位并行數據保存在輸入寄存器中，產生40位編碼字單元，再發(fā)送至解碼單元，經解碼處理后獲取4個8位字節(jié)構成的光纖通道字單元，上述32位字單元經數據接口傳輸至用戶編程邏輯區(qū)。自行運算接收幀的CRC值，同時依據ANSI光纖通道標準的CRC多項式對下一字單元進行劃分。在用戶可編程邏輯區(qū)對時序進行匹配，將接收到的數據經內部接收實現最后的輸出功能。

1.5 引入濾波電路的系統(tǒng)設計改進

在強電磁干擾下，為了保證數據傳輸的可靠性，需進行濾波處理，因此，引入濾波電路對硬件設計進行改進。由于電磁干擾大部分為頻率較高的信號，所以濾波多為低通濾波。除此之外，電路中很多高次諧波是多余的，必須將其刪除，從而避免對其他電路產生影響。濾波電路如圖5所示。

因為高速光纖網絡通信數據傳輸卡中各器件的電源精度要求非常高，所以將5 V電源外接的100 μF或10 μF電容用于強電磁干擾下的電源濾波，使光纖網絡的數據傳輸更加穩(wěn)定。其中電容值相對較大的電容主要負責濾除低頻干擾；電容值相對較小的無極性電容主要負責濾除高頻干擾。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件程序流程圖

系統(tǒng)軟件程序主要負責實現數據接收、數據預處理、數據存儲等功能。該程序一直對來源于光纖網絡的數據進行接收和處理，保存得到的結果和原始數據。軟件流程圖如圖6所示。

3 實驗結果分析

為了驗證本文設計系統(tǒng)的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將嵌入式系統(tǒng)作為對比進行分析，光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)仿真實驗連接圖如圖7所示。

本文主要針對下述兩種情況進行實驗，驗證本文系統(tǒng)的有效性。

3.1 傳輸數據量不同，傳輸距離相同

本文將傳輸速率作為指標，衡量系統(tǒng)的有效性。本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)在上述情況下的傳輸速率比較結果如表1所示。

分析表1可以看出，在傳輸距離相同的情況下，隨著傳輸數據量的逐漸增加，本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的傳輸速率均在一定程度上有所下降，但本文系統(tǒng)的衰減速度較嵌入式系統(tǒng)明顯減緩，傳輸速率更加穩(wěn)定。

3.2 傳輸距離不同，數據量相同

在該情況下，傳輸速率會因傳輸距離的不同而有所差異，實驗針對數據量為200 MB而傳輸距離逐漸增加的情況對兩種系統(tǒng)的傳輸速率進行比較，得到的結果如表2所示。

分析表2可以看出，在傳輸數據量不變的情況下，隨著傳輸距離的逐漸增加，采用本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的傳輸速率均逐漸減少，但本文系統(tǒng)的傳輸速率一直高于嵌入式系統(tǒng)，驗證了本文系統(tǒng)的有效性。

光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)的可靠性可用誤比特率進行衡量，也就是傳輸過程中錯誤判決的概率，本文系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的誤比特率比較結果如圖8所示。

分析圖8可以看出，與嵌入式系統(tǒng)相比，采用本文系統(tǒng)對光纖網絡數據進行傳輸的誤比特率明顯降低，這是因為本文系統(tǒng)采用濾波電路將強電磁干擾濾除，增強了系統(tǒng)的可靠性。

4 結 論

本文設計了一種強電磁干擾下光纖網絡數據傳輸系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結構。在硬件板卡上設計實現硬件部分，主要包括光纖收發(fā)器、光纖通信時鐘、FC ENDEC控制器、濾波電路，通過系統(tǒng)軟件程序實現數據接收、數據預處理、數據存儲等功能，對來源于光纖網絡的數據進行接收和處理，保存得到的結果和原始數據。給出光纖網絡數據傳輸部分代碼。實驗結果表明，不管是在傳輸數據量不同、傳輸距離相同還是在傳輸距離不同、傳輸數據量相同的情況下，所提系統(tǒng)均能保持很高的傳輸速率，而且誤比特率較低，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

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