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电子与信息工程毕业论文:光纤通信系统线路接口码型HDB3码的编译码设计.doc

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本 科 毕 业 设 计 光纤通信系统线路接口码型 HDB3 码的编译码设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 光纤通信作为目前信息化最主要的通信技术之一,具有通信容量大、传输质量高等优点,目前已大量应用。 在光纤通信中 , 所采用的线路码型通常为 HDB3 码 3 阶高密度双极性码 。HDB3 码 是串行数据传输的一种重要编码方式,也是数字通信系统中重要组成部分之一。 HDB3码是 AMI 码的改进型,既保持了 AMI 码极性反转的特点,减少了连 0 串的长度 , 有利于提取定时信息。 HDB3 码本身所具备的优势使信号的恢复和检验变得十分简便,因此已广泛应用,是目前十分重要的传输码型。 在数字通信中,选择适合在信道中传输的码型是十分重要的,HDB3 码是基带传输系统中常用的码型,因此, HDB3 码的编译码就显得非常重要。 本次毕业论文主要是在光纤通信系统中, 通过对数字信号处理中信道编码的基本原理以及 HDB3 码编译码原理的分析,完成一种新的 HDB3 编译码器的设计。在 MaxPlusII 开发软件环境下,采用硬件编程 VHDL 语言的程序编写并仿真,实现了 HDB3 码编译码器的设计,并且给出了 VHDL 语言的实现方法、编译码设计的原理图以及仿真下载波形结果。经过仿真验证,其 HDB3 码编译码器的功能符合 HDB3 码编译码的要求,并对其进行仿真以及对仿真下载波形结果进行分析,通过结果表明,本次设计达到了预定的要求和设计目的,并且证明了通过 VHDL语言实现光纤通信系统线路接口码型 HDB3 码的编译码设计是可行的。 关键词光纤通信系统; HDB3 码;编译码 II Abstract As one of the main communication technology ination at present, optical fiber communication has many advantages, just like big communication capacity and high transmission quality, and has lots of applications currently。 In optical fiber communication, the adoption of lines code is usually HDB3 code third-order high-density bipolar code 。 HDB3 code is a kind of data transmission in serial data coding , also is an important part of digital communication system。 HDB3 code is the improved model of AMI yards, maintaining the polarity reversal for AMI code,reducing the length of continuous“0” string to extract timing ination。 HDB3 code itself has the advantage that signal recovery and inspection become very simple, Therefore already widely used, and is the very important transmission code。 In digital communication, choosing suitable the code in channel transmission is important, HDB3 code is commonly used in baseband transmission system, therefore, the encoding and decoding of HDB3 appears very important。 The graduation thesis is mainly based on the analysis of channel coding principle in the digital signal and the encoding and decoding of HDB3 code, to complete a new HDB3 coder and decoder design in Optical fiber communication system。 Under the MaxPlusII software development environment, using hardware programming VHDL language to program and simulate, and realized HDB3 coder and decoder design, and gives the realization of VHDL language、 the principle diagram of coder and decoder design and simulation download wave results。Through the simulation test, the function of HDB3 coder and decoder fits the requirements of HDB3 encoding and decoding。 and analyzed the download simulation wave results 。 The design shows that this design achieved the scheduled requirements and the design purpose, and proved the encoding and decoding design of interfacing code HDB3 code in optical fiber communication system by VHDL language is feasible。 Keywords Optical fiber communication system; HDB3 code; encoding and decoding III 目录 第 1 章 概述 ......................................................... 1 1.1 研究背景 ....................................................... 1 1.2 本设计的主要工作 ............................................... 2 第 2 章 光纤通信系统 ................................................. 3 2.1 光纤通信的基本概念 ............................................. 3 2.2 数字光纤通信系统的基本结构 ..................................... 3 2.3 光纤通信系统的接口码型的选择 ................................... 4 第 3 章 光纤通信线路接口码型 ......................................... 6 3.1 信息论和编码技术 ............................................... 6 3.1.1 信息论 ..................................................... 6 3.1.2 编码理论与技术 ............................................. 6 3.2 常用码型以及其特点 ............................................. 6 3.2.1 AMI 码 ..................................................... 7 3.2.2 HDB3 码 .................................................... 7 3.2.3 双相码 ..................................................... 8 3.2.4 差分双相码 ................................................. 8 3.2.5 密勒码 ..................................................... 8 3.2.6 CMI 码 ..................................................... 9 3.2.7 块编码 ..................................................... 9 3.3 光纤通信线路接口码型 ........................................... 9 3.4 HDB3 码的优势 ................................................. 10 第 4 章 解扰码的设计 ................................................ 11 4.1 解扰码的原理 .................................................. 11 4.2 基于图形法的解扰码的设计 ...................................... 11 4.2.1 扰码的设计 ................................................ 11 4.2.2 解扰码的设计 .............................................. 12 IV 第 5 章 HDB3 编译码器的设计 .......................................... 14 5.1 HDB3 编码器的设计 ............................................. 14 5.1.1 HDB3 编码器原 理 ........................................... 14 5.1.2 基于 VHDL 的 HDB3 编码器的设计 .............................. 14 5.2 HDB3 译码器的设计 ............................................. 21 5.2.1 HDB3 译码器原理 ........................................... 21 5.2.2 基于 VHDL 的 HDB3 译码器的设计 .............................. 21 小结 ............................................................... 24 致谢 ................................................ 错误 未定义书签。 参考文献 ........................................................... 25 1 第 1 章 概述 1.1 研究背景 光纤通信的诞生和发展是现代通信业的一次重大突破,目前已经成为现代通信网中主要的传输手段之一。 作为一门新兴技术,光纤通信的发展历史只有一二十年,却已经历三代短波长多模光纤、 长波长多模光纤和长波长单模光纤 ,其发展速度之快是现代通信史上非常罕见的,更是非常值得深究的。 光纤通信的发展依靠于光纤通信技术的进步,作为信息技术的重要支撑平台, 光纤通信技术在现代信息社会中起着举足轻重的作用。光纤通信技术的发展进程,大致可概括为三个阶段 第一阶段是光导纤维和半导体激光器于 1970 年至 1979 年内研制成功,使得光线通信进入实用化阶段,世界上第一个光纤通信系统是于 1977 年在美国亚特兰大的光纤市局的中继系统。 第二阶段是光纤技术于 1979 年至 1989 年获得了进一步的突破,使得光纤衰耗降到了0.5dB/km 以下。波长逐渐由短波长转至长,光纤由多模光纤转向单模光纤,数字系统的速率得到了不断的提高,解决了光纤的链接技术和期间的寿命,光传输系统和光缆线路建设 渐渐步入了高潮。 第三阶段是光纤数字系统是于 1989 年由 PDH 过渡到 SDH,且提高了传输的速率。掺饵光纤放大器( EDFA)于 1989 年的诞生给光纤通信技术造成了较大的影响。 EDFA 的应用不但解决了光纤在长距离传输中衰耗的放大问题,并且波分复用器件、色散补偿元件、光源的外调制等提供了能量的补偿,应用了这些网络元件,让光传输系统的调制速率提高了很多,也使得光波分复用技术更加的实用化 [1]。 各类光纤通信系统于 20 世纪 70 年代以后都陆续发展起来,大致可概括成以下几个阶段 第 1代光纤通信系统在 20世纪 70年 代末大量投入营运,由 0.85μm 波长上光纤损耗较大,多模光纤的传输带宽有限,因而第 1 代光纤通信系统只能在低速率、短距离条件下,例如 1976年美国在亚特兰大安装的商用系统,传输码速率为 44 Mbit/s,传输距离仅 10 km。 20 世纪 80 年代初,采用 1.3μm 的半导体发光二极管或激光二极管作为光源,再加上多模光纤构成了早期的第 2 代光纤通信系统。由于在 1.3μm 波段上光纤损耗较低,因而无中继传输距离可达到 20 km。但由于多模光纤严重的多径色散,早期的第 2 代光纤通信系统仍只能用在低速率场合,传输速率在 140 Mbit/s 以下。 20世纪 80年代中期投入营运的第 2代光纤通信系统由 1.3μm 的半导体激光器和单模光纤构成。在 1.3μm 波长上单模光纤不仅传输损耗低,而且色散小,因此适宜于长距离、高速率传输,典型的传输速率是 140 Mbit/s,中继距离超过了 30 km。第 3 代光纤通信系统采用 1.55μm 作为工作波长,以色散位移光纤作为传输媒介。在 1.55μm 波长上光纤损耗最小,同时由于采用了色散位移光纤,在此波长上色散也最小,因而这种系统适宜于超高速率、长距离无中继传输。第 3 代光纤通信系统的典型传输速率为 565 Mbit/s、 622 Mbit/s 和 2.488 Gbit/s,中继距离超过 100 km。第 3 代光纤通信系统自 20 世纪 80 年代后期研制成功以来,2 已大量投入使用。 第 4 代光纤通信系统采用波分复用( WDM)技术,在同一根光线中传输多个光载波,获得了更高的传输速率,同时采用光纤放大器直接放大光信号以代替传统的光 -电 -光中继方式。这种系统的传输速率已经超过 10 Gbit/s,并已投入营运。 第 5 代光纤通信系统经过了将近 20 年的发展,是在光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的基础上产生的光孤子,从而使得光脉冲信号在传 输过程中能够保持不变的形状 [2]。 光纤通信的优越性逐步体现于光放大技术的应用、光纤传输性能的改善和传输色散补偿技术的应用,另一方面,系统的容量和传输速率也得到了一定的提高。我们就可以想象在各种技术、器件、工艺进一步的研究了解中,光纤传输即将进入光集成、光放大、光交换、光交叉连接和光分插复用的全光网络。现在,全光网络还刚刚起步,如果想要得到的光网络层是以光交换技术和 WDM 技术为核心的,形成真正的全光网络,我们就必须要把电光瓶颈消除掉,当然未来信息化网络的重点也是这个 [3]。 1.2 本设计的主要工作 本文 共分为 5 章,编写时首先介绍了本次课题的研究背景,然后讨论了光纤通信系统的基本概念以及光纤通信系统的接口码型的选择,另外还介绍了光纤通信线路接口码型,接着介绍了解扰码的设计,最后介绍了基于 VHDL 的 HDB3 编译码器的设计。第 1 章简单介绍了光纤通信的发展历史和在现在信息社会中起到的举足轻重的作用,以及各种各样的光纤通信系统的发展阶段。第 2 章主要介绍了光纤通信的基本概念,数字光纤通信系统的基本结构,并且介绍了光纤通信系统的接口码型的选择。第 3 章基于光纤通信线路接口码型,介绍了信息论和编码技术,以及在基带传输系统中 适合在信道中传输的常用码型,和光纤通信线路接口码型,其中着重分析了 HDB3 码在使用中的优势,借此引出本文的主题光纤通信系统线路接口码型 HDB3 码的编译码设计。第 4 章就解扰码的设计进行了编写,给出了解扰码的原理以及原理图,并且在 MaxPlusII 开发软件环境下,根据图形法设计进行了仿真,得出了仿真结果,并对仿真结果进行了分析。第 5 章是本文的中心 基于 VHDL 的 HDB3 编译码器的设计,在MaxPlusII 开发软件环境下,基于 VHDL 语言的程序编写并仿真,实现了 HDB3 编译码器的设计,并且给出了 VHDL 语言 的实现方法和仿真波形,并针对仿真结果进行了分析。 3 第 2 章 光纤通信系统 2.1 光纤通信的基本概念 光纤通信,是以激光源产生的光波为信号载频,光导纤维为传输介质的通信方式。 光纤通信技术是 20 世纪 70 年代初期兴起的,之所以发展迅猛,主要取决于它所具备的优越性,主要有以下几点( 1)传输频带宽,通信容量大;( 2)传输损耗小,中继距离长;( 3)绝缘、抗电磁干扰的能力强;( 4)无串音干扰,保密性好;( 5)光纤线径细,重量轻,柔软;( 6)光纤的原材料资源丰富,用光纤可节约金属材料 [3]。 2.2 数字 光纤通信系统的基本结构 光纤通信系统中,目前应用最广泛的两种系统结构为一种是点到点的直接强度调制 /直接检测( IM/DD)系统,根据传输信号的性质不同,又可分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统;另一种是波分复用光纤通信 [2]。 目前使用比较多的系统形式是强度调制 /直接检波( IM/DD)的光纤数字通信系统。光纤数字通信系统主要是由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成的 [3],如图 2.1 所示。 图 2.1 光纤数字通信系统原理框 图 在点对点的光纤数字通信系统中,信号的传输过程为首先将电发射机输出的脉码调制信号送入光发射机,光发射机的核心器件是能够完成电 -光转换的半导体光源,将传送过来的电信号转换成光信号耦合进光纤。在收发端机之间,为了保证通信质量,在其适当距离上必须设有光中继器。光纤通信中,光中继器的形式主要有两种,一种是光 -电 -光转换形式的中继器,另一种是在光信号上直接放大的光放大器。光接收机的核心器件是能够完成光 /电转换任务的光电检测器,将光纤传送过来的光信号转换成电信号,然后对电信号进行处理,使其恢复成原来的脉码调制信号 再送入电接收机。在通信系统的线路上,目前主要采用由单模光纤制成的不同结构形式的光缆,这是由于它具有较好的传输特性 [3]。 光纤 O/E PIN,APD 光接收机 电接收机 收端 E/O LD,LED 光发射机 电发射机 发端 光纤 E/O O/E 光中继器 光 收 光 发 4 2.3 光纤通信系统的接口码型的选择 标准的接口码型按照数字通信的模式来分,有两种 HDB3 码和 CMI 码。 在数字光纤通信系统中, HDB3 码是数字光纤通信设备和相应 PCM 设备之间的接口码型。 HDB3 码的编码实质上就是将二进制传号编译成交替反转码,若二进制中空号的数目最大为 3时,则 HDB3 码就和 AMI 码一样,消息中的“ 1”码用 1 和 -1 交替变换,而空号“ 0”则保持不变。但是当二进制中连“ 0”的数目超过 3 时,就把每 4 个连“ 0” 化作一小节,定义为 B00V,即破坏节,其中“ V”破坏了极性交替原则,则为破坏脉冲,同一取代节中,“ V”脉冲和前一个非“ 0”脉冲之间的极性相同,而且相邻的“ V”脉冲之间的极性相反,取值为 1 或 -1。而“ B”为调节脉冲,用来确保 HDB3 码中相邻的“ V”脉冲之间的脉冲数目为奇数,“ B”的取值可选 0、 1 和 -。 HDB3 码的编码电路原理框图如图 2.2 所示。图中, V 脉冲插入和 B 脉冲形成电路在编码电路中其实是一个逻辑电路,当二进制中空号的数目最大为 3 时,则输出为输入的信号序列码。但是 当二进制中空号的数目超过 3 时,则就把每 4 个空号串中的第 4 个空号用“ V”脉冲替代。电路中的“ B” 脉冲添补电路则是在插入的“ V”脉冲正好在 4 空号串中第一个空号的位置上时进行的。破坏点形成电路其实就是将取代节中补放的“ 1”码变换成破坏点,最后通过传号交替反转电路来输出 HDB3 码的序列。 图 2.2 HDB3码编码电路原理框图 HDB3 码的译码过程其实就是 HDB3 编码的反过程,如图 2.3。首先将输入正负极性交替的HDB3 码进行双 /单极性变换,最后输出的两路二值码一路在另一路为空号的情况下可能会非连续出现两个脉冲信号,图中的 V 脉冲检出电路的作用是检测出连出两个脉冲中的第二个脉冲即“ V”脉冲,然后通过信号合成电路将 HDB3 和 -HDB3 两路信号合成,最后通过 B, V 脉冲扣除电路利用“ V”脉冲将信号合成电路中的输出信号中扣除“ B”和“ V”,并且还原成 NRZ 信号 [4]。 B CP HDB3 NRZ V 脉冲插入和 B 脉冲形成电路 破 坏点形成电路 传号交替反转电路 B 脉冲添补电路 5 图 2.3 HDB3码译码电路原理框图 在数字光纤通信系统 中, CMI 码是四次群数字光纤通信设备和四次群 PCM 设备之间的接口码。 CMI 的编码电路比较简单,就是将二值码 NRZ 序列中的“ 1”和“ 0” 状态进行分离,然后将 “ 1”码交替用“ 11”和“ 00”两位码表示,“ 0”码固定地用“ 01”表示,最后再将其合成输出就是 CMI 码。 CMI 码的译码过程不是 CMI 的逆过程,是采用延时 CMI 码 T/2(半比特时间)然后相加,时钟读出的方法。 CMI 码的编译码电路原理框图如图 2.4。 图 2.4 CMI 码的编译码电路原理框图 数字基带 信号 CMI 编码 光发送 光纤 光接收 CMI 译码 NRZ HDB3 - HDB3 V 脉冲 检出电路 信号合 成电路 B, V 脉冲 扣除电路
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