光纤通信课程设计.doc

沈阳至北京铁路区间光纤通信系统设计光纤通信期中论文论文题目 沈阳至北京铁路区间计 光纤通信系统设 姓 名 韩 冰 学 号 P081513222 学 院 电气工程学院 专业班级 2008级通信工程3班 目录引言3一、铁路区间通信系统光纤数字化面临的难题3二、铁路区间光纤通信系统的构成4三、端站设备的设计与实现53.1 端站设备与区间终端的通信实现53.2 端站设备的主控制板与业务板间的通信实现63.3 业务板的设计与实现6四、 区间终端的设计与实现7六、综合设计86.1地理形式分析86.2光纤的选定96.3端设备的选定96.4中继器106.5总体设计11五、结束语11沈阳至北京铁路区间光纤通信系统设计 姓名：韩冰 学号：P081513222 专业：通信工程三班摘 要 针对我国铁路区间通信系统现状，提出了基于光时分多址接入方式对目前铁路区间铜芯电缆通信系统进行光纤化升级。并阐述了铁路区间光纤传输系统中的区间设备和端站设备的设计原理与实现，为铁路区间语音和数据信号采用全光链路进行传输以及信息的交换和控制等功能提供了解决方案。关键词 铁路区间通信，光纤通信，时分多址接入ABSTRACTAiming at the status of Chinas railway communications system range is proposed based on optical time division multiple access methods on the current range of copper cable railway of optical fiber communication system upgrade. And to study the Railway Section in the range of optical fiber transmission system and terminal station equipment, equipment design principle and implementation for voice and data signals Railway Section all-optical link for transmission and exchange of information and control functions to provide a solution.Key words: Railway section communication,Optical fiber communication,Time division multiple access引言铁路区间电话是铁路运输专用通信系统的重要组成部分。在铁路区段通信中，铁路区间电话作为铁路区间作业人员与车站值班员和其他有关人员进行业务联系和施工防护等所用。两车站之间每间隔1.5km 左右设置区间通话柱实现区间通信。目前我国铁路区间通信系统主要利用铜芯电缆进行通信，从实际通信效果来看，存在着带宽窄、容量小、损耗大、防干扰能力差、维护难度大等缺点。同时随着我国经济的发展，铜芯电缆价格也越来越贵，造成建设投资成本越来越大。如果对铁路区间通信系统全部实现光纤化升级，有利于降低成本，提高铁路区间通话柱处的数字接入带宽，满足铁路沿线对于宽带业务传输能力的要求。因此，对铁路区间光纤通信系统进行研究，这对于我国电气化铁路运营区段具有特别重要的意义。一、铁路区间通信系统光纤数字化面临的难题铁路区间光纤通信系统实际上属于分布式多址光接入通信方式，传输中可以采用时分、频分和波分复用等不同形式。研究的核心是以光纤取代铜芯电缆，以节约成本，提高通话质量，并扩充宽带数字接入能力。因此，在满足系统应用需求条件下，采用最能节省成本、降低经济投入的铁路区间光纤通信系统的构成方案与传输体制，才是本项目研究的关键所在。从实际需求来看，铁路区间通信系统光纤数字化面临的技术难点主要体现在以下两个方面： 由于铁路运输通信设计规范的要求，两车站之间在原来通话柱处必须设置无源光接口以替代区间通话柱实现的功能，所以无源光接口众多，由此引入的损耗将远远大于两车站之间光纤损耗，这成为制约区间光纤通信系统接入与组网方式的重要因素。因此，需要对各个光接口位置光器件参数进行全局性优化设计，降低接入损耗，实现来自不同光接口的信号光功率在全光纤链路上的均衡。 区间设备属于即插即用设备， 它的接入与否，不能影响区间的正常通信功能，这样，选择合适的光信号复用方式，避免来自不同无源光接口信号之间的碰撞、冲突或干扰至关重要。若采用光波分复用方式，现有技术条件具备， 通过简单的技术集成就能实现，缺点是成本太高。若采用光时分复用方式，由于现有技术是在电域首先进行时分复用，然后再对复用后的信号进行光调制，并不适用于来自区间多个无源光接口的光信号之间的时分复用，只有在光域直接完成时分复用，这就面临着巨大的挑战，目前并没有公开的技术方案或成熟产品可供借鉴，因此，需要从底层开始研发，进行技术创新。二、铁路区间光纤通信系统的构成根据目前铁路区间通信体系的特点将整个系统分为两大部分：端站设备和区间设备，两者之间通过光纤链路构成传输系统。端站设备放置于铁路车站，由光电转换、业务功能、控制处理等单元模块组成，接入车站内需要和区间联系的各种业务， 并对区间设备进行控制和管理，是整个系统的主控设备。区间设备属于即用即插设备， 由光同步检测、信道复用与解复用、光电接口、E1 接口、低噪声话筒前置放大、音频功率放大、音频AD 和DA 变换、PCM 编解码、键盘、显示和电源等模块单元组成，主要实现铁路区间语音通信、数据和图像业务传功能。光纤链路是业务传输的通道，可承载不同业务种类，包括不同柱间互通、呼叫值班员、区间直通、传送区间的数据和图像等业务， 不同业务可同时进行，互不干扰。三、端站设备的设计与实现端站设备是车站与区间实现通信的控制中心。主要负责对主控端的功能控制、对区间终端的呼叫应答及各个模块的信道协调分配。将来自区间光纤的光信号转为电信号， 将送往区间光纤的电信号转为光信号，实现不同类型业务的分离、识别和控制，并提供各种业务接口。3.1 端站设备与区间终端的通信实现端站设备与区间终端的通信主要依靠协议通道，主控设备与区间接入点的终端之间的协议通信，在单独划分出的协议通道中完成，主控设备作为协议通道中的主机设备，负责分配信息通道，各终端的从机设备，由主机进行信息广播或轮询，从机进行应答。终端可以随时接入和断开。终端接入后，主机为其动态分配ID 号，实时查询终端状态、业务请求等信息。3.2 端站设备的主控制板与业务板间的通信实现端站设备由2 个主控板（一个备用）和多个业务板组成，针对同业务需求，可以扩展多个业务板，最多可扩展15 个不同类型的业务板， 主控板与多块业务板构成多机收发网络。主控设备板与业务板之间通过RS-485 接口完成对业务板的状态查询、线路设置、信道选择及呼叫轮询等功能操作，它实时地监控各个业务板的工作状态及呼叫请求，一旦检测到业务板的呼叫请求，即对系统中的信道占用情况进行分析，若信道空闲，则即时的分配给目标业务板，否则保持业务板等待状态直到信道空闲。3.3 业务板的设计与实现业务板设计从两个方面考虑，一是与主控板实现正常通信，PCM 数字通道和RS485 总线接口符合主控板规范要求； 二是自身业务功能和外部接口的实现。由于POTS 口业务板相对复杂一些， 这里以POTS 口业务板为例，介绍业务板的设计与实现。系统主要由POTS 口模块、PCM 音频编解码、音频AD 和DA 变换这几部分组成。POTS 口模块一方面与外界电话线连接，一方面与内部电路进行交互。电话线下来的语音信号经过POTS 口模块进行下一步处理， 而业务板的语音信号也必须经过POTS 口模块才能送上电话线。POTS 口模块的下来的语音信号进行AD 变换、PCM 音频编码，经总线送入数字通道；来自数字通道的数字语音信号， 经过PCM 音频解码、DA变换后还原为模拟音频，再送入POTS 口模块。POTS口模块包括振铃检测、开关电路、电话音频信号传输、消侧音等几个子功能模块组成。振铃检测模块主要由振铃检测电路，以及单片机控制电路组成。振铃检测芯片与外边电话线直接相连，当外部有电话打入时，电信交换局发送交流铃流信号，振铃检测芯片检测到铃流信号时，会发送一个高电平信号给89S52 单片机，单片机根据此信号将继电器开关导通，模拟摘机动作。然后交换机就能立刻检测到本地用户直流环路电流的变化，继而进行截铃和通话接续处理。接通通话后的主叫音频信号通过极性转换电路送往通信电路。通信电路主要由消侧音电路以及发送和接收放大器组成。因为消侧音电路是通话电路的核心部分。为了消除侧音，采用桥式电路进行处理。四、 区间终端的设计与实现区间终端设备通过区间无源光接口的接入设备。主要功能是将来自车站的光信号，首先通过光电转换模块接收，转为电信号并放大处理，然后由光同步检测控制、解复用单元分离出通道信息。送往车站的信号，在光同步检测单元的控制协调下、经电光转换，在光域复用进入通道所在时隙通道。对于协议通道和业务通道，通过安排不同的时隙通道来划分，由于在时隙通道上传送的是数字信号， 所以对于语音业务，设计有音频AD 和DA 变换单元来进行转换。E1 接口提供的2M 数据业务和64k 语音业务占用的是不同时隙，可同时进行传输。为了避免来自不同无源光接口信号之间的碰撞、冲突或干扰，必须实现光信号的同步检测和控制。主要通过ASIC 芯片技术， 设计外围硬件电路和内部核心软件，将光同步检测控制、信道复用与解复用功能集成在一片大规模可编程芯片上，并提供与微处理器的协议总线接口和64k、2M 输入输出数据通道。如图1 所示。图1 给出的是光接口处的情况，最上面的线表示_光纤，一直处于通路状态。没有区间终端设备接入时，系统保持正常运行；若区间终端设备接入时，右边上行支路光纤输入的光信号必须与主通道光纤保持同步，插入到它自己拥有的时隙中，这样就不会对主通道形成干扰，从而保证系统正常运行。光同步检测与控制核心模块工作原理是：下行光纤支路输出的光信号经光电变换进入核心模块以后，在光同步检测与控制单元协调下，经过解复用单元将协议信号、64k 和2M 数据分离，送入各自的总线接口输出；同样，来自各输入接口的功协议信号、64k 和2M数据则在光同步检测与控制单元协调下，经过复用单元合成，经电光变换由上行支路光纤进入主通道。复用单元完成的只是内部时隙之间的复用，上行支路信号与主通道信号的复用是在光域直接进行的，通过光同步检测与控制单元，在正确的时间，将上行支路信号插入正确的时隙。六、综合设计6.1地理形式分析沈阳至北京区间铁路总长703km，其中沈阳至锦州223km，锦州至山海关165km，山海关至唐山164km，唐山至北京151km。目前光纤的中继距离一般在100km以上，为了保证传输的有效性，在沈阳和锦州之间设计两个中继站，在锦州至山海关、山海关至唐山、唐山至北京之间分别设一个中继站。在沈阳、锦州、山海关、北京分别设一个端站设备。6.2光纤的选定光纤选定为G.625光纤。该光纤被广泛应用于数据通信和图像传输。在波长1310nm窗口处有零色散，是目前应用最广泛。6.3端设备的选定端设备包括光接收机和光发机，光接收机是将接收到的光信号转化为电信号，其中包括同步检光与控制模块，原理框图如下：图1 光同步检测与控制核心模块图整个光接收原理图如下：图2 光接收原理图如下光发送机是将电信号转换为光信号，原理框图如下：图3 光发机原理框图6.4中继器光纤通信在进行长距离传输时，由于光纤中存在损耗和色散，使得光信号的能量降低，光脉冲发生展宽的。因此每个一定的距离就需要设置一个中继器，以便对信号放大和再生，然后进入光纤继续传输。结合实际，选用半导体光放大器，半导体放大器的特点是尺寸很小，增益较高，一般在1530dB，频带宽一般为5070nm。存在的问题是于光纤耦合损耗大，为58dB。图4 沈阳至北京铁路地图6.5总体设计结合实际情况，根据沈阳至北京的铁路地图，设计铁路区间光通信原理框图如下：图5 铁路区间光纤通信系统组成示意图五、结束语铁路区间通信在光域完成光的时分复用，在降低成本的同时，避免来自铁路区间多个不同无源光接口信号之间的碰