硕士论文基于CWDM多路光纤通信系统的波长转换器及监控器的研究

1、(硕士论文)基于cwdm多路光纤通信系统的波长转换器及监控器的研究 学位论文的主要创新点 一、提出了一种双通道波长转换器的设计方案，设计了双通道波长转换器的硬件 和软件，实现了光纤通信的光信号波长转换功能； 二、提出了一种监控器的设计方案，设计了监控器的硬件和软件，能够轮询检测 多个双通道波长转换器的工作参数，并将其实时传输给上位机，以及上位机通过 监控器远程改变波长转换器工作模式。 三、制定了监控器与双通道波长转换器和上位机的通信协议，编写了通信软件， 实现了监控器与双通道波长转换器和上位机的通信。 摘 要 随着通信网络的发展，城域网建设中普遍存在光纤资源紧张和传送业务种类 多的问题，宽带城

2、域网已成为城域网的发展趋势。多路光纤通信系统是采用复用 技术实现在单根光纤上同时传输多路信号，提高光纤信道利用率。采用多路光纤 通信系统的城域网能够在不增设光缆情况下，增加传输带宽，减少扩容成本，是 宽带城域网建设中的一种经济的解决方案。稀疏波分复用 （cwdm ）技术是一 种传输距离短，不需要使用放大器的波分复用（wdm ）技术，具有低成本、容 量大、应用灵活和易扩展等优点，适合于宽带城域网的多路光纤通信系统。 本文针对基于cwdm 技术的多路光纤通信系统的波长转换器及监控器进行 了研究。在分析了波分复用技术的基础上，给出了基于cwdm 技术的多路光纤 通信系统的设计方案；提出了一种双通道波

3、长转换器的设计方案，采用双路2 × 2 异步矩阵开关sy55859l 芯片和单片机stc12c5a60s2 芯片设计了双通道波长 转换器的硬件电路，主要包括光纤收发器接口、异步矩阵开关、通信及单片机控 制等电路；提出了一种监控器的设计方案，以arm9 s3c2440a 芯片为核心设计 了监控器的硬件电路，主要包括arm 最小系统、以太网接口、光网络接口及串 行通信接口等电路；利用keil 4 开发环境，采用c 语言编写了双通道波长转换 器的软件，利用ads1.2 开发平台，采用c 语言编写了监控器的软件，制定了监 控器与双通道波长转换器和上位机的通信协议，并采用c 语言编写了通信软件

4、； 并制作出了实验样机，搭建了多路光纤视频通信系统，进行了实验验证。实验结 果表明，所研制的双通道波长转换器具有光纤通信的光信号波长转换功能；监控 器能够轮询检测多个双通道波长转换器的工作参数并将其实时传输给上位机，以 及上位机通过监控器远程改变波长转换器工作模式；由双通道波长转换器和监控 器组成的多路光纤视频通信系统能够实现在一根光纤上传输的视频信号路数是 原来的8 倍，提高了光纤信道利用率，系统稳定、可靠，满足了设计要求。 由所研制的双通道波长转换器和监控器组成的多路光纤通信系统将不同波 长的光信号复用至单根光纤进行传输，在一根光纤上传输信号的路数是原来的8 倍，提高了光纤信道利用率，减少

5、光纤线路成本，节约了工程费用，适合于宽带 城域网建设的需求，在政府、金融、能源、教育、军队、企事业单位等机构的宽 带城域网建设中具有广泛的应用价值，以及显著的经济效益和社会效益。 关键词：宽带城域网；稀疏波分复用；光纤通信；波长转换器；监控器 abstract with the development of the communication network, there are many problems in the construction of the metropolitan area network man . such as optical fiber strain on the

6、 resources and types of transmission services. the broadband man has become the development trend of man. multi-channel fiber-optic communication system using multiplexing to achieve simultaneous transmission of multiple signals on a single optical fiber, and improve the utilization of the fiber cha

7、nnel. by using multi-channel fiber-optic communication system, man, in the case without additional fiber optic, can increase the bandwidth of transmission, reduce the cost of expansion, is an economical solution for the construction of broadband man. coarse wavelength division multiplexing cwdm tech

8、nology is a short transmission distance, and do not need to use the amplifier wavelength division multiplexing wdm technology, it has low-cost, large-capacity, application flexible and easy to expand, etc. and it is suitable for the multi-channel fiber-optic communication system of the man. in the t

9、hesis, the dual-channel wavelength converter and the monitor of multi-channel fiber-optic communication system based on the cwdm is studied. based on the analysis of the wdm technology, the design of multi-channel fiber-optic communication system based on the cwdm has been raised. proposed the desig

10、n of dual-channel wavelength converter, mcu chip stc12c5a60s2 and dual 2×2 the asynchronous matrix switch chip of sy55859l were adopted to design the hardware circuit of dual-channel wavelength converter, mainly includes fiber optic transceiver interface, asynchronous matrix switch, communicati

11、on, microcontroller control circuit and so on. proposed the design of monitor, arm9 chip s3c2440a was adopted to design the hardware circuit of monitor, mainly includes arm minimum system, ethernet interface, optical network interface, serial communication interface circuit and so on. on the keil 4

12、platform, using c language realized the software of dual-channel wavelength converter. on the ads1.2 platform, using c language realized the software of monitor. to develop the communication protocol for monitor with dual-channel wavelength converter and pc, using c language compiled the communicati

13、on software. made the model machine, built multi-channel fiber-optic video communication system and verified by experiments. the result showed that dual-channel wavelength converter realizing the function of wavelength conversion of the optical signal in the optical fiber communication. operating pa

14、rameters, which had been polled from multiple dual-channel wavelength converter by monitor, can be real-time transferred to the pc, and pc can remote to change the operating mode of the dual-channel wavelength converter by monitor. the multi-channel fiber-optic video communication system, which comp

15、osed by the dual-channel wavelength converter and monitor, enables the number of a video signal transmitted in an optical fiber is 8 times the original, and improve the utilization of the fiber channel. the system is stable, reliable, and meet the design requirements. the multi-channel fiber-optic c

16、ommunication system, which composed by the dual-channel wavelength converter and monitor, can be multiplexed with the optical signals of different wavelengths to a single optical fiber for transmission. enables the number of signal transmitted in an optical fiber is 8 times the original, and improve

17、 the utilization of the fiber channel. reduce the cost of fiber-optic lines, saving the cost of the project, suitable for the needs of the construction of broadband man, the construction of broadband man in the institutions of government, finance, energy, education, the military, enterprises with a

18、wide range of applications, it has remarkable economic efficiency and the social efficiency. keyword： cwdm； multi-channel fiber-optic communication ； wavelength conversion； monitor 目 录 第一章 绪论. 1 1.1 课题的国内外现状. 1 1.2 课题研究的目的和意义.3 1.3 课题主要研究内容.3 第二章 波分复用技术.5 2.1 波分复用技术的基本原理.5 2.2 波分复用技术的优点.6 2.3 波分复用技术

19、的分类与比较.7 第三章 基于cwdm 技术的多路光纤通信系统设计方案.9 3.1 系统组成及工作原理.9 双通道波长转换器. 10 监控器. 11 复用/解复用器. 11 sfp 光纤收发器. 12 3.2 多路光纤通信系统功能及性能指标. 13 第四章 双通道波长转换器的设计方案及硬件设计. 15 4.1 双通道波长转换器的设计方案. 15 4.2 双通道波长转换器硬件设计. 16 sfp 光纤收发器接口设计. 16 双路2×2 异步矩阵开关. 17 匹配网络电路.20 .1 lvpecl-cml 的交流耦合电路.20 .2 cml-lvpecl 的交流耦合电路.21 .3 匹配

20、网络电路原理图.22 rs485 通信电路.22 led 显示电路.23 单片机控制电路.24 电源电路.25 第五章 监控器的设计方案及硬件设计.27 5.1 监控器的设计方案.27 i 5.2 监控器硬件设计.27 主控器选型.27 存储器接口设计.28 jtag 接口设计.32 复位电路设计.33 以太网接口电路设计.34 光网络接口电路设计.35 串行通信接口电路设计.36 .1 rs232 接口电路.36 .2 rs485 接口电路.37 电源电路设计.38 第六章 双通道波长转换器和监控器的软件设计.41 6.1 双通道波长转换器的软件设计.41 双通道波长转换器软件需要实现的功能

21、.41 双通道波长转换器主程序设计.41 系统初始化子程序设计.42 读取光纤收发器运行参数子程序设计.43 串口通信子程序设计.43 6.2 监控器的软件设计.44 监控器软件需实现的功能.44 监控器主程序设计.44 信息轮询子程序设计.46 以太网数据帧处理子程序.47 监控器串口中断通信服务程序设计.49 指令分析子程序设计.50 6.3 监控器与双通道波长转换器和上位机的通信协议及软件设计.51 监控器与双通道波长转换器通信协议.51 监控器与双通道波长转换器通信软件设计.52 监控器与上位机的通信协议.52 监控器与上位机的通信软件设计.55 第七章 实验与调试.57 7.1 系统

22、调试方案.57 7.2 双通道波长转换器实验与调试.58 7.3 监控器实验与调试.59 ii 7.4 多路光纤视频通信系统实验与调试.61 第八章 总结与展望.63 8.1 总结.63 8.2 展望.63 参考文献.65 发表论文和参加科研情况.67 致谢.69 iii 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题的国内外现状 随着信息技术的不断发展，通信在人们的工作、生活中变得尤其的重要。同 时，随着通信网络的发展，与人们的生活密切相关的数据、图像及声音等信号都 需要在城域网中进行传输，早期采用电缆来传输信号，但存在信号衰减严重、易 受其他电磁波干扰等原因，难以保证传输效果，为提高传输质量，现

23、在均采用光 纤通信。所谓光纤通信，就是利用光作为载波来传送信息，并实现通信的方法， 光纤通信是通信中的一个重要分支，由于其传输频带宽、通信容量大、传输距离 远、损耗低、受干扰小等特点越来越受到广大用户的青睐，被广泛应用于各种场 1 合 。但是近年来，由于网络业务的飞速发展，随着人们生活水平的日益提高， 城域网需要支持各种客户层信号，而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽， 2 从而导致城域网建设中普遍存在传送业务种类多和光纤资源紧张的问题 。 为了解决由市场需求增长引起的现有城域网光传输能力不足的问题，最初人 们选择的解决方案是铺设更多的光纤，这种方案只是简单的解决了光纤数量的不 足的问题，对

24、于传输距离相对较短、光纤安装耗资少的网络来说，不失为一种解 决方案，但是这种方案不仅受到物理条件的限制，而且也没有充分的利用光纤的 3 巨大带宽资源 。因此，光纤链路的更高速率、更大容量传输模式也成为近期国 内外研究的热点，其主要表现在提高单纤传输能力和采用新的复用技术上。 对提高单纤传输能力的研究，目前主要体现在提高单纤的传输速率上，国外 对提高单纤传输能力的研究已经远远走在我国前面。如日本nec 和法国alcatel 公司分别在100km 距离上实现了273 ×40gb/s 和256 ×43gb/s 的传输实验。其中 前者每个波长的速率为40gb/s ，共273 个波长

25、，间隔50ghz，覆盖了c，l 和s 波段。而后者利用gesi 技术实现每个波长42.7gb/s 的速率，共有256 个波长， 4 75ghz 和50ghz 信道间隔交替使用 。 由于宽带城域网已成为城域网的发展趋势，所以解决现有城域网的光传输能 力的不足的方案就是采用多路光纤通信系统。它是一种可以采用复用技术实现在 单根光纤上同时传输多路信号的系统，从而提高光纤信道的利用率。在光纤通信 中使用复用技术，对于资源共享、降低成本、提高可靠性以及充分利用光纤的带 宽实现综合业务传输有重要意义。 采用多路光纤通信系统的城域网能够在不增设光缆情况下，增加传输带宽， 1 天津工业大学硕士学位论文 减少扩

26、容成本，是宽带城域网建设中的一种经济的解决方案。以传输视频信号为 例，为了有效利用光纤带宽可以采用时分复用（time division multiplexing，tdm ） 技术，其原理是可以提高信号的比特率，但是，如果只使用tdm 方式，目前很 多厂家已能通过单纤传输 16 路实时视频信号。此外，由于受电子电路物理极限 的限制，传输信号比特率也不会无限制的提高，所以单根光纤的传输容量依然还 是有限的。另外就是采用波分复用 （wavelength division multiplexing，wdm ） 技术，wdm 作为复用方式的一种应用也越来越广泛，wdm 系统能够利用已经 铺设好的光纤，使

27、单根光纤的传输容量在高速率tdm 的基础上成倍地增加。所 以wdm 系统能更加充分的利用光纤带宽，解决城域网范围内通信网络传输能力 5 不足的问题 。 因此，目前对复用技术的研究主要集中在wdm 系统的应用上，其是将多种 6 不同波长的光载波信号耦合到一根光纤中传输的形式 。wdm 系统的工作波长 很宽，原则上只要是光纤的低衰耗低色散窗口的波长都可以实现，目前的研究范 围主要集中在长波长波段上。采用wdm 技术可使光纤通信系统的通信能力成几 十倍甚至于成百倍的增加。并且使光线路的成本大大降低。这种技术对于提高系 统的通信容量是十分有效的。例如现在1 个光载波的速率为 2.5g b/s，经过wd

28、m 后，使用8 个这样的系统复用，从而使该光线路的通信容量提高到 20g b/s，增 大了8 倍。这将会为城域网建设带来巨大的效益。 wdm 技术根据波长间隔的疏密又可分为密集波分复用 （dense wavelength division multiplexing ，dwdm ）技术与稀疏波分复用（coarse wavelength division multiplexing ，cwdm ）技术两类。在长途传输中，由于 dwdm 技术采用了掺 铒光纤放大器将光信号直接放大，节省了大量的电中继设备，从而很大的节约了 成本。但是，由于掺铒光纤放大器较窄的平坦增益带宽以及它本身某些增益特性 的限制，

29、人们又必须采用高波长稳定度的激光器和密集波分复用/解复用器，同 时在整个线路上进行光功率均衡；此外，由于电中继传输距离的加长，对激光器 的色散容限和啁啾特性又提出了更高的要求，而应用这些技术则又必然提高了系 7 统成本 。所以虽然dwdm 技术具有高带宽、协议与传输速度无关等优点，但 是城域网中的传输平台上使用dwdm 技术却是得不偿失。而cwdm 技术以其 成本低、功耗小、容量大、应用灵活和易扩展等诸多优点在波分复用中占有相当 重要的地位，同时cwdm 技术也为宽带城域网提供了全新的解决方案。 据考察，cwdm 技术诞生于20 世纪80 年代初，当时德国的quante 公司推 出了一个工作在

30、800nm 窗口、每信道的速率为140mbit/s 的四波系统，它首先应 8 用在利用多模光纤传输数字视频信号的有线电视的广播链路 。2001 年以后就有 设备制造商开始推出cwdm 设备，并应用到相关行业。目前在欧美国家，cwdm 2 第一章 绪论 设备已经普遍在城域网中应用，国外的一些电信设备公司也都有相应的产品推 出，但是进口产品到了我国市场，价格仍然偏高。国内有华为的optix bws 1600g 系统、中兴的unitranszxwm-32 系统等属于同类产品，这些系统可以将语音、 视频和数据整合入同一平台，实现话音、数据、图像、多媒体信息在光纤上进行 9 多波道传输，可以作为宽带接入

31、网设备 。同时，cwdm 系统可以与现有长途 传输的dwdm 系统进行波道的兼容和互通，可以充分的体现其适应性。 1.2 课题研究的目的和意义 本课题研究的目的是设计并实现多路光纤通信系统中的波长转换器及监控 器。通过对波长转换器工作原理的分析及实际工程中的需求，设计了基于光- 电- 光技术的双通道波长转换器和基于 arm9 的监控器，并制定了监控器与双通道 波长转换器和上位机的通信协议。本课题设计的双通道波长转换器在正常工作模 式下可以同时提供两路光信号的波长转换功能，当光纤损坏或发送/接收设备发 生故障导致通信中断时，可以通过设置波长转换器为环回模式进行光纤故障检 测。同时，监控器能够轮询检测多个双通道波长转换器的工作参数并实时传输给 上位机，以及上位机通过监控器远程改变波长转换器工作模式。 由所研制的双通道波长转换器和监控器组成的多路光纤通信系统将不同波 长的光信号复用至单根光纤进行传输，在一根光纤上传输信号的路数是原来的8 倍，提高了光纤信道利用率，减少光纤线路成本，节约了工程费用，适合于宽带 城域网建设的需求。该系统性能好，功能先进，成本低，可用于在部分电信光缆 资源不足、而业务增长迅速，且急需光缆扩容又不方便的地区。在政府、金融、 能源、教育、军队