高速光纖通信傳輸系統設計

李一東，荊業楚，劉宏宇，劉立成，王圣元

（中國移動通信集團設計院有限公司 黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

光纖通信傳輸憑借其諸多優點成為被廣泛應用的通信方式，對社會發展起著重要的推動作用[1]。但就整體視角而言，光纖通信的超長距離傳輸仍存在一定制約，如何有效提升長距離光纖通信傳輸的速率成為學術界、工業領域需重點解決的問題。

光纖通信傳輸系統以光為載波，以光導纖維為媒介，實現了實時通信系統的建設與應用。光導纖維損耗低，信息傳輸1 000 km的損耗僅為350 dB，是實現遠距離傳輸的重要前提[2]。

此外，光纖通信傳輸系統的載波頻率高、頻帶寬，單根光纖的帶寬可達20 THz，有效提升了通信傳輸容量[3]。光導纖維的主要材料為石英，運用該材料傳輸光信號的抗干擾能力較強，通常不會受到電磁場干擾，從而有效提升了信息傳輸的安全性與可靠性。

1 高速光纖通信傳輸系統設計實現方法

以高速、長距離通信傳輸為目標，結合光纖通信傳輸系統的特征分析，對高速光纖通信傳輸系統進行設計。在高速光纖通信傳輸系統的設計過程中，應充分考慮系統容量及擴容能力，以確保系統具有較高的光功率。由于系統的動態性需求預測較為困難，因此在系統設計中應充分考慮系統網絡的平滑膨脹能力，并對光功率、光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）進行預算，確保能夠滿足實際應用需求[4]。

在光功率計算過程中，應滿足以下條件：

式中：Pout表示OUT接口發送的光功率；Sout表示接收OUT發送信號的靈敏度；Gainx表示放大器的增益總和；DL表示線路損耗；Dp表示各類插損；YL表示富裕度。

1.1 光功率均衡技術

在具體實踐中，技術人員應根據實際工況采用不同的光功率均衡策略[5]。技術人員需要遵循的光功率均衡原則如表1所示。

表1 光功率均衡原則

1.2 色度色散補償

光纖通信傳輸中，不同波長的光以不同的速度進行傳播。由于光信號在傳輸過程中會出現色散情況，極易導致光能傳播速度下降，因此降低色散是系統設計的重要目標。技術人員應對色散進行補償，補償方式主要有發送端補償、光放大站補償、光前置放大器之前的接收端補償以及光前置放大器與光功率放大器之間的接收端補償[6]。

1.3 偏振膜色散預算

光信號在傳輸過程中會出現偏振膜色散現象，光信號的鏈路會受到限制，需要對偏振膜色散進行預算。每一個光放段的差分群時延為

式中：λPDM表示相應光放段的偏振膜色散系數；L表示相應光放段的長度。根據每一個光放段的差分群時延，可以計算出整個光復用段的線路平均差分群時延，即：

式中：DGD表示光復用段的差分群時延；DCMDGD表示色散補償模塊引入的差分群時延。

2 高速光纖通信傳輸系統硬件設計

2.1 FPGA芯片選擇

為了實現高速傳輸和長距離傳輸目標，選擇應用FPGA芯片。該芯片具有靈活性高、集成度高等特征，特性參數如表2所示[7]。應用FPGA芯片一方面可以有效降低系統設計成本，另一方面可以支持多種通信協議和嵌入式鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）的時序管理。

表2 FPGA芯片特性參數

2.2 電源模塊設計

為了保障芯片正常運行，需要設計與該芯片相匹配的電源電壓。由于FPGA芯片需要的電壓為1.5 V，因此本系統在設計RAM時的光電電壓選擇3.3 V[8]。在具體運行中，節點電壓源提供輸入電壓，通過過濾將電壓提供給光電模塊，并將電壓調節至1.5 V。

2.3 時鐘電路設計

本系統設計中，設置了時鐘電路，頻率為125 MHz，為系統提供工作時鐘。時鐘電路電壓方面，設計為3.3 V[9]。

2.4 外部存儲設計

外部存儲模塊中應用RAM芯片，確保系統能夠實現數據的存儲與共享。同時，設計外部存儲模塊有兩套信號線、數據線，以支持異步訪問，為順利訪問系統提供保障。

2.5 光電轉換設計

光電轉換主要由接收器、發送器兩部分組成，通過光電信號轉換實現信息數據的有效傳輸。在光電轉換模塊運行中，接收器可以將光信號轉換為數字信號，并可以將數字信號傳輸到FPGA芯片上[10]。此外，光電轉換模塊中的發送器可以將待發送的數字信號轉換為光信號，通過光纖進行高速傳輸。為了提升系統的信息傳輸實效，設計時另外加置波長為1 550 nm、最大傳輸速率為2.5 Gb/s的同軸尾纖激光器。

3 高速光纖通信傳輸系統軟件設計

軟件程序開發是高速光纖通信傳輸協同設計的重要環節，對系統功能正常發揮、系統單位的穩定性均有直接關聯。軟件設計中主要對軟件的編程語言進行選用，結合本系統設計目標，確定編程語言為VHSIC硬件描述語言 (VHSIC Hardware Description Language，V-HDL)[11]。開發工具應用能夠與FPGA芯片相匹配的配套工具，且工具同樣應用V-HDL編程語言。邏輯設計主要從通信邏輯、數據存儲以及光纖通信3方面入手。

（1）通信邏輯方面。對串口進行初始化處理，根據已經設定好的邏輯對接收波與發射波進行配置。需要特別指出的是，本系統設計采用的波特率為19 200 bit/s[12]。

（2）數據存儲方面。在數據信息具體傳輸過程中，通過數據幀的方式實現傳輸目標，應保證數據存儲模塊具有實時性特征，以滿足數據信息的實時傳輸需求。在系統設計過程中，應對FPGA芯片、RAM進行調節，并對相關數據信息進行存儲[13]。接收器接收到信號之后，波特率控制器會對信號進行啟動。此時，控制器模塊會進入自動工作的狀態，進而生成時鐘信號。隨后接收器會對信號進行采樣，并完成數據接收與轉換工作。波特率控制器在系統完成數據信息接收工作后自動關閉，RAM會將接收到的數據寫入存儲器中。

（3）光纖通信方面。高速光纖通信傳輸系統輸出的數據為串行數據。由于數據傳輸過程中會受到時序、邏輯限制，因此在軟件設計過程中需要為數據采集提供時鐘源，確保數據有效采集。本系統設計中，FPGA芯片的時鐘源為100 MHz的全局時鐘。在光纖通信邏輯設計方面，可以設定單幀傳輸數據為48 kB，確保可以實現信息數據的高速、長距離傳輸[14]。

4 結 論

光纖通信傳輸憑借其抗干擾性強等特征成為當前廣泛、深度應用的通信傳輸方式。為進一步提升光纖通信傳輸的速度、延長傳輸距離，從實際應用視角出發，對高速光纖通信傳輸系統進行設計，在提升系統設計合理性的基礎上，提升光纖通信傳輸系統性能，從而實現數據信息的高速、遠距離傳輸。