高速光纤通信传输系统设计

李一东，荆业楚，刘宏宇，刘立成，王圣元

（中国移动通信集团设计院有限公司 黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

光纤通信传输凭借其诸多优点成为被广泛应用的通信方式，对社会发展起着重要的推动作用[1]。但就整体视角而言，光纤通信的超长距离传输仍存在一定制约，如何有效提升长距离光纤通信传输的速率成为学术界、工业领域需重点解决的问题。

光纤通信传输系统以光为载波，以光导纤维为媒介，实现了实时通信系统的建设与应用。光导纤维损耗低，信息传输1 000 km的损耗仅为350 dB，是实现远距离传输的重要前提[2]。

此外，光纤通信传输系统的载波频率高、频带宽，单根光纤的带宽可达20 THz，有效提升了通信传输容量[3]。光导纤维的主要材料为石英，运用该材料传输光信号的抗干扰能力较强，通常不会受到电磁场干扰，从而有效提升了信息传输的安全性与可靠性。

1 高速光纤通信传输系统设计实现方法

以高速、长距离通信传输为目标，结合光纤通信传输系统的特征分析，对高速光纤通信传输系统进行设计。在高速光纤通信传输系统的设计过程中，应充分考虑系统容量及扩容能力，以确保系统具有较高的光功率。由于系统的动态性需求预测较为困难，因此在系统设计中应充分考虑系统网络的平滑膨胀能力，并对光功率、光信噪比（Optical Signal Noise Ratio，OSNR）进行预算，确保能够满足实际应用需求[4]。

在光功率计算过程中，应满足以下条件：

式中：Pout表示OUT接口发送的光功率；Sout表示接收OUT发送信号的灵敏度；Gainx表示放大器的增益总和；DL表示线路损耗；Dp表示各类插损；YL表示富裕度。

1.1 光功率均衡技术

在具体实践中，技术人员应根据实际工况采用不同的光功率均衡策略[5]。技术人员需要遵循的光功率均衡原则如表1所示。

表1 光功率均衡原则

1.2 色度色散补偿

光纤通信传输中，不同波长的光以不同的速度进行传播。由于光信号在传输过程中会出现色散情况，极易导致光能传播速度下降，因此降低色散是系统设计的重要目标。技术人员应对色散进行补偿，补偿方式主要有发送端补偿、光放大站补偿、光前置放大器之前的接收端补偿以及光前置放大器与光功率放大器之间的接收端补偿[6]。

1.3 偏振膜色散预算

光信号在传输过程中会出现偏振膜色散现象，光信号的链路会受到限制，需要对偏振膜色散进行预算。每一个光放段的差分群时延为

式中：λPDM表示相应光放段的偏振膜色散系数；L表示相应光放段的长度。根据每一个光放段的差分群时延，可以计算出整个光复用段的线路平均差分群时延，即：

式中：DGD表示光复用段的差分群时延；DCMDGD表示色散补偿模块引入的差分群时延。

2 高速光纤通信传输系统硬件设计

2.1 FPGA芯片选择

为了实现高速传输和长距离传输目标，选择应用FPGA芯片。该芯片具有灵活性高、集成度高等特征，特性参数如表2所示[7]。应用FPGA芯片一方面可以有效降低系统设计成本，另一方面可以支持多种通信协议和嵌入式锁相环（Phase Locked Loop，PLL）的时序管理。

表2 FPGA芯片特性参数

2.2 电源模块设计

为了保障芯片正常运行，需要设计与该芯片相匹配的电源电压。由于FPGA芯片需要的电压为1.5 V，因此本系统在设计RAM时的光电电压选择3.3 V[8]。在具体运行中，节点电压源提供输入电压，通过过滤将电压提供给光电模块，并将电压调节至1.5 V。

2.3 时钟电路设计

本系统设计中，设置了时钟电路，频率为125 MHz，为系统提供工作时钟。时钟电路电压方面，设计为3.3 V[9]。

2.4 外部存储设计

外部存储模块中应用RAM芯片，确保系统能够实现数据的存储与共享。同时，设计外部存储模块有两套信号线、数据线，以支持异步访问，为顺利访问系统提供保障。

2.5 光电转换设计

光电转换主要由接收器、发送器两部分组成，通过光电信号转换实现信息数据的有效传输。在光电转换模块运行中，接收器可以将光信号转换为数字信号，并可以将数字信号传输到FPGA芯片上[10]。此外，光电转换模块中的发送器可以将待发送的数字信号转换为光信号，通过光纤进行高速传输。为了提升系统的信息传输实效，设计时另外加置波长为1 550 nm、最大传输速率为2.5 Gb/s的同轴尾纤激光器。

3 高速光纤通信传输系统软件设计

软件程序开发是高速光纤通信传输协同设计的重要环节，对系统功能正常发挥、系统单位的稳定性均有直接关联。软件设计中主要对软件的编程语言进行选用，结合本系统设计目标，确定编程语言为VHSIC硬件描述语言 (VHSIC Hardware Description Language，V-HDL)[11]。开发工具应用能够与FPGA芯片相匹配的配套工具，且工具同样应用V-HDL编程语言。逻辑设计主要从通信逻辑、数据存储以及光纤通信3方面入手。

（1）通信逻辑方面。对串口进行初始化处理，根据已经设定好的逻辑对接收波与发射波进行配置。需要特别指出的是，本系统设计采用的波特率为19 200 bit/s[12]。

（2）数据存储方面。在数据信息具体传输过程中，通过数据帧的方式实现传输目标，应保证数据存储模块具有实时性特征，以满足数据信息的实时传输需求。在系统设计过程中，应对FPGA芯片、RAM进行调节，并对相关数据信息进行存储[13]。接收器接收到信号之后，波特率控制器会对信号进行启动。此时，控制器模块会进入自动工作的状态，进而生成时钟信号。随后接收器会对信号进行采样，并完成数据接收与转换工作。波特率控制器在系统完成数据信息接收工作后自动关闭，RAM会将接收到的数据写入存储器中。

（3）光纤通信方面。高速光纤通信传输系统输出的数据为串行数据。由于数据传输过程中会受到时序、逻辑限制，因此在软件设计过程中需要为数据采集提供时钟源，确保数据有效采集。本系统设计中，FPGA芯片的时钟源为100 MHz的全局时钟。在光纤通信逻辑设计方面，可以设定单帧传输数据为48 kB，确保可以实现信息数据的高速、长距离传输[14]。

4 结 论

光纤通信传输凭借其抗干扰性强等特征成为当前广泛、深度应用的通信传输方式。为进一步提升光纤通信传输的速度、延长传输距离，从实际应用视角出发，对高速光纤通信传输系统进行设计，在提升系统设计合理性的基础上，提升光纤通信传输系统性能，从而实现数据信息的高速、远距离传输。