高速长距离的光纤通信传输系统的设计分析

摘  要：光纤通信传输已成为当前的主流通信方式，与之相关的技术和设备随之不断完善。但从实际情况上看，仍然存在传输速率不高的情况。为了解决这一问题，文章从光纤通信传输系统的特点分析入手，基于FPGA芯片，对高速长距离光纤通信传输系统进行设计。期望通过本文的研究能够对促进光纤通信传输的发展有所帮助。

关键词：高速长距离;光纤通信;系统设计

中图分类号：TN929.11      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0072-02

0  引  言

在信息时代到来的今天，通信已成为信息交互最为重要一种形式。在各种通信方式中，光纤通信以其自身所具备的诸多特点获得越来越广泛的应用。通过对现有光纤通信传输系统进行研究后发现，虽然信息传输的安全性和稳定性相对较高，但是，传输速率和传输距离方面卻并不十分理想。为了在现有的基础上，进一步提升光纤通信系统的传输速率，并使系统能够满足长距离传输的使用要求，有必要设计一款传输速度快、传输距离长的光纤通信系统。因此，下面对高速长距离光纤通信传输系统设计展开分析。

1  光纤通信传输系统的特点

光纤通信传输系统是一种以光为载波，将光导纤维作为传输媒介，根据光电转换的原理，借助光对数据进行高速传输的实时通信系统。在信息时代下，光纤通信之所以能够成为数据传输的主要方式，与其自身具备的诸多特点有着密不可分的关联。可将光纤通信的特点归纳为以下几个方面。

1.1  传输距离远

光导纤维是一种非常特殊的材料，损耗低是其最为突出的特点，如对1.31um的光进行传输时，损耗情况约为0.35db/km，如果是对1.55um的光进行传输，损耗更小，约为0.20db/km，如此低的损耗是大多数传输媒介所无法比拟的，光纤的无中继传输距离可以达到数十至上百公里。

1.2  通信容量大

通信传输容量的大小主要与频带的宽窄有关，载波的频率越高，可传输信号的频带宽度就越大，单根光纤的潜在带宽能够达到20THz，由此使其具有了非常大的通信容量。

1.3  抗干扰能力强

光导纤维的主要成分为石英，其具有不导电的特性，由于传输的是光信号，所以基本不会受到电磁场的干扰，从而确保了数据传输的可靠性。

2  高速长距离光纤通信传输系统设计

为实现高速长距离的传输目标，系统的主控芯片选择FPGA，这是一种能够进行反复编程的逻辑元件，具有集成度高、灵活性强等特点。下面分别从硬件和软件两个方面对系统设计进行分析。

2.1  系统硬件设计

在高速长距离光纤通信传输系统的硬件设计中，芯片和模块的选择是重点环节。

2.1.1  FPGA芯片

在本系统的设计中，选用国外某公司自主研发的一款FPGA芯片，其具有可定制和可重复编程等功能，它的加入能够使系统的设计成本大幅度降低。同时，该芯片支持多种通信协议和串行配置器件，时序管理为嵌入式PLL，具体的特性参数如表1所示。

2.1.2  电源模块

为使FPGA芯片能够正常运行，需要为其提供相应的电源电压，本系统选用的FPGA芯片所需的电压等级为1.5V，RAM和光电模块的工作电压均为3.3V，整个系统所需的电压有两类，分别是1.5V和3.3V。输入电压由节点3.3V电压源负责提供，经过滤波处理后，可直接供给光电模块，经过DC/CD后，可使输出电压降至1.5V，由此便能为FPGA芯片进行供电。

2.1.3  时钟电路

在本系统中，设计一路外部时钟输入，频率为125MHz，以此来为整个系统提供全局工作时钟。时钟电路的供电电压为3.3V，其输出的信号可作为FPGA芯片的外部时钟输入。

2.1.4  外部存储

选用某公司出品的RAM芯片作为外部存储模块，其特点是能够实现存储数据共享，该储存模块有两套信号线和数据线，支持异步访问，为避免访问冲突，芯片具有访问仲裁控制功能。

2.1.5  光电转换

该模块由两个部分组合而成，一部分是接收器，另一部分是发送器，其能够实现光电信号的转换。其中接收器能够将光信号转换为数字信号，传给FPGA芯片;发送器则可将待发的数字信号转换为光信号，经由光纤进行高速、长距离传输。光发射器采用的是国内某公司出品的一款同轴尾纤激光器，波长1550nm，最大传输速率为2.5Gbs。

2.2  系统软件设计

在高速长距离光纤通信传输系统设计中，软件程序的开发是一个非常重要的环节，直接关系到系统功能的发挥。因此，必须对软件设计予以高度重视。具体包括软件开发环境和开发语言及逻辑设计。

2.2.1开发环境

在本系统设计中选用的是FPGA芯片，开发流程大体上可分为三个部分，即准备、详细设计和实现。从软件设计来看，主要是对软件的开发以及对编程语言的选用，本次设计中选用了V-HDL作为编程语言，开发工具采用的是FPGA芯片厂家提供的配套工具，该工具支持V-HDL语言以及图形的输入。

2.2.2  逻辑设计

（1）通信逻辑。在对通信进行配置的过程中，必须对串口进行初始化操作，随后按照预先设定好的逻辑完成对接收波和发射波配置，本系统中配置的波特率为19200bps。

（2）数据存储。在高速长距离光纤通信传输系统中，数据存储的主要作用是对采集到的数据信息进行存储，高速数据依托光纤进行通信的过程中，以采样数据帧的方式实现传输，换言之，通信传输模块需要具备实时性的特点，从而满足数据实时传输的需要。在具体设计时，通过对FPGA芯片中的RAM进行调用，遵循先入先出的原则，对数据进行存储。当接收器监测到串行输入信号后，会生成波特率控制器启动信号，此时波特率控制模块便会自行启动进入到工作状态，生成时钟信号，接收器按照该信号进行采样，并对串行数据进行接收，从而完成转换，波特率控制器会在数据接收后自动关闭。此时RAM会将接收到的数据帧按字节顺序写入到存储器中。

（3）光纤通信。在系统软件设计中，光纤通信是重中之重。由高速光纤传输出去的数据为串行数据，因传输过程中会受到时序和逻辑的限制，所以在软件设计中，数据采集由同一个时钟源提供时钟，保证所有数据的采集同步进行。FPGA芯片的全局时钟为100M，据此可将单帧传输数据设定为48kb，当光纤链路正常时，便可进行高速、长距离通信传输。

3  结  论

综上所述，光纤通信传输系统以其自身所具备的诸多特点，成为当前的主流通信方式。但在实际应用中发现，系统存在传输速率不高的情况。为了解决这一问题，可以在系统设计中，采用FPGA芯片，并对数据进行有效存储，避免传输中丢失数据，同时，通过对软件程序进行合理设计，改善系统的性能，提高传输速率和传输距离。

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作者简介：但龙（1988.06-），男，汉族，湖北人，工程师，中级职称，硕士，研究方向：新一代通信技术。