前言
傳統的電訊號傳輸方法是採用雙絞線分別將各取樣訊號送到控制端，這種方法線路密集複雜，抗干擾能力差，不適合遠距離傳輸。而實時數字化光纖傳輸方案將各取樣訊號處理為一路光訊號，並通過光纖進行隔離傳輸，線路簡單、抗干擾性能好，適合遠距離傳輸，尤其適合複雜環境下系統對多點、多路取樣資料實時、可靠及遠距離傳輸。如在液體火箭發動機系統地面測試中，被測點處於高低溫、高壓和強輻射的惡劣環境中，需要將測試訊號通過遠距離實時傳輸到控制端，以便於對系統地面環境的監測；又如對礦井下電網監測系統電流訊號的傳輸；對橋樑、大壩等重大設施的健康安全監測等。數字光纖傳輸將數字化技術和光纖傳輸技術相結合，具有更佳的抗干擾抗雜波能力，並且無噪聲累計，是多路訊號遠距離高品質傳輸的必然趨勢。光的發射和接收模組主要有兩種方式。第一種是用單獨的鐳射器和控制晶片完成電-光轉換；用獨立的PIN元件和放大器完成光-電轉換。其優點是LD的發射功率大，適合遠距離傳輸，成本較低，缺點是整合度低。第二種方法是採用整合的光發射模組和光接收模組。其優點是整合度高，生產方便，缺點是遠距離傳輸時成本較高。但隨著製造工藝的不斷進步，光收發模組的價格越來越低，應用也將越來越廣泛。在光纖傳輸中低壓差分訊號傳輸技術（LowVoltageDifferentialSignaling，LVDS）具備許多優點，是實現高速、低功耗資料傳輸的有效途徑。國內很多院校設立了專門的科研教學機構，我校（南京航空航天大學）電子資訊工程學院“雷達成像與微波光子技術”教育部重點實驗室也開展了相關的理論與實驗教學工作。本文將介紹光纖資料通訊模組的開發、實驗平臺及相關實驗課程設定。通過巧妙構思和靈活設定，使學生理解並熟悉光纖資料通訊的工作原理和相關技術，提高本專業學生的實踐能力、創新能力和綜合應用能力。
一、教學實驗裝置系統設計
點對點光纖資料通訊模組主要是數字光傳送機和數字光接收機，之間由單模光纖連線，安裝在測試主機板上。為了實現訊號在光纜中的傳輸，需要先將電訊號轉化成為適合在光纜中傳輸的光訊號，之後再轉化成電訊號傳送到接收端進行傳輸。數字光收發一體機由數字光傳送模組和數字光接收模組組成，4路LVDS差分訊號從光傳送次模組（TransmittingOpticalSubassembly，TOSA）輸入端輸入之後進行並串轉換和半導體鐳射器調製，輸出調製光訊號；光訊號經光接收次模組（ReceiverOpticalSubassembly，ROSA）轉換為電訊號，經過光電轉換、前置放大、限幅放大和串並轉換，輸出4路LVDS電訊號。其中，LVDS低電壓差分訊號是一種電平標準，核心是採用極低的電壓擺幅高速差動傳輸資料，可以實現點對點或一點對多點的連線，具有低功耗、低誤位元速率、低串擾和低輻射等特點。
二、教學實驗裝置詳細設計
（一）數字光傳送機包括並串轉換電路、驅動電路、自動功率控制（APC）、鐳射器以及訊號介面並串轉換電路輸入訊號為傳輸速率為622Mbps的4路LVDS差分訊號，4路LVDS電訊號為1路時鐘訊號（PCLKI+、PCLKI-）和3路資料訊號（LVDS0~2+、LVDS0~2-），LVDS訊號介面為SFP介面。通過並串轉換晶片MAX3892轉換為2.5GbpsCML訊號輸出序列資料（TD+、TD-）給光模組驅動電路。鐳射器驅動電路鐳射器驅動及自動功率控制晶片MAX3865，適合於工作在傳輸速率為2.5Gbps的光纖網路中，在鐳射管的正常使用期內，能始終保持恆定的輸出功率和消光比。MAX3865內部主要包括高速調製電路和控制電路。高速調製電路包括輸入級和輸出級，主要功能是對輸入訊號進行調製，併為外部鐳射管提供激勵訊號；控制電路包括：邏輯控制電路、調製電流控制電路和偏置電流控制電路。邏輯控制電路主要為使用者提供驅動器的工作狀態資訊和傳輸控制資訊；調製電流控制電路用於自動調製控制（AMC），偏置電流控制電路用於自動功率控制。以AMC工作模式為例說明工作過程。當MAX3865正常工作時，資料從DATA+端和DATA-端輸入，經資料轉換器重新定時同步後，控制差分調製器輸出以實現調製，調製後的訊號從MODN端和MODQ端輸出，驅動外接鐳射管。當電路故障時，邏輯控制電路起作用，關閉輸出，同時故障端輸出低電平。當輸出功率變化或調製電流峰峰值變化，APC電路和AMC電路發生作用，反饋訊號輸入，在比較器中與穩態工作時的監控反饋電流參考值進行比較，所得差值經積分放大電路處理後，分別控制鐳射器（APC電路）的偏置電流和差分調製器（AMC電路）的調製電流，達到自動維持輸出功率穩定的目的。半導體鐳射器中由半導體鐳射二極體組成，所以在對其應用中，需要考慮溫度補償或控制。溫度探測器將鐳射二極體的實際溫度轉換成調節量，作為溫度預補償模組的輸入，溫度預補償模組對電流幅值調節後，由脈衝發生器控制裝置產生電流脈衝，作用於鐳射二極體，使半導體鐳射器輸出功率在不同溫度下保持恆定。鐳射器主要引數：傳輸波長1310nm；單模傳輸；輸出功率2mW；工作溫度-40度~85度。
（二）數字光接收機包括串並轉換電路、光電轉換PINTIA、前置放大、限幅放大以及訊號介面串並轉換電路串並轉換利用MAX3882完成將1路2.5Gbps的串聯輸入CML訊號轉換為4路622Mbps的LVDS訊號。為保證“0”、“1”訊號判別有效性，LVDS輸出訊號差分峰峰值電壓VP-P範圍250~400mV，高電平電壓VOH=1.475V，低電平電壓VOL=0.925V，滿足幅度要求。PIN光電二極體和前置放大電路直接相連，處在最前端位置，組成第一級有源電路。當鐳射照射到光電二極體上產生的訊號微弱時，有用的訊號可能被噪聲淹沒，無法有效輸出。根據噪聲係數計算公式：Np=Np1+Np1-1G1+Np2-1G1G2+…，由此可得，NP主要由第一級放大器來決定，因此對於設定整個探測器系統的噪聲係數來說前置放大電路十分重要。本電路選用低功耗限幅放大器MAX3747搭建放大電路。
（三）測試板測試板上電路包括5V電源介面，5V轉3.3V晶片、電源電路、LED燈、連線主機板的SFP介面和連線外部訊號的SFP介面。測試板為主機板提供電源的同時，還會對數字光收發一體機工作狀態進行指示。
三、實驗科目設計
所示光纖資料通訊模組教學實驗裝置充分採用模組化設計思想與元件架構原則。測試板部分作為母板，數字光傳送機和數字光接收機均設計為可插拔的獨立電路模組，既可分開單獨除錯，設計實驗環節；也可進行多種組合，完成綜合性功能實驗。實驗科目設定遵循先易後難、先區域性後整體、使得學生能夠循序漸進地鍛鍊；各實驗均給出清晰的原理說明、統一的指標要求與檢驗標準，不限定解決辦法，鼓勵不同的`解決思路，充分發揮學生的主觀能動性與創造性；實驗既有基礎部分也有提高部分，既顧及學生的平均水平，達到普遍鍛鍊的目的，也充分調動能力突出學生的積極性，具有一定挑戰性。參照以上實驗科目設計原則，我們制訂了適合本實驗裝置的實驗指導。首先安排一個簡單的並串-串並轉換特性測試，旨在熟悉並行訊號和序列訊號的特點、瞭解並串、串並轉換晶片的設定方法訊號的測試方法。第二部分進行數字光傳送機測試，主要是驅動電路的設計和動手製造，包括邏輯控制電路、調製電流控制電路和偏置電流控制電路。第三部分為數字光接收機測試，包括光電轉換PINTIA、前置放大、限幅放大等。第四部分為綜合實驗，包括數字光收發一體機的整體除錯。各實驗的指導手冊均包括預習知識、實驗目的、實驗介紹、實驗條件、基礎部分、提高部分、測試表格和實驗記錄等項。
四、總結
光纖資料通訊系統是一種電子技術、光子技術和通訊技術相結合，理論與實踐緊密結合的教學實驗載體。我們設計了一套光纖資料通訊教學實驗裝置。實驗內容大量涉及光電和通訊類本科的多門基礎課程，包括類比電子技術、數位電子、光通訊、通訊原理等。本實驗裝置可為學生提供較豐富的實驗科目，能夠鍛鍊學生的實踐動手能力、創新品質、綜合運用能力等，鼓勵學生髮揮主觀能動性與創造性去解決問題。該光纖資料通訊裝置及其課程設計具有很好的教學功效。